太阳能光热发电系统蒸汽发生器的结构方案

崔艳艳

摘 要：如今太阳能光热发电技术得到广泛应用，针对槽式太阳能光热发电系统进行分析，讨论了蒸汽发生器的设计形式。以某50MW光热发电项目为依托，比较了釜式蒸汽发生器与汽包式蒸汽发生器的结构方案，并从设计、结构、性能、造价等方面作比较分析，为槽式太阳能发电系统设计提供理论依据。

关键词：光热发电；釜式蒸汽发生器；汽包式蒸汽发生器

0 引言

槽式太阳能热发电系统包括槽式抛物面集热镜场模块、储热模块、导热介质（HTF）系统和汽轮机动力岛模块。其中HTF系统包括燃气锅炉、蒸汽发生系统和主油泵等。蒸汽发生系统包括太阳能预热器，太阳能蒸汽发生器，太阳能过热器以及太阳能再热器。系统的作用是将导热介质传输来的热量与给水进行换热，产生汽机所要求品质的过热蒸汽。

1 蒸汽发生器

蒸汽发生器的功能是将来自预热器的近乎达到临界温度的水转化为饱和蒸汽。设计为形式有卧式釜式蒸汽发生器和分离汽包式蒸汽发生器。

1.1 釜式蒸汽发生器

釜式蒸汽发生器的结构图如图1所示。釜式蒸汽发生器是由变径的壳体与管束组成，釜式蒸汽发生器的管束沉浸于管箱液体中，液体与管束进行热交换后气液混合物向上流动，进入蒸汽发生器的上部蒸发空间。结构的设计特点在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸發空间的大小由产气量和所需要的蒸汽品质所决定。蒸汽发生器选用90°布管，这是由于蒸发器存在汽水分离空间，为了使蒸汽从下往上流通方便，需要更顺畅的管束排列。

蒸发器由于存在汽水分离空间，所需要的壳体直径很大，若整个换热器做成统一直径的筒体，那么管板厚度与直径都增大，造成材料的浪费及工艺的复杂，所以从经济与制造的角度考虑，采用管箱与壳体中间增加偏心锥段的方式设计蒸发器的外形结构。

为了更好地达到蒸汽品质要求，需在釜式蒸汽发生器出口设置汽水分离器进行二次分离，分离出来的干蒸汽进入过热器，分离的水回到蒸发器内。

1.2 汽包式蒸汽发生器

汽包是蒸汽发生器最重要的设备，是加热、汽化、过热三过程的连接枢纽，汽包与蒸汽发生器之间由上升管和下降管连接，形成汽包自身的水循环。蒸汽发生器产生的汽水混合物由上升管进入汽包，通过汽包内的汽水分离器，蒸汽继续向上流出，汽包冷水在重力作用下经下降管补充至蒸汽发生器中。

汽包的内部装置主要包括汽水分离装置、蒸汽清洗装置、排污、加药、事故放水等装置。汽包式蒸汽发生器能保证下边的换热器中管子始终是沉浸在水中的，不会有露管的现象发生。工作过程中要严格控制汽包中的液位，通过给水量和蒸汽流量信号以及液位信号共同控制。

汽包式蒸汽发生器的循环回路是由换热器、汽包、上升管和下降管4个主要部件构成的汽水循环回路。循环回路的结构设计主要包括上升管和下降管的数量和直径，以及汽包的安装高度等一系列几何尺寸的选取和确定。

2 釜式与汽包式蒸汽发生系统的方案对比

以某50MW槽式光热发电项目为依托，双列布置设计蒸汽发生系统，其中蒸汽发生器的结构设计方案对比如下：

从表1的数据中分析：

（1）设计方面：釜式本体设计时考虑蒸发空间、斜锥壳，稍显复杂，但汽水分离器设计简单；外置汽包式本体设计常规化，但汽包内汽水分离装置设计复杂。且系统管路设计比釜式复杂。总体来说，汽包式的设计要繁于釜式。

（2）结构方面：同等功率50MW，釜式蒸汽发生器壳体大φ2200，但汽水分离装置小φ1100；而汽包式蒸汽发生器筒体小φ1600，外置汽包体积庞大φ1600。从高度上讲，实际占用空间外置汽包式要相对大一些。

（3）性能方面：釜式蒸汽发生器本体具备一次汽水分离条件，二次简单分离后即可达到蒸汽品质要求；外置汽包式所有的汽水分离都在汽包中进行，蒸汽品质亦可得到很好地控制。因此性能方面差距不大。

（4）工程造价方面：同等功率，釜式壳体材料需求多，加工复杂，然而简单的汽水分离装置会拉低整体的造价；外置汽包式虽然筒体小，节省用料，但独立的汽包装置体积相对较大，拉高了整体造价。因此此消彼长，二者的造价差距并不是太多。

3 结论

针对50MW光热项目，从设计与结构角度分析，汽包式蒸汽发生器略显复杂，从性能及造价对比分析，两种方案差别不大。

总体来说，大功率光热项目，釜式蒸汽发生器由于庞大的壳体不建议采用；小功率时，汽包外置式汽包结构设计复杂，浪费材料，不建议采用。不过最终蒸汽发生器的结构方案确定需结合系统、工艺等综合考虑。

参考文献

[1]朱娜.太阳能光热电站发电子系统热力设备设计计算[D].华中科技大学，2011.

[2]潮坤.微型太阳光热蒸汽发电系统研究[D].电子科技大学，2015.

（作者单位：哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司）