热管式熔融盐蒸汽发生器的设计方法

李石栋，莫国强，苏楚然，宋本南，莫才颂，黄伯志，许少西，陈礼鑫



热管式熔融盐蒸汽发生器的设计方法

李石栋1，莫国强1，苏楚然2，宋本南1，莫才颂1，黄伯志1，许少西2，陈礼鑫1

（1. 广东石油化工学院 机电工程学院，广东 茂名 525000； 2. 广东石油化工学院 石油工程学院，广东 茂名 525000）

对熔融盐蒸汽发生器的类型进了介绍,由于熔融盐引起的热应力、冻堵等，会造成熔融盐蒸汽发生器的泄漏等安全事故，提出了一种热管式熔融盐蒸汽发生器并对其进行设计方法探索, 该蒸汽发生器由上下锅筒及高温热管构成，其管程走水/水蒸汽，壳程走熔融盐, 能改善其结构热应力、熔融盐流动阻力。最后展望了熔融盐蒸汽发生器的研究方向。

熔融盐；熔融盐蒸汽发生器；太阳能；太阳能热发电

太阳能热发电技术是太阳能的高品位清洁利用方式，一直得到世界各国的广泛关注。中国科学院电工研究所建成了1 MW塔式太阳能发电站。据不完全统计，我国已经搭建了22个太阳能高温集热系统，筹划推进的商业化太阳能热发电项目总装机容量达886MW[1]。我国在“太阳能发电科技发展“十二五”专项规划”中提出以具备建立100 MW级太阳能热发电站的设计能力和成套装备供应能力为目标[2]。2015年9月国家能源局下发 “关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知”，启动了国家1 GW太阳能热发电示范电站建设项目，同时“十三五”规划的10 GW太阳能热发电站建设项目将正式公布，各类项目如雨后春笋，首航节能、中广核、兰州大成等太阳能热发电项目等纷纷建设。

太阳能热发电采用的传热或储热介质有金属合金、导热油、熔融盐等。熔融盐蒸汽发生器是太阳能热发电系统的重要设备，它的安全运行至关重要。熔融盐频繁充放热和凝固对引起的热应力、热震，会造成熔融盐蒸汽发生器的泄漏等安全事故[3-7]。Reilly等[4,5]报道了美国熔融盐塔式太阳能电站Solar Two的运行事故，其中就有釜式熔融盐蒸汽发生器的换热管因热应力及热疲劳而破裂，导致水/水蒸汽进入熔融盐储热罐，发生危及电站安全运行的事故。

本文对熔融盐蒸汽发生器的类型进了介绍,提出了一种热管式熔融盐蒸汽发生器,并对其进行设计方法探索，希望能提高熔融盐蒸汽发生器的运行可靠性,也能为熔融盐蒸汽发生器等方面的设计标准提供参考。

北海某航标处在灯桩个性化设计建造方面，结合不同的海域、政府经济发展规划，设计建造不同风格的灯桩，成为一道道靓丽风景线。下面以涠洲斜阳岛水域陆岛运输航标完善工程灯桩建设为例。

1 常用熔融盐蒸汽发生器类型

熔融盐蒸汽发生系统主要有过热器、熔融盐蒸汽发生器、预热器等。预热器和过热器一般采用U型管壳式换热器。蒸汽发生器一般采用釜式蒸汽发生器，有U型管/直外壳、U型管/U型外壳等[5]，为改善结构热应力、熔融盐流动阻力等而新研发的结构形式有热管式、斜横管/斜外壳[8]、蛇管式、螺旋绕管式[7]等。其中蛇管式蒸汽发生器是由2个蒸发换热器及1个单独的蒸汽锅筒组成，蒸汽锅筒在蒸发换热器之上，两者之间通过上升管和下降管连接，水/蒸汽在壳体则，传热介质（熔融盐、导热油等）在蛇管换热管内，蛇管换热管束两端焊接到进出口圆形集箱。集箱穿过在壳体处的热套筒，没有管板，这样能降低热应力。蛇管式蒸汽发生器和U型管蒸汽发生器的主要区别就是U型管蒸汽发生器采用U型换热管。国际著名CIEMAT-Plataforma Solar de Almería[8]测试了一种新型的斜横管/斜外壳熔融盐换热器系统的性能，如图1所示，但该文献[8]中没有进行熔融盐在管外的传热机理研究。

