关键词：塔式光热发电；熔盐换热器；热应力；疲劳强度
1 引言
光热发电是电力输出稳定可靠、调节性能优越的可再生能源发电方式。可以作为电力系统中的主力机组承担基本负荷，也可以承担高峰负荷，参与电力系统的一次调频和二次调频，并能够减少电力系统对储能电站容量的需求。太阳能光热发电有4种主要技术路线，即塔式、槽式、线性菲涅尔式和碟式。塔式光热技术是主要的大容量光热发电设计模式，发展潜力最大，是未来太阳能热发电技术的主流趋势。槽式技术也比较成熟，商业化运行较为广泛。无论采用何种技术，系统换热设备是介质能量传递必不可少的一部分，区别于常规项目，在太阳能热发电项目中，换热器运行环境更加苛刻复杂，其设计要求十分严格，技术风险高。
2 光热项目熔盐换热器主要结构形式及设计特点
2.1 熔盐换热器主要结构形式及应用
熔盐-汽水换热器为熔盐系统主要换热设备，用作于过热器、再热器、蒸发器和预热器进行介质热量传递，利用高温熔盐加热汽水介质产生高温高压的蒸汽或过热蒸汽，再将其送入汽轮机发电。熔盐换热器种类繁多，其中管壳式换热器是使用最广泛的一种结构形式，能适应高温高压和运行温差较大的工况，清洗维护方便、运行可靠。具体应用型式有U形管束管壳式换热器，蛇形管束管壳式换热器和发夹式管壳换热器等。参照项目实际应用，熔盐换热器主要形式和设计参数如下表1：
从上表中可看出熔盐系统对换热器换热能力和运行参数要求较高。光热项目设备需满足每日多次启停要求，因此对设备设计及材料性能提出更严格要求。换热设备需承受反复应力循环来保证其疲劳强度及服务寿命。同时换热设备本身进出口温差较大，对于大温差工况，保证换热器管束自由膨胀和尽可能降低壳体的温差热应力是光热项目换热器设计中重中之重。鉴于水蒸气压力较高，因此熔盐换热器中高温熔盐均走壳侧，汽水走管侧，所选材料材质应具有良好的耐腐蚀性，在高温运行工况下，材料的设计强度需满足所有运行工况要求并留有一定的设计强度余量。壳体和换热管束材料一般均选用347H。熔盐介质不同于常规介质，凝固点高不易于控制，一旦泄露会在系统内部凝结或汽水参混，给电厂造成严重后果。光热项目一旦熔盐系统换热器发生泄露，只能对泄露的管束进行封堵，无法进行更换，这样设备性能会降低，对系统性能影响极大。因此在设计过程中，需按最严格的设备运行工况条件进行设计和材料选用，并利用有限元技术模拟分析其疲劳强度、计算热力循化次数并校核设计强度等内容，保证设计合理性和可靠性，避免事故风险。
2.2 熔盐换热器结构形式分析及设计要点
对于介质进、出口温差小，系统运行工况简单的换热器设计，可基于具体设计参数计算和应力分析情况采用普通管壳式换热器，一般塔式光热项目蒸汽发生系统中的省煤器、预热器、蒸发器可采用普通管壳式换热器。但对于换热能力参数高，运行工况相对复杂的系统工况，需采用蛇形管束换热器或发卡式换热器或各自的组合形式，来进一步适应其运行温差工况，避免应力集中和热膨胀问题，保证设备可靠运行。现以已投运太阳能光热发电系统中的换热器为例,分析各形式换热器的设计思路，具体如下。
2.2.1 普通U形管束壳式换热器
普通U型管束管壳式换热器是光热工程壳式换热器中应用最早的一种换热器，用于将壳程和管程中流体换热，将热流体热能转化为蒸汽，其形式较简单。由一个壳体和U形管束组成或多个换热器串连组成，换热介质分别通过壳程和管程进行热量传递。普通U形管壳式换热器采用壳板对进、出口汽、水介质进行分离，一侧为高压另一侧为低压，管束与导流管板焊接并可整体可随一侧膨胀。主要采用TEMA标准设计。其具有恒速运行的特点，但由于厚壳板和薄管的膨胀率不同，在瞬态运行中不够灵活。由于光热项目依赖于太阳辐射来运行系统，系统每天将面临至少一次系统停运和启动操作，这将增加管板和管壳板连接的应力循环次数，这也是不同于常规项目运行模式和技术的关键，控制和故障风险较高，运行问题较多。此种形式换热器主要应用与常规项目热力系统介质换热，如炼油厂和大型化工系统中热交换器设计。对于高温工况及反复热力冲击系统应用具有一定限制，其标准设计形式不能很好满足光热项目系统设计需求。
2.2.2 蛇形管束管壳式换热器
蛇形管束管壳式换热器相对普通壳式换热器，在结构和设计上充分考虑光热项目运行特点和运行需求进行设计优化，能很好避免局部热应力集中和膨胀问题。内部管束采用蛇形布置，管程进、出口管座布置在壳体两端并采用集管结构，将所有管束与两端集管进行焊接，不需要管板布置，其结构紧凑，整体尺寸小，膨胀性好，热应力小，符合各种复杂工况换热性能要求。多项目无故障运行的情况证明该换热器的可靠性及技术的合理性。
