換熱工質(zhì)參數(shù)對(duì)熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)性能的影響研究

(西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075)

0 引言

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是通過(guò)鏡場(chǎng)將接收到的太陽(yáng)能聚焦至吸熱器上，然后將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成熱能，再將熱能傳遞給吸熱傳熱工質(zhì)后，經(jīng)換熱后的蒸汽工質(zhì)輸入至熱動(dòng)力機(jī)，進(jìn)行膨脹做功，最后以電能形式輸出的一種發(fā)電形式[1-2]。根據(jù)吸熱工質(zhì)的不同，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為多種不同的技術(shù)路線，比如塔式熔鹽工質(zhì)、塔式水工質(zhì)(蒸汽)、塔式空氣工質(zhì)等[3-4]。在這些技術(shù)路線中，由于熔鹽(二元熔鹽，60%硝酸鈉+40%硝酸鉀的混合物)具有比熱高、流動(dòng)性好、在工作溫度區(qū)域不發(fā)生相變、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，使塔式熔鹽工質(zhì)技術(shù)路線成為目前塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站采用的主流技術(shù)路線。在全球已建成的10 MW 等級(jí)以上的商業(yè)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，采用熔鹽作為吸熱工質(zhì)的電站超過(guò)一半[4]，我國(guó)50 MW 等級(jí)以上的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站采用的也均是塔式熔鹽工質(zhì)技術(shù)[5]。

塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的換熱系統(tǒng)一般也稱為熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)(steam generation system，SGS)，主要由預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器和再熱器組成，這些設(shè)備可統(tǒng)稱為換熱設(shè)備。熔鹽SGS 作為連接集熱、儲(chǔ)熱和發(fā)電系統(tǒng)的中間系統(tǒng)，其性能對(duì)整個(gè)塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站存在顯著的影響[6]。熔鹽SGS 相當(dāng)于火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐[7]，其通過(guò)利用高溫熔鹽與給水換熱產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功。關(guān)于塔式熔鹽SGS的研究大多集中在針對(duì)換熱設(shè)備的研究上，如文獻(xiàn)[8-9]分別以太陽(yáng)能熱發(fā)電站的再熱器和過(guò)熱器為例，根據(jù)傳熱和強(qiáng)度計(jì)算，分析了發(fā)夾式換熱設(shè)備的設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[10-11]分別建立了熔鹽在換熱設(shè)備內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱模型，并分析了不同影響因素對(duì)換熱設(shè)備傳熱的影響規(guī)律。

以上這些研究通過(guò)模擬計(jì)算，揭示了熔鹽在不同換熱設(shè)備中的換熱特性，為換熱設(shè)備的制造提供了借鑒和參考。但熔鹽SGS 的設(shè)計(jì)不僅要考慮換熱設(shè)備的性能，還要站在全局角度考慮參數(shù)的選擇對(duì)整個(gè)熔鹽SGS 性能的影響，因此研究熔鹽SGS 的換熱工質(zhì)參數(shù)的匹配性對(duì)整個(gè)塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)非常重要。當(dāng)前的研究主要集中在熔鹽SGS 的建模和驗(yàn)證階段，如文獻(xiàn)[12-13]分別采用不同方法建立了蒸汽發(fā)生器模型，并與實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了所建模型的可靠性，但對(duì)于熔鹽SGS 的換熱工質(zhì)參數(shù)匹配性的研究較少。

Thermoflex 是一款通用的針對(duì)熱能系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真的軟件，適用于熱能系統(tǒng)的建模和熱量質(zhì)量平衡計(jì)算。近年來(lái)，該軟件開始應(yīng)用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的模型搭建及熱平衡計(jì)算，在燃煤電站[14]和聯(lián)合循環(huán)電站[15]的系統(tǒng)性能研究中為系統(tǒng)優(yōu)化和綜合分析提供了新契機(jī)。