图1 一种新型熔融盐换热器[8]

由于太阳能热发电的蒸汽发生器，面对高频率启停和负荷变化大的工况，一般建议根据要求严格的ASME中蒸汽锅炉标准来设计。而蛇管式蒸汽发生器的抗热力性能较好，建议优先考虑。目前杜兆荣等[6]分析了熔融盐冷却器发生泄漏及产生爆管的主要原因是温差热应力和腐蚀介质减薄管壁的共同作用的结果。左远志等[9]对高温熔融盐壳管式相变换热器内相变材料熔化过程进行研究。Weikl等[7]设计分析了一具有大大改善热应力和阻力的螺旋绕管式熔融盐蒸汽发生器，具有增加了换热面积，减少成本等优点。对熔融盐设备的热应力研究，一般都集中在熔融盐吸热器，如王建楠等[10]对熔融盐吸热器过热故障的影响因素进行了分析。James等[11]在MSEE试验装置的基础上进行了吸热器的吸热管在热冲击条件下热应力的实验，但没进行熔融盐蒸汽发生器的热应力分析。

2 热管式熔融盐蒸汽发生器

为改善结构热应力、熔融盐流动阻力等，提出了热管式熔融盐蒸汽发生器，其管程走水/水蒸汽，壳程走熔融盐（不容易发生熔融盐冻堵，同时减少阻力），如图2所示。热管式熔融盐蒸汽发生器由上下锅筒及高温热管构成，通过太阳能热发电中央塔聚光加热熔融盐，高温熔融盐从下锅筒一侧进从另一侧出，流回熔融盐储热罐或太阳能热发电中央塔吸收器，通过熔融盐与高温热管的换热，热量通过高温热管传到上锅筒的水中，把水加热产生蒸汽，经汽水分离挡板后，高温高压的蒸汽从蒸汽出口出去，再经过过热器换热产生过热蒸汽。该热管式熔融盐蒸汽发生器的熔融盐流道比普通管壳式的熔融盐蒸汽发生器的大，这样不容易发生熔融盐冻堵，同时减少阻力。该热管式熔融盐蒸汽发生器相对于普通管壳式的熔融盐蒸汽发生器没有固定管板，可以减少热应力的破坏，提高寿命。

图2 热管式熔融盐蒸汽发生器

2.1 换热设计

热管式熔融盐蒸汽发生器的传热计算，包括两方面。一方面是熔融盐的传热计算公式；另一方面是热管的传热计算，确定热管与熔融盐的传热面积，也就是蒸发段的面积。

熔融盐的传热计算需要知道熔融盐热物理参数和换热关系式。Solar Salt、 Hitec和Hitec XL熔融盐是常用于太阳能热发电系统，它们的热物理性能可以在北京工业大学、中山大学、中国科学院电工研究所等单位发表的熔融盐制备及热物理性能研究得文献[12,13]等查找。但还有很多熔融盐的热物理参数比较难查找到，或不够齐全，需要自己进行测试获得。目前较多各种传热管管内传热研究，而管外侧的传热关系式较少，给设计熔融盐蒸汽发生器造成困难，尤其是设计管程走水/水蒸汽，壳程走熔融盐的熔融盐蒸汽发生器。

熔融盐的换热关系式还没有十分通用的，具有一定的限制或误差比较大，需要专门做实验得出相对比较准的换热关系。马重芳[14,15]和丁静等[16,17]得出了熔融盐在光滑管或其他强化传热管(横纹管及螺旋槽等)的管内传热关系式。何石泉等[18,19]得出垂直蒸汽发生器单管外熔融盐的传热关系式。换热器常用的热力计算方法见表1，主要有平均温差法LMTD法和法等。

表1 换热器热力计算常用方法[20,21]

在热管热力设计时，要注意选取合适的热管经济长度比。对于无吸液芯的重力光管，需要考虑以下几个热阻：加热段热流体与管外径的对流换热热阻，加热段管壁的导热热阻，蒸发沸腾换热热阻，冷凝换热热阻，冷却段管壁的导热热阻，冷凝段流体与管外径的对流换热热阻。同时要考虑声速极限，携带极限等热管传热极限。

