劉文佳

摘要：針對(duì)太陽(yáng)能光熱發(fā)電中新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)分析了換熱器的設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)?；赥EMA標(biāo)準(zhǔn)釜式蒸發(fā)器的特點(diǎn)，對(duì)新型換熱器零件的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)今后太陽(yáng)能光熱發(fā)電中此類新型換熱器的設(shè)計(jì)和制造具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;新型換熱器;設(shè)計(jì)

0 引言

對(duì)于太陽(yáng)能光熱電站，通常都是采用傳統(tǒng)U型管換熱器，但目前有一種新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器已被成功開(kāi)發(fā)應(yīng)用，它相對(duì)于傳統(tǒng)U型管換熱器具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：（1）管束可充分自由收縮;（2）圓形集箱設(shè)計(jì)降低了熱應(yīng)力;（3）快速啟動(dòng)：10 ℃/min;（4）鍋爐管外徑不小于30 mm，厚度不小于4 mm;（5）無(wú)須抽卸管束的空間，覆蓋區(qū)更小;（6）根據(jù)ABMA標(biāo)準(zhǔn)采用分離的蒸汽鍋筒，因鍋筒內(nèi)的雙級(jí)蒸汽分離裝置，蒸汽品質(zhì)高（對(duì)蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行非常重要）;（7）上下聯(lián)管產(chǎn)生至少15：1的自然循環(huán)。新型蛇形管換熱器主要包括兩個(gè)蒸發(fā)器換熱器和一個(gè)單獨(dú)的蒸汽鍋筒[1]，蒸汽鍋筒由外部的上下聯(lián)管連接到蒸發(fā)器，同時(shí)管束通常有3處通道口，因此較殼體具有更大的靈活性。此種蛇形管換熱器設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)驗(yàn)收都可滿足《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG G0001—2012）（以下簡(jiǎn)稱《鍋規(guī)》）、ASME、PED及相關(guān)法規(guī)要求。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1? ? 蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)

蒸發(fā)器作為蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要部件，其性能非常重要。結(jié)構(gòu)主要還是基于TEMA類型的管殼式換熱器，將管束和蒸汽空間放置在同一殼體中，殼體直徑大于管束直徑，蒸汽空間在殼體上方，即管束的上側(cè)。管束有兩個(gè)通道口，一個(gè)入口和一個(gè)出口[2]。

1.2? ? 蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程

給水在蒸發(fā)器中加熱產(chǎn)生高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)高壓汽輪機(jī)發(fā)電。為了提高汽輪機(jī)效率，通常對(duì)汽輪機(jī)出口蒸汽進(jìn)行再熱，驅(qū)動(dòng)低壓汽輪機(jī)發(fā)電。高壓蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)每列包括一臺(tái)過(guò)熱器、一臺(tái)蒸發(fā)器和一臺(tái)預(yù)熱器、兩臺(tái)再熱器，分別與預(yù)熱器和過(guò)熱器并聯(lián)[3]。在這個(gè)回路中，所有的傳熱流體都流過(guò)蒸發(fā)器。這種配置的優(yōu)點(diǎn)是可以在相同蒸汽輸出的情況下減少設(shè)備的換熱面積。蒸發(fā)器系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

2 換熱器設(shè)計(jì)方案

（1）新型蛇形管換熱器材質(zhì)選用具有成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的鋼材，設(shè)計(jì)采用無(wú)管板蛇形管方案，封頭采用1：2橢圓封頭，采用大直徑換熱管，可減少堵塞，大大降低系統(tǒng)阻力。

（2）換熱器在室外安裝使用，外保溫采用200 mm厚硅酸鋁棉防止熱損失，保證蒸汽系統(tǒng)熱效率不低于96.7%。如果省煤器進(jìn)口溫度過(guò)低，在寒冷天氣條件下，系統(tǒng)中小型管道中的水或?qū)嵊突蛉埯}可能凍結(jié)。因此，應(yīng)在汽包內(nèi)增設(shè)一組換熱管束，在省煤器進(jìn)水處增設(shè)旁路，使部分給水進(jìn)入汽包加熱，以提高溫度，防止管內(nèi)凝固。

（3）基于頻繁啟停會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致設(shè)備疲勞開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[4]，在換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用集管形式代替厚管板，將高溫導(dǎo)熱油或熔鹽分配到管束中。集管為圓柱形，可由相對(duì)較薄的材料制成，與傳統(tǒng)管板相比，降低了熱應(yīng)力。在制造過(guò)程中，采用全焊后熱處理的方法來(lái)降低殘余應(yīng)力。在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，換熱器能適應(yīng)頻繁啟動(dòng)（每天啟停一次）。同時(shí)，集箱與管束之間的焊接接頭設(shè)計(jì)在可檢測(cè)的位置，以便在鍋爐停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，防止焊接接頭疲勞損傷。

