槽式光熱電站汽水管道效率探討

劉傳成

摘要：本文結(jié)合槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目的汽水管道效率優(yōu)化方案，綜合考慮管徑、管系壓降、布置、應(yīng)力分析及熱力平衡（HBD）因素的影響，并結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，提出槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目合適的汽水管道效率，提高槽式光熱電站項(xiàng)目汽水管道效率約4.5個(gè)百分點(diǎn)，此設(shè)計(jì)優(yōu)化有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：槽式光熱發(fā)電；管道效率

目前，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)逐漸走向成熟，國內(nèi)太陽能光熱發(fā)電市場也迅速膨脹，國內(nèi)各大電力公司均踴躍參與其中，產(chǎn)業(yè)鏈也已經(jīng)初步形成。

國家能源局已公布了國內(nèi)首批入選的20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，總裝機(jī)134.9萬千瓦，將在2018年前建成投產(chǎn)。到2020年底，國內(nèi)要實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到10GW，對應(yīng)近3000億元的投資落地。

光熱發(fā)電形式主要有：槽式、塔式、碟式、菲涅耳式等。相比其他幾種光熱發(fā)電技術(shù)相比，槽式光熱發(fā)電技術(shù)更加成熟、可靠，也是目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行項(xiàng)目中占比例最高的光熱發(fā)電技術(shù)。

1 汽水管道效率差距及分析

（1）差距原因。槽式光熱電站汽水島的工藝原理存在如下與常規(guī)火電機(jī)組不同的工藝特性：a.因光照和儲熱的限制條件，機(jī)組啟停頻繁；b.主蒸汽、熱再熱蒸汽過熱度低，冷再熱和部分抽汽參數(shù)為濕飽和蒸汽；c.主要系統(tǒng)設(shè)備室外布置，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)SGS區(qū)域與汽輪機(jī)區(qū)域距離較遠(yuǎn)，管道敷設(shè)距離長；d.管道壁厚較大，管道柔性設(shè)計(jì)難度高，補(bǔ)償彎多，彎頭數(shù)量多，阻力損失大。由上可知，槽式光熱電站的工藝特性應(yīng)該就是其管道效率與常規(guī)火電機(jī)組有差距的根源。

（2）分析。電站整體的光熱電轉(zhuǎn)換效率是非常重要的指標(biāo)，包括鏡場效率、導(dǎo)熱油熔鹽島效率、汽水島效率主要三部分，光熱電站總效率的表達(dá)式為：

η電站=η鏡場*η油鹽島*η汽水島

目前成熟的鏡場和導(dǎo)熱油熔鹽儲換熱系統(tǒng)的工藝技術(shù)多壟斷在少數(shù)幾個(gè)歐美發(fā)達(dá)國家手中，國內(nèi)短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破帶來這兩個(gè)環(huán)節(jié)效率的大幅提升存在較大困難，而對于汽水島效率，國內(nèi)則有大量成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，可以在這方面著力進(jìn)行攻關(guān)突破。

汽水島的主要組成包括蒸汽發(fā)生系統(tǒng)SGS（STEAM GENERATION SYSTEM）、汽輪發(fā)電機(jī)組ST&BOP（STEAM TURBINE AND BALENCE OF PLANT）以及管道系統(tǒng)，是光熱電站熱能轉(zhuǎn)換成電能的核心系統(tǒng)。汽水島效率的表達(dá)式為：

η汽水島=η蒸汽發(fā)生*η汽輪機(jī)組*η管道

目前槽式光熱電站對于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)SGS的效率約為90%～92%，與相同容量火力發(fā)電站的鍋爐效率基本相同甚至略高。槽式光熱電站汽輪發(fā)電機(jī)組的效率與同等容量的火電汽輪發(fā)電機(jī)組也基本相同，多在35%～40%之間，目前先進(jìn)水平可達(dá)42%。而對于槽式光熱電站，汽水管道的效率多在94%～96%之間，與火力電站管道效率的98%～99%存在較大差距，有較大的提升空間。

2 提高汽水管道效率途徑

汽水管道本質(zhì)上是輸送汽輪機(jī)做功介質(zhì)的載體，其效率主要取決于介質(zhì)做功能力的損失?；跓崃W(xué)第二定律的熵方法和火用方法，闡明影響管道效率η管道的因素。

管道中汽水介質(zhì)做功能力的損失主要是涉及兩部分，分別為溫度降和壓力降，在HBD（HEAT BALANCE DIAGRME）中是以溫降和壓降的形式體現(xiàn)的。