本文以塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的熔鹽SGS 為研究對(duì)象，選用Thermoflex 軟件對(duì)熔鹽SGS 仿真建模。研究分為2 步，第1 步搭建熔鹽SGS 模型，以實(shí)際工程數(shù)據(jù)為依據(jù)，驗(yàn)證所搭建模型及仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；第2 步以此為基礎(chǔ)計(jì)算熔鹽SGS 的各換熱工質(zhì)參數(shù)變化時(shí)相互間的影響，以及換熱工質(zhì)參數(shù)變化對(duì)熔鹽SGS性能和整個(gè)塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的影響，為熔鹽SGS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 熔鹽SGS 模型的搭建及驗(yàn)證

典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽SGS 包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器和再熱器，利用Thermoflex 軟件搭建熔鹽SGS 的模型，其工藝流程圖如圖1 所示。

從圖1 的工藝流程可以看到：

1)高壓給水(圖1 中藍(lán)色路徑)進(jìn)入熔鹽SGS 后，依次通過(guò)預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器，與熔鹽逆流換熱最終形成高溫的主蒸汽后從熔鹽SGS 輸出，進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸。

2)高壓缸排汽(圖1 中藍(lán)色路徑)進(jìn)入再熱器與熔鹽換熱后形成再熱蒸汽，然后從熔鹽SGS輸出，進(jìn)入汽輪機(jī)的中/低壓缸。

圖1 熔鹽SGS 模型的工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of molten salt SGS model

3)高溫熔鹽(圖1 中粉色路徑)進(jìn)入熔鹽SGS后分別進(jìn)入過(guò)熱器和再熱器，然后在過(guò)熱器和再熱器出口混合后，依次再進(jìn)入蒸發(fā)器和預(yù)熱器，最終由熔鹽SGS 的熔鹽側(cè)出口(即預(yù)熱器的熔鹽側(cè)出口)流出熔鹽SGS。

4)預(yù)熱器、過(guò)熱器和再熱器的管側(cè)工質(zhì)為水/蒸汽，殼側(cè)工質(zhì)為熔鹽；蒸發(fā)器的殼側(cè)工質(zhì)為水/蒸汽，管側(cè)工質(zhì)為熔鹽。

熔鹽SGS 內(nèi)管道的散熱損失可以忽略，設(shè)備的散熱損失按設(shè)備換熱功率的1%計(jì)算。不同工況下的計(jì)算均為穩(wěn)態(tài)計(jì)算。

為驗(yàn)證所建熔鹽SGS 模型的準(zhǔn)確性，選取某100 MW 塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽SGS的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)各工質(zhì)的邊界條件(即輸入?yún)?shù))如表1 所示。輸入?yún)?shù)與文獻(xiàn)報(bào)道的同級(jí)別塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的參數(shù)接近，說(shuō)明參數(shù)的選擇具有一定的代表性[16]。

表1 計(jì)算時(shí)各工質(zhì)的邊界條件Table 1 Boundary conditions of each working fluid in calculation

仿真模擬計(jì)算得到的計(jì)算結(jié)果如表2 所示。表中的“誤差”為模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程數(shù)據(jù)的誤差。

表2 模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程數(shù)據(jù)的比較Table 2 Comparison of simulation results with actual engineering data

從表2 可以看出，模擬計(jì)算得到的熔鹽SGS出口的主蒸汽溫度和壓力、再熱蒸汽溫度和壓力、熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度與實(shí)際工程數(shù)據(jù)的差異均較小，說(shuō)明二者的吻合度較高。由于相對(duì)于實(shí)際工程數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算得到的各項(xiàng)參數(shù)值的誤差均在1%之內(nèi)，說(shuō)明采用Thermoflex 軟件建立的熔鹽SGS 模型是可信的。

2 換熱工質(zhì)參數(shù)的影響

塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站中熔鹽SGS 的工質(zhì)包括水(蒸汽)和熔鹽；熔鹽SGS 的水側(cè)主要是吸收熱量進(jìn)行升溫，與汽輪發(fā)電系統(tǒng)相連；熔鹽SGS 的熔鹽側(cè)主要是放出熱量與給水換熱，與集熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)相連。在整個(gè)過(guò)程中對(duì)上、下游子系統(tǒng)影響較大的參數(shù)包括給水的溫度、主蒸汽的壓力和溫度。為橫向?qū)Ρ戎饕獏?shù)的影響特性，在Thermoflex 軟件搭建的熔鹽SGS 模型的基礎(chǔ)上對(duì)上述參數(shù)對(duì)熔鹽SGS 性能的影響進(jìn)行了單因素影響計(jì)算和分析。

