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塔式太阳能光热电站蒸汽发生器冷启动系统研究
发布者:lzx | 来源: 电力微设计 | 0评论 | 1599查看 | 2020-03-30 18:23:16    

太阳能光热发电是将太阳能转化为可以储存的热能,再将热能转化为电能的过程。由于光热发电具有转换效率高、电能输出稳定、调峰能力强等优点,具有广阔的发展前景。蒸汽发生器系统是光热电站发电模块的重要组成部分,由于光热电站系统复杂,检修周期短,启停频繁,因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。


本文研究了蒸汽发生器的冷启动系统工艺流程、设备组成、选型计算等,具有良好的应用价值。


太阳能光热发电是将太阳能转化为可以储存的热能,再将热能转化为电能的过程。相对于传统的化石能源燃烧发电机组,光热电站具有经济性好、环保性好、资源可再生等优点。相比于光伏与风电等技术,光热发电的最大优势在于相对稳定连续的电力输出,其特有的光-热-电转换模式中,热能具有良好的储存性能,使电力输出平稳,有利于并网。


目前光热发电基本类型为抛物线槽式技术、塔式技术、菲涅尔式和蝶式四种,其中槽式与塔式是光热发电的主流,并得到了广泛的发展应用。


塔式光热电站通常由聚光集热系统、储热系统、蒸汽发生器系统、汽轮机系统等主要系统组成。


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图1:塔式光热电站系统示意图


太阳能通过定日镜聚焦到吸热器上,冷熔盐从冷熔盐罐中通过冷盐泵送至吸热器,并在吸热器中吸收镜场入射的能量,被加热为热熔盐储存到热熔盐罐中。热熔盐罐中的热熔盐通过热盐泵送入蒸汽发生器,同时给水被给水泵送到蒸汽发生器,熔盐与给水在蒸汽发生器中充分换热,产生过热蒸汽,送至汽轮机做功发电。


蒸汽发生器系统


广西快3开奖蒸汽发生器系统是光热电站发电模块的重要组成部分,蒸汽发生系统的功能是实现熔盐与水工质之间的热交换。为了提高汽水循环的发电效率,一般采用带再热系统的汽轮机。来自热盐罐的高温熔盐分两路分别进入过热器与再热器,经换热后在出口混合,再依次进入蒸汽发生器和给水预热器,最后变为低温熔盐后返回低温储罐。


而来自高压加热器的给水则依次流经给水预热器、蒸发器和过热器,从而实现熔盐与水工质的热交换,产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽。过热蒸汽在汽轮机高压缸做功后,排汽进入再热器,经再热器熔盐加热后进入汽轮机中低压缸继续做功,最后排入凝汽器。蒸汽发生器系统示意图见图2。


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图2:蒸汽发生器系统示意图


由于光热电站系统复杂,检修周期短,启停频繁,因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。为了防止冷启动时蒸汽发生器熔盐侧发生凝固,传统的启动方式通常设置单独的启动锅炉,冷启动之前通过启动锅炉系统向蒸汽发生器供应蒸汽加热给水至260℃以上,然后通入熔盐进行正常启动过程。此种方式存在以下缺点:系统复杂,造价较高,需要设置单独的高压启动锅炉;由于太阳能电站不消耗传统化石燃料,如果设置启动锅炉,需要给锅炉配套额外的化石燃料系统,且仅在冷启动时使用,利用率不高,投入与产出不匹配。


冷启动系统


为了解决以上问题,可采用以下蒸汽发生器冷启动系统,见图3。


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图3:蒸汽发生器冷启动系统流程图


在原有蒸汽发生器系统中增加启动电加热器、外置循环泵设备。蒸汽发生器冷启动时,先把系统上满水。此时,低负荷预热器、启动电加热、省煤器、蒸发器充满水,汽包达到设定水位。开启外置循环泵,同时开启启动电加热器,关闭低负荷预热器出口隔离阀,关闭汽包出口调节阀,使系统中的水形成封闭循环回路。启动电加热器保持运行状态,外置循环泵持续运行使系统中给水温度保持均匀,并且缓慢升高。当温度超过100℃时,给水在汽包中发生汽化,使汽包压力逐渐升高,此时升温、升压过程同时进行。经过一段时间运行,最终整个系统给水达到设定温度260℃,此时对应的压力为4。7MPa,此时升温升压过程结束,关闭电加热器及外置循环泵。由于熔盐凝固点为230℃左右,熔盐进入蒸汽发生器不会发生凝固,此时通入熔盐进行正常启动过程。


