引言
對于太陽能光熱電站,通常都是采用傳統(tǒng)U型管換熱器,但目前有一種新型蛇形管、圓形集箱結構式換熱器已被成功開發(fā)應用,它相對于傳統(tǒng)U型管換熱器具有以下明顯優(yōu)勢:(1）管束可充分自由收縮:(2）圓形集箱設計降低了熱應力:(3）快速啟動:10℃/min:(4）鍋爐管外徑不小于30mm,厚度不小于4mm:(5）無須抽卸管束的空間,覆蓋區(qū)更小:(6）根據ABMA標準采用分離的蒸汽鍋筒,因鍋筒內的雙級蒸汽分離裝置,蒸汽品質高(對蒸汽輪機的運行非常重要）:(7）上下聯(lián)管產生至少15:1的自然循環(huán)。新型蛇形管換熱器主要包括兩個蒸發(fā)器換熱器和一個單獨的蒸汽鍋筒,蒸汽鍋筒由外部的上下聯(lián)管連接到蒸發(fā)器,同時管束通常有3處通道口,因此較殼體具有更大的靈活性。此種蛇形管換熱器設計、制造及檢驗驗收都可滿足《鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》(TsGG0001—2012）(以下簡稱《鍋規(guī)》）、AsME、PED及相關法規(guī)要求。
1設備簡介
1.1蒸發(fā)器結構
蒸發(fā)器作為蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要部件,其性能非常重要。結構主要還是基于TEMA類型的管殼式換熱器,將管束和蒸汽空間放置在同一殼體中,殼體直徑大于管束直徑,蒸汽空間在殼體上方,即管束的上側。管束有兩個通道口,一個入口和一個出口。
1.2蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程
給水在蒸發(fā)器中加熱產生高壓蒸汽,驅動高壓汽輪機發(fā)電。為了提高汽輪機效率,通常對汽輪機出口蒸汽進行再熱,驅動低壓汽輪機發(fā)電。高壓蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)每列包括一臺過熱器、一臺蒸發(fā)器和一臺預熱器、兩臺再熱器,分別與預熱器和過熱器并聯(lián)。在這個回路中,所有的傳熱流體都流過蒸發(fā)器。這種配置的優(yōu)點是可以在相同蒸汽輸出的情況下減少設備的換熱面積。蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。
2換熱器設計方案
(1）新型蛇形管換熱器材質選用具有成熟應用經驗的鋼材,設計采用無管板蛇形管方案,封頭采用1:2橢圓封頭,采用大直徑換熱管,可減少堵塞,大大降低系統(tǒng)阻力。
(2）換熱器在室外安裝使用,外保溫采用200mm厚硅酸鋁棉防止熱損失,保證蒸汽系統(tǒng)熱效率不低于96.7%。如果省煤器進口溫度過低,在寒冷天氣條件下,系統(tǒng)中小型管道中的水或導熱油或熔鹽可能凍結。因此,應在汽包內增設一組換熱管束,在省煤器進水處增設旁路,使部分給水進入汽包加熱,以提高溫度,防止管內凝固。
(3）基于頻繁啟停會產生熱應力,導致設備疲勞開裂的風險,在換熱器結構設計中,采用集管形式代替厚管板,將高溫導熱油或熔鹽分配到管束中。集管為圓柱形,可由相對較薄的材料制成,與傳統(tǒng)管板相比,降低了熱應力。在制造過程中,采用全焊后熱處理的方法來降低殘余應力。在設計和制造過程中,換熱器能適應頻繁啟動(每天啟停一次）。同時,集箱與管束之間的焊接接頭設計在可檢測的位置,以便在鍋爐停機檢修時進行表面無損檢測,防止焊接接頭疲勞損傷。
(4）本設計考慮了規(guī)定的荷載效應及其他相關荷載,并按AsMEⅧ-2規(guī)范對設備進行疲勞和有限元分析,對支架、吊耳和各管口進行了荷載驗算。無論設備啟動、停止或在各種負荷條件下,設備壁溫均低于鋼材的允許值,設備內所有應力集中處的應力水平也低于允許應力,保證使用壽命不低于30年。在預期壽命內,設備能承受下列運行方式產生的應力:冷啟動(停機超過72h）1000次,溫啟動(停機24～72h）3000次,熱啟動(停機時間小于24h）6000次。
