對(duì)于太陽能光熱電站，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)熱器和過熱器并聯(lián)[3]。在這個(gè)回路中，所有的傳熱流體都流過蒸發(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)口溫度過低，在寒冷天氣條件下，系統(tǒng)中小型管道中的水或?qū)�熱油或熔鹽可能凍結(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。在制造過程中，采用全焊后熱處理的方法來降低殘余應(yīng)力。在設(shè)計(jì)和制造過程中，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)行表面無損檢測(cè)，防止焊接接頭疲勞損傷。

　　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，管板使用過厚材料并不理想，因?yàn)榇嬖谄�勞開裂的風(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。

　　3.3、 大直徑傳熱管

　　釜式蒸發(fā)器通常采用薄壁小直徑換熱管，熱負(fù)荷可能會(huì)變得非常接近甚至超過管束的臨界熱負(fù)荷。在這種情況下，傳熱管內(nèi)充滿了蒸汽，傳熱系數(shù)將大幅度降低且變得不穩(wěn)定，造成設(shè)備損傷。同時(shí)，小直徑換熱管增加了結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。新型蛇形管換熱器可采用口徑較大的傳熱管，并且其管間距較大。因此，在運(yùn)行過程中熱負(fù)荷遠(yuǎn)低于臨界熱負(fù)荷，運(yùn)行非常穩(wěn)定和安全。

　　4、 結(jié)語

　　新型蛇形管、圓形集箱結(jié)構(gòu)式換熱器具有傳熱效率高、快速啟動(dòng)、蒸汽品質(zhì)高、設(shè)計(jì)和制造滿足《鍋規(guī)》、ASME、PED要求等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過設(shè)計(jì)研究改造后已經(jīng)被成功應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電中，同時(shí)經(jīng)過不同段負(fù)荷驗(yàn)證，其設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)均處于穩(wěn)定安全工況。在太陽能光熱發(fā)電中，采用該種形式的換熱器可達(dá)到安全、節(jié)能、降耗的效果。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]許寶軍,劉克為.太陽能發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)夾式換熱器的設(shè)計(jì)[J]電站輔機(jī), 2019,40(2):18-22.

　　[2]孫健，黃章鋒,謝敏倩基于分形換熱器的聚光太陽能PV/T-體化系統(tǒng)數(shù)值研究[J]太陽能學(xué)報(bào), 2017,38(11):3036-3042.

　　[3]莊春龍,楊小鳳,張洪宇，等 太陽能光電熱系統(tǒng)換熱器性能實(shí)驗(yàn)研究[J]后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2013,29(3):58-62.

　　《太陽能光熱發(fā)電中新型換熱器的設(shè)計(jì)研究》來源：《機(jī)電信息》，作者：劉文佳

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