光热项目蒸汽发生器循环方式的设计

黄艳昆

山东电力建设第三工程有限公司 山东青岛  266100

【摘要】：随着近些年新能源的快速发展，光热项目逐渐成为了主流，但是在SGS系统中对蒸汽发生器的循环方式的设计有着不同的设计理念，主要分为自然循环和强制循环两种。本文依托鲁能海西州塔式光热项目，对蒸汽发生器循环方式的设计进行了研究和分析，主要从两种循环方式的运行故障率、循环倍率、经济性比较、运行控制要求、运行安全性以及运行电耗等方面进行对比分析。最后，通过对比分析给出相应的结论。

【关键词】:光热项目 蒸汽发生器 自然循环 强制循环

引言

鲁能海西州项目集热系统采用塔式熔盐聚光集热技术，总装机容量50MW。采用Abengoa 的ASUP140 定日镜，单台定日镜面积138.672㎡，确定总采光面积610156.8㎡，定日镜数量为4400 台。吸热器额定功率280MW，供货方为CMI，储热系统采用二元熔盐（40%硝酸钾，60%硝酸钠）作为储热介质，储热12 小时。熔盐罐采用双罐配置，即一台冷盐罐和一台热盐罐，冷盐罐中配置3×50%冷盐泵，2×100%调温泵；热盐罐中配置2×100%热盐泵。

1、事件说明

鲁能海西州塔式光热项目蒸汽发生器的循环方式选择的是强制循环，配置2×100%强制循环泵。系统在运行过程中，这两台强制循环泵的机械密封多次损坏，出现泄漏问题。而且通过运行人员反馈强制循环泵的机械密封不适应光热电站频繁启停的特点。

2、蒸汽发生器水循环特性对比

2.1 循环倍率定义

循环倍率是指进入上升管的循环水量与上升管中产生的蒸汽量之比。

2.2 自然循环和强制循环时的循环倍率对比

对于蒸汽发生器，当循环倍率较低时，上升管出口含汽率高，会出现沸腾换热恶化，蒸发受热面冷却条件差；采用较高的循环倍率时，上升管出口含汽率低，不会出现沸腾恶化，蒸发受热面冷却条件较好，设备较安全。

强制循环时，上升管出口为了获取大的含汽量需要较低的循环倍率，以保证蒸发强度，因此循环倍率较低，通常在1.5至4之间。根据《电站锅炉水动力计算方法（JB/Z201-83）》标准表4-2要求，自然循环锅炉的循环倍率根据锅筒压力增加而减小。当锅筒压力在40-60bar时，循环倍率取为12~20之间；当锅筒压力为100-120bar 时，循环倍率取为7~12之间;当锅筒压力为140-160bar 时，循环倍率取为4~6之间。

2.3 自然循环和强制循环循环动力源对比

蒸汽发生器循环时主要和三个力有关，分别是：上升管阻力、下降管阻力、因冷/热介质密度差产生的运动压头。其中运动压头减去上升管阻力，用于克服下降管阻力，称为有效压头。自然循环时，当稳定流动时，有效压头等于下降管阻力。强制循环时，由强制循环泵提供动力，来克服循环回路的各种阻力。

3、自然循环和强制循环蒸汽发生器本体对比

3.1 对比说明

自然循环和强制循环只有蒸发器、锅筒及其之间的循环回路布置有区别，其它如预热器、过热器、再热器没有区别，因此本次对比只针对蒸发器、锅筒及其之间的循环回路。

3.2 蒸发器蒸发受热面面积对比

由于强制循环与自然循环在蒸发侧的换热系数差别细微，同时制约蒸发系统换热能力的因素主要是熔盐侧的换热，因此循环方式对换热面的影响可以忽略，即二者蒸发器内布置的蒸发受热面面积差别不大。

3.3 循环回路布置对比

3.3.1 锅筒与蒸发器间的高度

自然循环需要循环回路具有一定的高度差，才能提供足够的循环动力。对于锅筒压力40-60bar 时，锅筒和蒸发器间的高度差约为5~7m；锅筒压力100-120bar 时，锅筒和蒸发器间的高度差约为9~11m；锅筒压力140-160bar 时，锅筒和蒸发器间的高度差约为15~17m。

强制循环的动力由强制循环泵提供，对于锅筒和蒸发器间的高度差基本没有要求。

3.3.2 上升管和下降管数量对比

自然循环的倍率高于强制循环，因此自然循环的锅筒与蒸发器间的循环介质流量要大于强制循环。为了减少上升管和下降管的沿程阻力，自然循环的上升管和下降管的数量会略多于强制循环。

4、运行控制要求及安全性对比

4.1 运行时控制要求难易对比

强制循环对控制系统的要求高，通常配置2台或3台强制循环泵。泵组之间通过复杂的控制逻辑保护汽水循环，控制要求较难。

自然循环循环特性与热负荷自适应，不需要额外控制，控制要求简单。

4.2运行时安全性对比

由于强制循环泵工作在高温、高压的环境，并频繁启停，因此有因泵的机械故障导致机组停机风险。自然循环回路简单，配有合理的循环回路设计，运行较安全。并且自然循环的蒸汽发生器已经在中控德令哈50MW得以验证，能满足系统正常运行及变负荷特性的要求，安全可靠性高。

5、自然循环与强制循环优缺点对比

自然循环和强制循的优缺点对比结论详细见表5-1。表5-1中出现的数据均是以50MW塔式光热项目配套蒸汽发生器为例计算产生。

表5-1：蒸汽发生器水循环特性优缺点对比汇总表

项目	对比内容	结论
循环倍率	自然循环为4至10，多于强制循环的1.5至3	自然循环的循环倍率高于强制循环。
循环动力	自然循环由介质密度差和循环回路高度差产生的推动力，强制循环为强制循环泵。	强制循环因需要强制循环泵使费用比自然循环多出约400万元。
本体耗钢量	自然循环的耗碳钢量略多于强制循环	自然循环略多于强制循环，两项共多出约10万元。
钢结构耗钢量	自然循环的耗碳钢量略多于强制循环
控制要求难易	强制循环对控制系统的要求高，泵组之间通过复杂的控制逻辑保护汽水循环的进行，控制要求较难。自然循环循环特性与热负荷自适应，不需要额外控制，控制要求简单。	自然循环控制要求筒单，明显优于强制循环。
运行安全性	强制循环泵工作在高温、高压的环境，并频繁启停，因此会因泵的机械故障导致机组有停机风险。自然循环回路简单，运行较安全。	自然循环运行安全性优于强制循环。
运行电耗	以鲁能海西项目50MW塔式光热项目配套蒸汽发生器为例，强制循环系统的年耗电量较自然循环多出约30万kWh。	上网电价保守以1元/kWh计算，则强制循环因少上网每年损失约30万元。

6、后续项目建议（投标、设计阶段）

以50MW配套的蒸汽发生器为例，强制循环投资费用高于自然循环约390（400-5-5=390）万元；因少上网电量每年损失约30万元。因此，自然循环在投资费用和运行经济性均优于强制循环。

运行的故障点自然循环少于强制循环，安全性也高于强制循环。而且运行控制也是自然循环易于强制循环。

综上所述，自然循环蒸汽发生器在费用和运行方面优于强制循环。因此在后续项目投标和设计阶段尽可能选用自然循环蒸汽发生器。

参考文献：

［1］《电站锅炉水动力计算方法（JB/Z201-83）》标准；

［2］鲁能海西州塔式光热项目EPC合同； 

［3］鲁能海西州塔式光热项目SGS技术协议。

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