光热项目运行模式为每天启停，所以降低材料的应力循环次数和疲劳强度峰值至关重要，进而可以避免设备在使用中材料疲劳失效，进而保证设备服务寿命。其主要技术特点是：壳体与管束之间具有很高的固有挠性，可将热应力降至最低，为此种散热器最大的特点和优势。进、出口分别位于换热器壳体两端，避免复杂应力工况。此种设计有助于减少材料厚度，降低热应力和成本。管束连接到集汇管，而不是连接到管板，不使用圆形厚管板，所有的封头和外壳都采用椭球形盘状封头，可以避免应力集中。与管板的平面形状相比，球形壳体形更适合高热负荷的变化性能要求。壳体、封头、管材和封头的材料厚度可进一步减小，可降低了材料内部温差带来的热应力。材料厚度进一步减小，可快速适应温度变化降低疲劳险低。主要根据ASME标准进行设计和制造。
2.2.3 发夹式换热器
发夹式结构适合高温差、高压力和工艺介质温度交变工况，换热性能高、结构紧凑，管程壳程均适用于高压力工况。从经济性方面考虑，蒸汽承压能力更强的管程能有效降低设备金属重量。
在太阳能光热发电站中,蒸汽发生系统内的再热器及过热器,因其管程流体在进、出口处的温差较大,若采用普通管壳式换热器，管程中的进、出口流体将流经同一块管板，导致管板的温差应力高。为此通常优先选择发夹式换热器,以满足其热交换能力和性能要求。发夹式换热器在管程进口与出口分别设置1块管板,将管程进、出口分开设置在两个管箱上,从而避免同一管板产生过大的热应力,确保设备可以安全可靠的长期运行。同时让管程和壳程流体实现对流换热,极大的提高了换热效率。此结构形式能够避免管板热应力过大，实现换热管管束的自由伸缩，同一性能参数下发夹式过热器的重量比常规壳式换热器体积小重量轻，一定程度上降低了换热器壳体的制造难度及成本。工艺计算相对简单，结构计算和热应力分析比较容易进行，但缺乏成熟设计制造经验，尤其是管束的装配和U形弯管的制作。此种结构形式是目前光热发电项目中过热器和再热器主要设计结构形式。
换热器的设计过程中不仅要充分分析系统运行条件和设计参数，同时还需要借助大型计算软件对其结构形式的速度场、温度场和应力分布进行全面分析，充分掌握不同结构形式过热器的应力分布和设计情况，确保设计的合理性和可靠性。
2.3 壳体换热器的主要设计要点分析
对于光热项目换热器设计，需全面考虑换热器运行工况，基于运行工况综合考虑吸热器设计形式及设计参数并分析其主要性能影响因素，进行规避控制。主要设计分析要点如下。（1）保证换热器管束自由伸缩膨胀，尽可能消除温差应力，减少焊接点，避免应力集中的设计方式。（2）管程和壳程分别采用独立的封闭体系，防止在高温差和高压差条件下引起热力震动，造成管束泄露。（3）充分考虑内部部件温度交变影响和介质进、出口高温差导致的热应力和材料性能失效问题。（4）对于小流量的传热工况，考虑提高管程和壳程内流体的流速，从而减少结垢。（5）选择最佳的入口管座位置及管束布置方式来减小壳程入口管座处介质流速。管束设计需便于检修和维护。（6）腐蚀损害最低，内部隔板或导流挡板的设计应避免引起内部部件的振动或腐蚀。
在行业设计中,对壳式换热器壳体尾部的连接结构,普遍采用U型筒体、圆柱型筒体、尾部法兰盖、尾部法兰与封头连接等五种结构形式。尾部圆柱形筒体结构对于换热器的设计及制造较为简便,但在两个横向筒体与尾部圆柱形筒体的相连部位,存在较大的热应力,设计强度计算时,应重点关注。对于换热管束设计，单根换热管长度不应大于推荐值。若单根换热管的总长过大,换热管加工后的成品合格率会降低，管束阻力增加，易产生振动，系统控制难度增加，可靠性降低。可通过增加换热管数量来调整换热管内介质流速等参数,将无缝换热管的总长度控制在合理的范围内。
3 结语
本文主要分析光热项目熔盐换热器设计特点及技术应用，对设备整体的重要组成部分及设计要点进行对比分析。蛇形管束管壳式换热器和发夹式结构是目前光热项目应用的主要形式，性能较好，具有换热效率高，传热面积小及设备质量轻等优点，适合于高温差、高压差及复杂工况运行。
参考文献：
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[2]赵沛．微小推力太阳能热推进系统高效聚光技术研究[D]．兰州：兰州理工大学，2010．
论文作者:于宝安
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
标签：换热器论文; 光热论文; 管壳论文; 工况论文; 温差论文; 换热论文; 形式论文; 《当代电力文化》2019年11期论文;