太阳能光热电站熔盐换热器设备型式研究

太阳能光热电站熔盐换热器设备型式研究

高峰赵坤姣

（西北电力设计院陕西西安710075）

摘要：熔盐换热器是太阳能光热电站的主要设备之一，本文对各种换热器型式结构特点进行了介绍，并对各型式做出优劣分型和价格分析，得出结论。

关键词：太阳能光热电站熔盐换热器

0前言

熔盐换热器在光热电站中是重要的设备之一，用于将从光场获得热量的熔盐介质的热能传递给水/蒸汽，生成过热蒸汽，进入汽轮机做功发电。其换热器的结构型式多种，且各有优势。

1熔盐换热器的发展历史

早在1986年，在美国能源局的牵头下，2个公用工程公司APS和PG&E合作开展了第1个商业太阳能聚热发电电站的研究SolarTwo。利用低温（290℃）熔盐介质上塔吸热，吸收太阳光能得到高温（565℃）熔盐介质并存储在大型的储罐中，然后通过熔盐换热器实现熔盐和水之间的换热，得到540℃的过热蒸汽，推动汽轮机发电。有四家换热器公司为其提供了不同的设计方案，如表1。4家换热器设计厂商提供的蒸汽发生器设计，除了蒸发器的设计差异较大外，预热器与过热器的差别并不大。

2熔盐换热器的选取及分析

2.1熔盐换热器的材料选取

在进行换热器设计时，对换热器各种零部件的材料，应根据设备的操作压力、操作温度、流体的腐蚀性能以及对材料的制造工艺性能等的要求来选取。当然，最后还要考虑材料的经济合理性。一般为了满足设备的操作压力和操作温度，即从设备的强度或刚度的角度来考虑，是比较容易达到的，但对于材料的耐腐蚀性能，有时往往成为一个复杂的问题。如在这方面考虑不周，选材不妥，不仅会影响换热器的使用寿命，而且也大大提高设备的成本。至于材料的制造工艺性能，是与换热器的具体结构有着密切的关系。

熔盐其组分为60%NaNO3+40%KNO3，具有较强的氧化性、腐蚀性和高温分解等特性。对于太阳能热发电技术，熔盐工作温度范围约为260℃—570℃。在选用了合适的材料之后（如S32168、S31668等奥氏体不锈钢），熔盐的腐蚀性变得很轻微，甚至比水小。根据SNL的数据，TP316在570℃的高温熔盐中的腐蚀速率仅有6～15μm/a，而碳钢在316℃的低温熔盐中的腐蚀速率仅有1～4μm/a，比大气对碳钢的腐蚀还要少。

目前高温熔盐设备通常选用不锈钢如：321H、316、347H等，低温熔盐设备可选用普通碳钢。

2.2熔盐换热器的结构类型

2.2.1U型管/直壳式换热器

U型管/直壳式换热器即U型管式换热器，它仅有一个管板，管子两端均固定于同一管板上，管子可以自由伸缩，无热应力，热补偿性能好；管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，管束可从壳体内抽出，便于检修和清洗，且结构简单，造价便宜。但U型管换热器设计要求管束内介质进出口温差不能过高，目前成熟的换热器制造中这个温差约为104℃，这就使得如果管侧介质温差过大，需要增加换热器的级数来实现对介质的加热，而对于壳侧介质温差没有限定。结构如图1所示。

通常选用管程走压力高的介质，壳程走压力低的介质，这样可以避免壳壁过厚，减轻设备重量，降低设备成本。但也有在管程走压力低的介质，壳程走压力高的介质，如SWS公司的设计方案。

2.2.2直管/直壳式换热器

直管/直壳式换热器即列管式换热器，这种换热器的结构比较简单、紧凑、造价便宜，但管外不能机械清洗。此种换热器管束连接在管板上，管板分别焊在外壳两端，并在其上连接有顶盖，顶盖和壳体装有流体进出口接管，如图2。通常在管外装置一系列垂直于管束的挡板。同时管子和管板与外壳的连接都是刚性的，而管内管外是两种不同温度的流体。因此，当管壁与壳壁温差较大时，由于两者的热膨胀不同，产生了很大的温差应力，以至管子扭弯或使管子从管板上松脱，甚至毁坏换热器。

为了克服温差应力必须有温差补偿装置，一般在管壁与壳壁温度相差50℃以上时，为安全起见，换热器应有温差补偿装置。但补偿装置（膨胀节）只能用在壳壁与管壁温差低于60～70℃和壳程流体压强不高的情况。一般壳程压强超过0.6Mpa时由于补偿圈过厚，难以伸缩，失去温差补偿的作用，就应考虑其他结构。

2.2.3U型管/U型壳式换热器

U型管/U型壳式换热器顾名思义壳体与管束均采用U型设计，如图3。这种设计汲取了U型管的设计优势管程采用双管程，流程较长，流速较高，传热性能较好，承压能力强，可以自由伸缩无需膨胀节，而且管束进出口分别位于两个壳体，避免了U型管位于同一壳体内进出口介质温差不能过大的限制。所以对于蒸汽发生器中的过热器，熔盐温度变化在88℃左右，蒸汽温度变化在205℃左右，可以选择该型式换热器，只需要一级。如B&W公司设计方案。

2.2.4釜式换热器

釜式换热器的管束可以为浮头式、U形管式和固定管板式结构，所以它具有浮头式、U形管换热器的特点。在结构上与其他换热器不同之处在于壳体上部设置一个蒸发空间，蒸发空间的大小由产气量和所要求的蒸气品质所决定，如图4。产气量大、蒸气品质要求高者蒸发空间大，否则可以小些。蒸汽发生器中的蒸发器由于换热介质在此会发生相变，体积急剧增大，故可以选择此型式，但是对于蒸发量大于200t/h的情况，建议选择带汽包的蒸发器。

从表三中可以看出预热器采用U型管/直壳式换热器具有明显的价格优势，几乎是直管/直壳式和U型管/U型壳式价格的一半。而SWC公司选用壳侧走压力高的水，设备壳侧壁厚较厚，故设备整体造价略高。

釜式蒸发器选择将壳侧用于高压力的水介质，设备壁厚加重，同比重量是汽包式的两倍，但是价格与额外带汽包的蒸发器价格相差不多，由此可见釜式蒸发器还是有一定优势的。

对于过热器，U型管/U型壳式换热器的价格优势再明显不过了，由于过热器中水蒸汽温差大，对于ABB的设计方案需要两级换热器，所以价格高出B&W公司方案许多。

3结论

通过对熔盐换热器发展历程的回顾和熔盐换热器结构类型的总结和分析，虽然最终并没有定论哪一种类型的换热器最好，但是针对熔盐换热器不同设备用途的特点，各类型换热器还是表现出了不同的优势。如预热器是将给水温度升高70℃左右，可选用U型管/直壳式，设计制造简单，换热面积大，设备造价低；蒸发器在蒸发量小的情况下，选用釜式，操作简单，造价也与汽包型相差不多；过热器由于蒸汽温差变化大，选用U型管/U型壳式构造相对简单，施工、维护更方便，价格也更具优势，几乎是U型管/直壳式换热器价格的四分之一倍。

参考文献：

【1】INVESTIGATIONOFTHERMALSTORAGEANDSTEAMGENERATORISSUES

STEAMGENERATORISSUES.SAND93-7084

【2】田军，余志勇，周楷，唐亚平.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】U型管式换热器设计论文。

【4】董宝春.管壳式换热器的工艺设计.[J]甘肃石油和化工。2009年9月