热管材料可以选择316L、310S等不锈钢，实验表明，316L、310S与熔融盐和热管传热介质都具有较好的相容性。

2.2 强度设计

强度计算有两种方法，一种是按ASME中蒸汽锅炉标准、GB/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》、GB/T9222-1998《水管锅炉受压元件强度计算》、《蒸汽锅炉安全技术监察规程》等进行。按结构可拆分成部件分别计算，如壳体、端头等的强度计算，不同部件的计算步骤和公式不尽相同，但一般的过程大致相同，以筒体的强度计算为例，具体过程如下：1.确定设计筒体内径，2.确定计算压力，3. 计算壁温，4. 确定基本许用应力，5．基本许用应力修正系数，6．确定许用应力，7. 确定不考虑相邻两孔影响的最小节距，8. 纵向焊缝减弱系数，9．确定最小减弱系数，10. 附加壁厚，11. 有效厚度，12．锅简简体允许最小减弱系数,13. 实际减弱系数，14.筒体理论计算厚度，15. 最小需要壁厚，16. 取用壁厚，17. 校核壁厚，18.加强孔的加强计算。

另一种方法是利用Ansys等软件进行设计和效合。采用间接单向耦合法计算熔融盐传热与热应力耦合，计算分析流程如图3、图4所示。首先进行熔融盐液-固流动分析，然后把流域计算结果加载到熔融盐传热管束计算域，进行瞬态热分析，最后将求得的节点温度作为体载荷施加在熔融盐传热管束，进行静态、瞬态热应力分析。

图4 瞬态热分析及静态、瞬态热应力分析计算过程

3 结束语

目前我国还没有大规模太阳能熔融盐蒸汽发生器系统的商业应用，本文对熔融盐蒸汽发生器类型进行了介绍，提出了热管式熔融盐蒸汽发生器并介绍了其设计方法，现对太阳能熔融盐蒸汽发生器展望如下：

目前，竞争性民主选举在我国基层民主中表现为大势所趋。基层社会民主的核心，村（居）委会直选主任和委员的工作已经进行了20多年，现在主要应在提高选举的质量上求突破；党内基层民主的重要标志——“两票制”选举村党支部的工作亦在部分地区试点，取得了较好的社会效果，现在应该进一步总结提升，使之制度化并逐步推广。当前需要努力推动的是，竞争性民主选举制度随着基层民主空间的拓展需要逐步占领新的阵地，不断拓宽实践空间。

（1）我国太阳能熔融盐蒸汽发生器系统需要注意系关系式较少。整理完备的熔融盐的热物理参数是方便熔融盐相关热设计的一项十分重要的工作。

（2）熔融盐的热应力以及熔融盐管束外的传热与热应力之间相互作用影响的耦合研究不深入。研究熔融盐管束外的流动传热对熔融盐管束的热应力作用，对解决熔融盐蒸汽发生器的热应力造成的安全性问题具有非常重要意义。

（3）太阳能熔融盐蒸汽发生器选型、系统设计、运行、维护的标准与规范还不健全，国家及行业应尽快出太阳能熔融盐蒸汽发生器的设计、运行等相关标准，为大系统的设计、建设和运行积累经验。

［1］ 王志峰. 中国太阳能热发电产业政策研究报告[R]. 国家太阳能光热产业技术创新战略联盟，2013.

［2］ 中华人民共和国科学技术部. 关于印发太阳能发电科技发展“十二五”专项规划的通知[EB/OL]. (2012-04-24) [2002-04-15].

［3］ http://www.gov.cn/zwgk/2012-04/24/content_2121638.htm.

［4］ 郭晓娟，丁旃，秦贯丰，等. 高温熔融盐蓄热系统的若干工程问题[J]. 储能科学与技术，2015，4(1)：32-43.

［5］ Hugh E.Reilly,Gregory J.Kolb. An evaluation of molten-salt power towers including results of the solar two project[R]. SAND2001-3674.

［6］ 田军，余志勇，周楷，等. 塔式太阳能电站熔盐换热器设计发展概述[J]. 能源研究与管理，2014，3：13-16.