（4）本設(shè)計(jì)考慮了規(guī)定的荷載效應(yīng)及其他相關(guān)荷載，并按ASME Ⅷ-2規(guī)范對(duì)設(shè)備進(jìn)行疲勞和有限元分析，對(duì)支架、吊耳和各管口進(jìn)行了荷載驗(yàn)算。無(wú)論設(shè)備啟動(dòng)、停止或在各種負(fù)荷條件下，設(shè)備壁溫均低于鋼材的允許值，設(shè)備內(nèi)所有應(yīng)力集中處的應(yīng)力水平也低于允許應(yīng)力，保證使用壽命不低于30年。在預(yù)期壽命內(nèi)，設(shè)備能承受下列運(yùn)行方式產(chǎn)生的應(yīng)力：冷啟動(dòng)（停機(jī)超過(guò)72 h）1 000次，溫啟動(dòng)（停機(jī)24～72 h）3 000次，熱啟動(dòng)（停機(jī)時(shí)間小于24 h）6 000次。

（5）太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器的預(yù)期連續(xù)排污量為0.5%，但是在啟動(dòng)或非正常運(yùn)行狀態(tài)下，排污量可達(dá)5%。本次設(shè)計(jì)的新型蒸發(fā)器有一個(gè)獨(dú)立的汽包，類似于傳統(tǒng)的鍋爐，帶有兩級(jí)汽水分離系統(tǒng)。第一級(jí)分離為旋風(fēng)分離器，第二級(jí)分離為波紋板分離器，保證蒸汽流中攜帶的水滴不使飽和蒸汽低于要求質(zhì)量的99.95%。過(guò)熱/再熱蒸汽的質(zhì)量符合VGB調(diào)節(jié)值標(biāo)準(zhǔn)，如表1數(shù)據(jù)所示。

（6）新型換熱器合理布置上升管和下降管，平均循環(huán)比大于等于15：1，汽包安裝在蒸發(fā)器頂部，由上升管和下降管系統(tǒng)支撐，將重量和外部負(fù)荷轉(zhuǎn)移到換熱器殼側(cè)。殼體設(shè)有定期排污口、連續(xù)排污口、放空口、兩個(gè)安全閥接口、遠(yuǎn)近液位計(jì)接口、壓力檢測(cè)接口。在蒸汽發(fā)生器上確定正常水位、允許最高和最低水位，并在設(shè)備上標(biāo)出中心線;輔助系統(tǒng)配有安全閥。安全閥的排放量符合電站鍋爐的相關(guān)要求，以保證設(shè)備的安全運(yùn)行。

（7）換熱器所有進(jìn)出口管口設(shè)備均應(yīng)采用馬鞍式焊接，不允許使用補(bǔ)強(qiáng)圈。蒸汽發(fā)生器給水進(jìn)口管嘴設(shè)計(jì)有隔熱套管，以降低熱應(yīng)力。蒸發(fā)器給水管道沿汽包方向均勻分布，保證給水均勻。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1? ? 換熱器結(jié)構(gòu)

目前，TEMA類型的高溫高壓管殼式換熱器，為滿足強(qiáng)度要求，所有組件都需要采用較大厚度的材料。該新型換熱器是獨(dú)特的集箱以及蛇形管設(shè)計(jì)，無(wú)管板，受熱面由蛇形管束組成，蛇形管蒸發(fā)器的管束有許多折彎，所以具有高度靈活性。管束的傳熱管內(nèi)為高壓側(cè);傳熱流體為低壓側(cè)，它在橫流外側(cè)做逆向流動(dòng)。傳熱管束置于一個(gè)圓柱形的壓力容器內(nèi)，容器內(nèi)裝有傳熱流體。管束焊接在進(jìn)出口集箱處，集箱穿過(guò)在殼體處設(shè)置的熱套筒以降低熱應(yīng)力。在換熱器內(nèi)部設(shè)置可靠的支撐及固定組件，防止流體流動(dòng)造成機(jī)械振動(dòng)。

3.2? ? 抗疲勞

就熱應(yīng)力而言，管板使用過(guò)厚材料并不理想，因?yàn)榇嬖谄陂_(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[5]。新型蛇形管換熱器不采用厚管板，而是通過(guò)圓形集箱將高溫導(dǎo)熱油或熔鹽流分配到傳熱管束中。因集箱的圓筒形設(shè)計(jì)，可采用厚度相對(duì)較小的材料，也因此降低了熱疲勞應(yīng)力。通過(guò)將蒸發(fā)器單元拆分成兩個(gè)換熱器和一個(gè)蒸汽鍋筒，單個(gè)壓力容器的直徑比釜式的小，而且用于承受壓力的所需管壁厚度也相對(duì)變小了。較小管壁厚度的材料的使用，降低了啟停和負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)對(duì)高溫度梯度的敏感性。