(5）太陽能蒸汽發(fā)生器的預期連續(xù)排污量為0.5%,但是在啟動或非正常運行狀態(tài)下,排污量可達5%。本次設計的新型蒸發(fā)器有一個獨立的汽包,類似于傳統(tǒng)的鍋爐,帶有兩級汽水分離系統(tǒng)。第一級分離為旋風分離器,第二級分離為波紋板分離器,保證蒸汽流中攜帶的水滴不使飽和蒸汽低于要求質量的99.95%。過熱/再熱蒸汽的質量符合VGB調節(jié)值標準,如表1數據所示。
(6）新型換熱器合理布置上升管和下降管,平均循環(huán)比大于等于15:1,汽包安裝在蒸發(fā)器頂部,由上升管和下降管系統(tǒng)支撐,將重量和外部負荷轉移到換熱器殼側。殼體設有定期排污口、連續(xù)排污口、放空口、兩個安全閥接口、遠近液位計接口、壓力檢測接口。在蒸汽發(fā)生器上確定正常水位、允許最高和最低水位,并在設備上標出中心線:輔助系統(tǒng)配有安全閥。安全閥的排放量符合電站鍋爐的相關要求,以保證設備的安全運行。
(7）換熱器所有進出口管口設備均應采用馬鞍式焊接,不允許使用補強圈。蒸汽發(fā)生器給水進口管嘴設計有隔熱套管,以降低熱應力。蒸發(fā)器給水管道沿汽包方向均勻分布,保證給水均勻。
3設計要點
3.1換熱器結構
目前,TEMA類型的高溫高壓管殼式換熱器,為滿足強度要求,所有組件都需要采用較大厚度的材料。該新型換熱器是獨特的集箱以及蛇形管設計,無管板,受熱面由蛇形管束組成,蛇形管蒸發(fā)器的管束有許多折彎,所以具有高度靈活性。管束的傳熱管內為高壓側:傳熱流體為低壓側,它在橫流外側做逆向流動。傳熱管束置于一個圓柱形的壓力容器內,容器內裝有傳熱流體。管束焊接在進出口集箱處,集箱穿過在殼體處設置的熱套筒以降低熱應力。在換熱器內部設置可靠的支撐及固定組件,防止流體流動造成機械振動。
3.2抗疲勞
就熱應力而言,管板使用過厚材料并不理想,因為存在疲勞開裂的風險。新型蛇形管換熱器不采用厚管板,而是通過圓形集箱將高溫導熱油或熔鹽流分配到傳熱管束中。因集箱的圓筒形設計,可采用厚度相對較小的材料,也因此降低了熱疲勞應力。通過將蒸發(fā)器單元拆分成兩個換熱器和一個蒸汽鍋筒,單個壓力容器的直徑比釜式的小,而且用于承受壓力的所需管壁厚度也相對變小了。較小管壁厚度的材料的使用,降低了啟停和負荷變化時系統(tǒng)對高溫度梯度的敏感性。
3.3大直徑傳熱管
釜式蒸發(fā)器通常采用薄壁小直徑換熱管,熱負荷可能會變得非常接近甚至超過管束的臨界熱負荷。在這種情況下,傳熱管內充滿了蒸汽,傳熱系數將大幅度降低且變得不穩(wěn)定,造成設備損傷。同時,小直徑換熱管增加了結垢風險。新型蛇形管換熱器可采用口徑較大的傳熱管,并且其管間距較大。因此,在運行過程中熱負荷遠低于臨界熱負荷,運行非常穩(wěn)定和安全。
3.4高品質蒸汽
釜式蒸發(fā)器的蒸發(fā)和蒸汽空間置于同一個殼體內,因此,蒸汽品質想要達到蒸汽輪機運行可接受范圍,必須借助于外部汽水分離器。新型蛇形管蒸發(fā)器帶有一個單獨的蒸汽鍋筒,可以配置一個雙級汽水分離系統(tǒng)。該配置在常規(guī)的水管鍋爐中已成熟應用,一級分離采用旋風分離器,二級分離采用波形板分離器。
4結語
新型蛇形管、圓形集箱結構式換熱器具有傳熱效率高、快速啟動、蒸汽品質高、設計和制造滿足《鍋規(guī)》、ASME、PED要求等優(yōu)點,經過設計研究改造后已經被成功應用于太陽能光熱發(fā)電中,同時經過不同段負荷驗證,其設備主要運行參數均處于穩(wěn)定安全工況。在太陽能光熱發(fā)電中,采用該種形式的換熱器可達到安全、節(jié)能、降耗的效果。