2.1 給水溫度的影響

熔鹽SGS 中的入口給水溫度主要由汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)決定，在熔鹽SGS 中給水溫度的變化對(duì)其熔鹽側(cè)參數(shù)的影響如表3 所示。

表3 給水溫度的變化對(duì)熔鹽SGS 的熔鹽側(cè)參數(shù)的影響Table 3 Influence of feed water temperature on molten salt side parameters of molten salt SGS

從表3 可以看出，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度隨著給水溫度的升高而呈線性升高，給水溫度在230～270 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度隨之升高約0.5 ℃。

與此同時(shí)，從表3 中還可以看出，給水溫度的變化對(duì)熔鹽流量幾乎沒有影響。當(dāng)給水溫度提高后，進(jìn)入熔鹽SGS 的水的溫度會(huì)升高，而熔鹽SGS 出口的蒸汽溫度不變，導(dǎo)致熔鹽SGS 的總換熱功率降低，需要的熔鹽側(cè)的熱量減少，這些減少的熱量主要體現(xiàn)在熔鹽SGS 入口和出口的熔鹽溫度的溫差減小了，但熔鹽流量保持不變。這主要是因?yàn)樗べ|(zhì)在熔鹽SGS 中的加熱過(guò)程分為2 個(gè)階段，即由水變?yōu)轱柡驼羝恼舭l(fā)段和由飽和蒸汽變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽的過(guò)熱段。由于過(guò)熱段蒸汽進(jìn)、出口參數(shù)未變，導(dǎo)致與過(guò)熱段蒸汽換熱的熔鹽熱量沒變，因此熔鹽的流量不會(huì)發(fā)生變化。

因?yàn)槿埯}進(jìn)入系統(tǒng)后是依次與過(guò)熱段的蒸汽和蒸發(fā)段的給水進(jìn)行換熱，所以當(dāng)僅有給水溫度變化時(shí)，熔鹽在給水蒸發(fā)段的換熱功率會(huì)減少。熔鹽SGS 中各個(gè)換熱設(shè)備(預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器和再熱器)的換熱功率隨給水溫度變化而變化的情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出，只有預(yù)熱器的換熱功率隨著給水溫度的升高而變小，其他3 個(gè)換熱設(shè)備的換熱功率始終保持一致。這主要是因?yàn)殡S著給水溫度的升高，給水預(yù)熱段需要的熱量減小，導(dǎo)致預(yù)熱器的換熱功率下降。給水溫度在230～270℃之間每升高10 ℃，預(yù)熱器的換熱功率分別下降了8.9%、18.1%、27.3%、36.9%。

圖2 不同給水溫度時(shí)不同換熱設(shè)備的換熱功率情況Fig.2 Heat exchange power of different heat exchangers at different feed water temperature

由于換熱設(shè)備的換熱功率與其換熱面積呈正相關(guān)[17]，因此可以認(rèn)為隨著給水溫度的升高，需要的預(yù)熱器的換熱功率減小，導(dǎo)致預(yù)熱器的換熱面積減小，則預(yù)熱器的體積也相應(yīng)減小。但需要說(shuō)明的是，由于換熱設(shè)備的換熱形式不同，不同類型換熱設(shè)備的總換熱面積相差較大，因此無(wú)法對(duì)換熱設(shè)備的換熱面積進(jìn)行定量計(jì)算。但對(duì)于不同類型的換熱設(shè)備而言，各換熱設(shè)備的換熱面積隨給水溫度變化的變化規(guī)律應(yīng)當(dāng)是一致的。換熱面積減少可以降低預(yù)熱器造價(jià)，從而降低成本；此外在一定溫度范圍內(nèi)，給水溫度升高還會(huì)減低汽輪機(jī)熱耗，提高汽輪機(jī)效率[18]。