（1）途徑。

主要蒸汽管道設(shè)計(jì)首要需要確定管徑、管道阻力降、管道布置、應(yīng)力計(jì)算。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，包括熱平衡（HBD）計(jì)算，確定合適的管道效率。

a.因槽式光熱電站參數(shù)較低，主汽等管道材質(zhì)為碳鋼，管道效率變化引起的汽輪機(jī)入口參數(shù)變化導(dǎo)致汽輪機(jī)價(jià)格變化，及其微小，這兩項(xiàng)的價(jià)格變化可以忽略。所以只要按上述流程進(jìn)行發(fā)電量的變化而不引起汽輪發(fā)電機(jī)規(guī)格升級的計(jì)算，即得到合適的管道效率。

結(jié)論：壓降損失大。

結(jié)論：光熱發(fā)電機(jī)組管道溫降與火電機(jī)組差別不大。

d.應(yīng)力分析。槽式光熱電站因光照和儲熱限制啟停頻繁，管道涉及低周疲勞，應(yīng)力要求苛刻，汽機(jī)等設(shè)備接口的推力及扭矩要求嚴(yán)格，所以提高管道效率必須在滿足管道應(yīng)力要求的前提下進(jìn)行，即布置、壁厚（流速）需考慮此方面的影響。

（2）優(yōu)化布置 縮短SGS與汽機(jī)間距離 縮短連接管道長度。

距離的縮短的對降低管道的壓力損失和散熱損失起到了顯著的作用。

（3）增大管道直徑，降低管道流速，減少管道沿程阻力損失。

管道摩擦壓力損失（等效為管道沿程阻力損失）的表達(dá)式為：

Δpf=λρw22g

·LDt

式中：Δpf=——直管的摩擦力損失，MPa

g——重加加速度，m/s2。

ω——平均流速，m/s。

ρ——流體密度，kg/m3。

由上式可以看出，管道的摩擦壓力損失與管道內(nèi)徑成反比，與管內(nèi)介質(zhì)流速的平方成正比。而且在介質(zhì)流量一定的情況下，由下式可知：介質(zhì)流速和管徑的平方成反比。

Di=18.81

Qω

式中：Di——管道內(nèi)徑，mm。

G=介質(zhì)質(zhì)量流量，t/h。

v——介質(zhì)比容，m2/kg。

ω——介質(zhì)流速，m/s。

Q——介質(zhì)容積流量，m2/h。

綜合以上兩式可知，在介質(zhì)流量一定的情況下，管道沿程阻力損失與管道直徑的5次方成反比，也就是說增大管道直徑可以極其顯著的降低管道的沿程阻力損失。

從上表可見，我們對光熱電站管道管徑選取要遠(yuǎn)大于常規(guī)火電機(jī)組在推薦流速的條件下計(jì)算出來的管徑。這也使光熱電站管道內(nèi)介質(zhì)流速要比常規(guī)火電推薦值小很多。結(jié)合管道沿程阻力計(jì)算的公式，這樣會顯著降低管道的沿程阻力損失。

（4）改變管件形式，使用局部阻力系數(shù)小的管件。

根據(jù)上表，部分管件的選用原則：

（1）主蒸汽彎頭在空間布置允許的情況下可替換成彎管，這樣既可以降低管道局部阻力，又可以提高管道柔性，有助于降低管道應(yīng)力。（2）在兩個(gè)90°彎頭之間距離較短時(shí)，可替換成兩個(gè)45°彎頭，可以降低管道局部阻力。下圖為主蒸汽管道，兩個(gè)比較近的90°彎頭換成了兩個(gè)45°彎頭。（3）對管道的匯流三通多通過支路設(shè)置成側(cè)向匯流，盡量避免對向匯流；對于分流三通，如果布置空間允許的話應(yīng)設(shè)置成Y型三通。（4）對于大流量的主要支路管道，盡量避免使用異徑三通，可以使用等徑三通加大小頭的形式，這樣管道局部阻力損失小一些。

3 效益

（1）槽式光熱電站與常規(guī)火電機(jī)組蒸汽管道壓力降及管道效率統(tǒng)計(jì)

槽式光熱電站管道效率達(dá)到97.3%，與目前世界最先進(jìn)水平97.5%很接近。

（2）可提高槽式光熱電站項(xiàng)目汽水管道效率約4.5個(gè)百分點(diǎn)，進(jìn)而可提高全廠的光熱電轉(zhuǎn)換效率，每年可給業(yè)主直接增加客觀的發(fā)電收益。

4 結(jié)論

綜上所述，管徑、阻力、布置、應(yīng)力分析、HBD及商務(wù)結(jié)合在一起考慮，建議合適的槽式光熱電站管道效率在97%～97.5%。

參考文獻(xiàn)：

[1]DL/T 50542016，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范.