［7］ 杜兆荣. 熔盐冷却器泄漏、爆管的原因分析及对策[J]. 齐鲁石油化工，2008，36(2)：133-134.

［8］ M.C. Weikl, K. Braunb, J. Weiss. Coil-wound heat exchangers for molten salt applications[J]. Energy Procedia,2014,49:1054-1060.

［9］ Margarita-Manuela,Rodríguez-García,Miguel,et al. Lessons learnt during the design, construction and start-up phase of molten salt testing facility[J]. Applied Thermal Engineering，2014，62：520-528.

［10］ 左远志，杨晓西，丁静. 高温熔融盐壳管式相变换热器的传热特性[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2011，39(1)：42-47.

［11］ 王建楠，李鑫，常春. 太阳能塔式热发电站熔融盐吸热器过热故障的影响因素分析[J]. 中国电机工程学报，2010，29(30)：107-114.

［12］ James E. Pacheco, Mark E Ralph,et al. Results of Molten Salt Panel and Component Experiments for Solar Central Receivers: Cold Fill, Freeze/Thaw, Thermal cycling and shock, and Instrumentation Tests[R]. Sand94-2525.

［13］ 刘鉴民. 太阳能热动力发电技术[M]. 北京：化学工业出版社，2012.

［14］ 李石栋，叶家万，凌伯杰. 熔融盐在抛物面槽式聚热器及其系统的研究现状[J]. 材料导报，29(12)：63-67.

［15］ Chen C, Wu Y T, Wang S T, et al. Experimental investigation on enhanced heat transfer in transversally corrugated tube with molten salt, Experimental Thermal and Fluid Science[J]. 2013,47 :108-116.

［16］ Wu Y T, Chen C, Liu B, et al. Investigation on forced convective heat transfer of molten salts in circular tubes. International Communications in Heat and Mass Transfer[J]. 2012,39(10)：1550-1555.

［17］ Lu Jianfeng,He Shiquan,Liang Junming,et al.Convective heat transfer in the laminar–turbulent transition region of molten salt in annular passage[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2013,51：71-76.

［18］ Lu J F, Ding J, Yang J P. Filling dynamics and phase change of molten salt in cold receiver pipe during initial pumping process[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013,64：98-107.

［19］ Shiquan He,Jianfeng Lu,Jing Ding,et al.Convective heat transfer of molten salt out side the tube bundle of heat exchanger[J]. Experimental Thermal and Fluid Science,2014,59：9-14.

［20］ Jianfeng Lu,Shiquan He,Jing Ding et al.Convective heat transfer of high temperature molten salt in a vertical annular duct with cooled wall[J]. Applied Thermal Engineering,2014,73：1519-1524.

［21］ 钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

The Design Method of Heat Pipe Type Molten Salt Steam Generator

LI Shi-dong1, MO Guo-qiang1, SU Chu-ran2, SONG Ben-Nan1, MO Cai-song1, HUANG Bo-zhi1, XU Shao-xi1, CHEN Li-xi1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000，China； 2. School of Petroleum Engineering，Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong Maoming 525000,China）

The types of molten salt steam generator were described. The leakage of molten salt steam generator and other security incidents can be caused by the molten salt thermal stress and freeze, so a molten salt heat pipe steam generator was put forward, and its design method was discussed. The generator is composed of the top/down drums and heat tubes; water and steam flow in the tube side, molten salt flows in the shell side, which can improve the structure heat stress and molten salt flow resistance. At last, research direction of the molten salt steam generator was prospected.

molten salt; molten salt steam generator; solar energy; solar thermal power generation

TQ 052

A

1671-0460（2016）06-1181-04

2015年广东石油化工学院大学生创新创业校级培育计划项目,项目号:2015pyC033；广东省自然科学基金博士启动项目,项目号:2014A030310376；广东省普通高校青年创新人才项目,项目号:631051；广东石油化工学院人才引进项目,项目号:513090 ; 广东省公益研究与能力建设专项,项目号:2015A030401102。

2016-04-21

李石栋（1983-），男，广东廉江人，讲师，博士，2011年毕业于广东工业大学，研究方向：太阳能热利用及储热。E-mail：lishidong0759@126.com。