但由表3 可以看出，隨著給水溫度的提高，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度也不斷提高，當(dāng)給水溫度升高至270 ℃時(shí)，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度已達(dá)到307.5 ℃，這意味著熔鹽溫度的利用區(qū)間減少，因此塔式熔鹽太陽(yáng)能發(fā)電站在相同的配置條件下，熔鹽使用量會(huì)大幅增加。因此在熔鹽SGS 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮換熱設(shè)備造價(jià)、熔鹽材料價(jià)格和熔鹽SGS 的系統(tǒng)效率間的平衡，根據(jù)確定的價(jià)格水平對(duì)給水溫度進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 主蒸汽溫度的影響

熔鹽SGS 中主蒸汽溫度的變化對(duì)其熔鹽側(cè)參數(shù)的影響如表4 所示。

從表4 可以看出，隨著主蒸汽溫度的升高，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均升高；主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度升高約0.1 ℃，熔鹽流量提高約1 kg/s。與給水溫度變化對(duì)溶鹽流量未造成影響不同，主蒸汽溫度的變化對(duì)熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均有影響。

主蒸汽溫度的變化對(duì)不同換熱設(shè)備換熱功率的影響如圖3 所示。

從圖3 可以看出，因?yàn)橹髡羝麥囟忍岣邥?huì)使過(guò)熱段需要的熱量增加，導(dǎo)致過(guò)熱器和再熱器的換熱功率隨主蒸汽溫度的增加而增加。由于熔鹽SGS 入口的熔鹽溫度不變，過(guò)熱段需要的熔鹽流量就會(huì)相應(yīng)增加。在熔鹽繼續(xù)進(jìn)入蒸發(fā)段換熱時(shí)，蒸發(fā)段需要的熱量未變，從而蒸發(fā)器和預(yù)熱器的換熱功率未變。由于熔鹽流量增加，導(dǎo)致熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度升高。

由圖3 還可以看出，過(guò)熱器和再熱器的換熱功率隨著主蒸汽溫度的提高而呈線性增加，但增加幅度并不相同。主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高5 ℃，過(guò)熱器的換熱功率分別升高了1.7%、3.3%、5.0%、6.7%；再熱器的換熱功率分別升高了2.9%、5.7%、8.6%、11.5%。這說(shuō)明主蒸汽溫度的提高使再熱器的換熱功率增加更多。

此外，主蒸汽溫度的提升對(duì)塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的系統(tǒng)性能的提升較為明顯。雖然主蒸汽溫度的提升會(huì)對(duì)熔鹽的需求略有增加，但從表4 可以看出，隨著主蒸汽溫度的提升，熔鹽SGS出口的熔鹽溫度或熔鹽流量并未隨之大幅增加，這說(shuō)明提高主蒸汽溫度有利于提高塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的系統(tǒng)性能。但與此同時(shí)，主蒸汽溫度會(huì)受熔鹽初始溫度影響，熔鹽的安全使用溫度約為580～585 ℃[19]，在實(shí)際工程中還需要考慮一定的安全裕量和換熱端溫差。因此，主蒸汽溫度的提升空間有限，但應(yīng)根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在一定范圍內(nèi)盡量提高主蒸汽溫度，以提升塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的整體性能。

2.3 主蒸汽壓力的影響

熔鹽SGS 中主蒸汽壓力的變化對(duì)其熔鹽側(cè)參數(shù)的影響如表5 所示。

表5 主蒸汽壓力的變化對(duì)熔鹽SGS 的熔鹽側(cè)參數(shù)的影響Table 5 Influence of main steam pressure on molten salt side parameters of molten salt SGS

從表5 可以看出，主蒸汽壓力對(duì)熔鹽SGS的熔鹽側(cè)參數(shù)的影響和主蒸汽溫度造成的影響趨勢(shì)類似，即隨著主蒸汽壓力的升高，熔鹽SGS出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均升高。但不同的是，主蒸汽壓力對(duì)熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量的影響并不是呈線性相關(guān)，主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每升高1 MPa，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量的增加幅度都逐漸減小，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的增加幅度分別為2.6、2.4、2.1、1.9 ℃，熔鹽流量的增加幅度分別為4.0、3.4、3.0、2.4 kg/s。