电加热器选型及设计


1.电加热器选型计算


电加热器是冷启动系统中最重要的设备,电加热器选型是否正确直接关系到系统的安全可靠运行。电加热器的选型可使用以下公式进行计算。


V总=V1+V2+V3


其中


V总—蒸汽发生器系统中充水总体积m3


V1—汽包达到正常液位时水容积m3


V2—省煤器水容积m3


V3—蒸汽发生器水容积m3


Q=Cp*V总/Vl*(T2-T1)


其中


Q—加热过程所需总热量KJ


Cp—水比热容KJ/kg/k


Vl—水比容m3/kg


T2—加热终止水温℃


T1—加热起始水温℃


P=Q/t/3600


P—电加热器功率kW


t—加热持续时间h


2.电加热器设计


启动电加热器除了在机组冷启动期间运行之外,还需要考虑机组甩负荷工况,机组甩负荷时,汽轮机抽汽管道停止运行,给水温度降低,需要运行启动加热器加热给水,开始甩负荷瞬间给水流量仍为额定值,因此启动加热器设计流量需要考虑机组额定给水流量。给水温度应从常温加热到260℃以上,启动加热器工作温度一般取15℃-300℃。电加热器应能承受给水泵出口压头,设计压力一般取用给水泵出口管道设计压力。根据电加热器设计温度选择合适的材质,壳体及法兰接口采用碳钢材质,加热元件采用不锈钢材质。


电加热器由多个加热元件构成,功率密度一般为4W/cm2,加热器为恒功率设计,不设置功率调节装置。为了保证加热效果,加热器内部设有折流板和防冲板,给水在加热器中以错流形式流动。典型的加热器外形图见图4.


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图4:启动电加热器外形图


由于电加热器给水设计压力较高,给水流量变化较大,且在加热器内部流体发生相变,工作条件复杂,因此在设计是还应进行有限元分析,模拟给水在加热器内部的加热过程,及流场变化规律。某项目电加热器温度、流场分布有限元分析图见图5。


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图5:启动电加热器温度、流场分布图


通过有限元分析,得到不同压力下加热元件温度分布规律,见图6。


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图6:加热元件温度随压力变化图


由以上有限元分析可知,加热元件表面最高温度随压力升高呈下降趋势,在0.1MPa至2MPa压力范围内,加热元件表面最高温度降低不明显,均在740K左右。超过2MPa压力,加热元件表面最高温度迅速降低,到达9MPa压力时,最高温度降低至620K左右。


温度的最高点集中在入口处折流板下部,因此可在靠近入口处折流板采取豁口、开孔等措施,增加该区域介质流动性,防止运行时出现超温,并且设计时应重点关注此处应力变化,防止出现因应力过大引起焊口拉裂出现泄漏问题。


考虑到在实际运行中电加热器是全功率工作,不设置温度调节装置,无法实现对出口温度的控制,还应在加热器出口设置温度测量元件,当温度超过设定值时及时停止加热器运行,保证设备及系统运行安全。


结论


(1)、由于光热电站系统复杂,检修周期短,启停频繁,因此设计合理的蒸汽发生器冷启动系统尤为重要。本文研究了一种新型的蒸汽发生器冷启动系统,只需在原有蒸汽发生器系统基础上增加启动电加热器、外置循环泵设备,无需其他配套系统,系统简单,经济性好。


(2)、本文研究了启动电加热器的选型计算方法,满足工程设计的需要。本系统相对于传统的设置启动锅炉的冷启动系统具有明显的优势。传统冷启动方法增加了化石燃料消耗量,且产生燃烧污染物。本系统使用电加热器加热给水,仅消耗少量电能,不消耗化石燃料,无污染物排放。节省传统化石燃料用量,环保性能好,具有良好的应用前景。


广西快3开奖(3)、本文还简要介绍了启动电加热器的设计方法及设计中的注意事项,可以作为类似设备设计的参考。

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