圖4 為主蒸汽壓力變化對(duì)不同換熱設(shè)備換熱功率的影響。

圖4 不同主蒸汽壓力時(shí)不同換熱設(shè)備的換熱功率情況Fig.4 Heat exchange power of different heat exchangers at different main steam pressure

由于主蒸汽壓力對(duì)熔鹽SGS 熔鹽側(cè)參數(shù)的影響較為復(fù)雜，受主蒸汽壓力升高的影響，飽和蒸汽的溫度升高，蒸發(fā)段的溫升增加，其所需要的熱量也相應(yīng)增加。因此，由圖4 可以看出，隨著主蒸汽壓力的提高，預(yù)熱器的換熱功率呈線性增加。主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每提高1 MPa，預(yù)熱器的換熱功率分別升高了9.9%、19.6%、29.2%、38.7%。另一方面，由于飽和壓力隨主蒸汽壓力的提高而提高，飽和蒸汽焓降低，導(dǎo)致水蒸汽相變過(guò)程所需熱量減少。因此，蒸發(fā)器的換熱功率隨主蒸汽壓力的升高而單調(diào)降低，主蒸汽壓力每升高1 MPa，蒸發(fā)器的換熱功率至少降低約5.3%。

從圖4 還可以看出，對(duì)于過(guò)熱器和再熱器而言，主蒸汽壓力的變化對(duì)其換熱功率的影響較小，主要是因?yàn)橹髡羝麎毫Φ纳邔?duì)換熱設(shè)備進(jìn)、出口換熱工質(zhì)參數(shù)的影響較小。雖然主蒸汽壓力的提高有利于汽輪機(jī)組的效率，但由表5 可以看出，熔鹽SGS 中的熔鹽工質(zhì)的參數(shù)對(duì)主蒸汽壓力的變化較為敏感，導(dǎo)致提高主蒸汽壓力會(huì)明顯增加熔鹽成本。因此，在熔鹽SGS 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇主蒸汽壓力時(shí)應(yīng)特別關(guān)注其對(duì)熔鹽SGS 的影響。

3 結(jié)論

本文采用仿真模擬的方法對(duì)塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽SGS 的性能進(jìn)行了研究。首先利用Thermoflex 軟件對(duì)熔鹽SGS 進(jìn)行了建模，并采用實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果顯示，各換熱工質(zhì)參數(shù)的模擬計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差較小，吻合度較好。

然后在此基礎(chǔ)上對(duì)影響熔鹽SGS 性能較大的3 個(gè)參數(shù)(給水溫度、主蒸汽溫度、主蒸汽壓力)進(jìn)行了單因素模擬計(jì)算，結(jié)果顯示：

1)給水溫度變化對(duì)熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的影響較大，給水溫度在230～270 ℃之間每提高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度將隨之提高約0.5 ℃，但預(yù)熱器的換熱功率將至少降低約0.9%。

2)主蒸汽溫度變化對(duì)熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的影響較小，但對(duì)熔鹽流量的影響較大。主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽流量約增加1 kg/s，過(guò)熱器和再熱器的換熱功率分別至少降低約0.3%和0.6%。

3)主蒸汽壓力變化對(duì)熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均有較大影響，但隨著主蒸汽壓力的升高，其影響程度逐漸減小。主蒸汽壓力對(duì)預(yù)熱器和蒸發(fā)器的影響較大，主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每提高1 MPa，預(yù)熱器的換熱功率至少增加約9.9%，蒸發(fā)器的換熱功率至少降低約5.3%。

熔鹽流量的增加和熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的升高均會(huì)增加熔鹽材料的成本，換熱設(shè)備換熱功率的增加會(huì)增加設(shè)備成本，因此在熔鹽SGS 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮設(shè)備造價(jià)、熔鹽材料價(jià)格和熔鹽SGS 的系統(tǒng)效率之間的平衡，根據(jù)確定的價(jià)格水平及各換熱介質(zhì)參數(shù)的影響規(guī)律對(duì)熔鹽SGS的各換熱介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。