換熱工質參數對熔鹽蒸汽發生系統性能的影響研究

(西北電力設計院有限公司，西安 710075)

0 引言

塔式太陽能熱發電系統是通過鏡場將接收到的太陽能聚焦至吸熱器上，然后將太陽能轉化成熱能，再將熱能傳遞給吸熱傳熱工質后，經換熱后的蒸汽工質輸入至熱動力機，進行膨脹做功，最后以電能形式輸出的一種發電形式[1-2]。根據吸熱工質的不同，塔式太陽能熱發電系統可分為多種不同的技術路線，比如塔式熔鹽工質、塔式水工質(蒸汽)、塔式空氣工質等[3-4]。在這些技術路線中，由于熔鹽(二元熔鹽，60%硝酸鈉+40%硝酸鉀的混合物)具有比熱高、流動性好、在工作溫度區域不發生相變、熱穩定性高等優點，使塔式熔鹽工質技術路線成為目前塔式太陽能熱發電站采用的主流技術路線。在全球已建成的10 MW 等級以上的商業塔式太陽能熱發電站中，采用熔鹽作為吸熱工質的電站超過一半[4]，我國50 MW 等級以上的塔式太陽能熱發電站采用的也均是塔式熔鹽工質技術[5]。

塔式熔鹽太陽能熱發電站的換熱系統一般也稱為熔鹽蒸汽發生系統(steam generation system，SGS)，主要由預熱器、蒸發器、過熱器和再熱器組成，這些設備可統稱為換熱設備。熔鹽SGS 作為連接集熱、儲熱和發電系統的中間系統，其性能對整個塔式熔鹽太陽能熱發電站存在顯著的影響[6]。熔鹽SGS 相當于火力發電機組的鍋爐[7]，其通過利用高溫熔鹽與給水換熱產生的高溫高壓蒸汽驅動汽輪機做功。關于塔式熔鹽SGS的研究大多集中在針對換熱設備的研究上，如文獻[8-9]分別以太陽能熱發電站的再熱器和過熱器為例，根據傳熱和強度計算，分析了發夾式換熱設備的設計思路和結構。文獻[10-11]分別建立了熔鹽在換熱設備內的強制對流傳熱模型，并分析了不同影響因素對換熱設備傳熱的影響規律。

以上這些研究通過模擬計算，揭示了熔鹽在不同換熱設備中的換熱特性，為換熱設備的制造提供了借鑒和參考。但熔鹽SGS 的設計不僅要考慮換熱設備的性能，還要站在全局角度考慮參數的選擇對整個熔鹽SGS 性能的影響，因此研究熔鹽SGS 的換熱工質參數的匹配性對整個塔式熔鹽太陽能熱發電站的設計非常重要。當前的研究主要集中在熔鹽SGS 的建模和驗證階段，如文獻[12-13]分別采用不同方法建立了蒸汽發生器模型，并與實際工程數據進行了對比，驗證了所建模型的可靠性，但對于熔鹽SGS 的換熱工質參數匹配性的研究較少。

Thermoflex 是一款通用的針對熱能系統設計和仿真的軟件，適用于熱能系統的建模和熱量質量平衡計算。近年來，該軟件開始應用于太陽能熱發電站的模型搭建及熱平衡計算，在燃煤電站[14]和聯合循環電站[15]的系統性能研究中為系統優化和綜合分析提供了新契機。

本文以塔式熔鹽太陽能熱發電站中的熔鹽SGS 為研究對象，選用Thermoflex 軟件對熔鹽SGS 仿真建模。研究分為2 步，第1 步搭建熔鹽SGS 模型，以實際工程數據為依據，驗證所搭建模型及仿真計算結果的準確性；第2 步以此為基礎計算熔鹽SGS 的各換熱工質參數變化時相互間的影響，以及換熱工質參數變化對熔鹽SGS性能和整個塔式熔鹽太陽能熱發電站的影響，為熔鹽SGS 的優化設計提供理論依據。

1 熔鹽SGS 模型的搭建及驗證

典型的塔式太陽能熱發電站的熔鹽SGS 包括預熱器、蒸發器、過熱器和再熱器，利用Thermoflex 軟件搭建熔鹽SGS 的模型，其工藝流程圖如圖1 所示。

從圖1 的工藝流程可以看到：

1)高壓給水(圖1 中藍色路徑)進入熔鹽SGS 后，依次通過預熱器、蒸發器和過熱器，與熔鹽逆流換熱最終形成高溫的主蒸汽后從熔鹽SGS 輸出，進入汽輪機高壓缸。

2)高壓缸排汽(圖1 中藍色路徑)進入再熱器與熔鹽換熱后形成再熱蒸汽，然后從熔鹽SGS輸出，進入汽輪機的中/低壓缸。

圖1 熔鹽SGS 模型的工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of molten salt SGS model

3)高溫熔鹽(圖1 中粉色路徑)進入熔鹽SGS后分別進入過熱器和再熱器，然后在過熱器和再熱器出口混合后，依次再進入蒸發器和預熱器，最終由熔鹽SGS 的熔鹽側出口(即預熱器的熔鹽側出口)流出熔鹽SGS。

4)預熱器、過熱器和再熱器的管側工質為水/蒸汽，殼側工質為熔鹽；蒸發器的殼側工質為水/蒸汽，管側工質為熔鹽。

熔鹽SGS 內管道的散熱損失可以忽略，設備的散熱損失按設備換熱功率的1%計算。不同工況下的計算均為穩態計算。

為驗證所建熔鹽SGS 模型的準確性，選取某100 MW 塔式熔鹽太陽能熱發電站的熔鹽SGS的設計參數進行計算，計算時各工質的邊界條件(即輸入參數)如表1 所示。輸入參數與文獻報道的同級別塔式熔鹽太陽能熱發電站的參數接近，說明參數的選擇具有一定的代表性[16]。

表1 計算時各工質的邊界條件Table 1 Boundary conditions of each working fluid in calculation

仿真模擬計算得到的計算結果如表2 所示。表中的“誤差”為模擬計算結果和實際工程數據的誤差。

表2 模擬計算結果與實際工程數據的比較Table 2 Comparison of simulation results with actual engineering data

從表2 可以看出，模擬計算得到的熔鹽SGS出口的主蒸汽溫度和壓力、再熱蒸汽溫度和壓力、熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度與實際工程數據的差異均較小，說明二者的吻合度較高。由于相對于實際工程數據，模擬計算得到的各項參數值的誤差均在1%之內，說明采用Thermoflex 軟件建立的熔鹽SGS 模型是可信的。

2 換熱工質參數的影響

塔式熔鹽太陽能熱發電站中熔鹽SGS 的工質包括水(蒸汽)和熔鹽；熔鹽SGS 的水側主要是吸收熱量進行升溫，與汽輪發電系統相連；熔鹽SGS 的熔鹽側主要是放出熱量與給水換熱，與集熱和儲熱系統相連。在整個過程中對上、下游子系統影響較大的參數包括給水的溫度、主蒸汽的壓力和溫度。為橫向對比主要參數的影響特性，在Thermoflex 軟件搭建的熔鹽SGS 模型的基礎上對上述參數對熔鹽SGS 性能的影響進行了單因素影響計算和分析。

2.1 給水溫度的影響

熔鹽SGS 中的入口給水溫度主要由汽輪機回熱系統決定，在熔鹽SGS 中給水溫度的變化對其熔鹽側參數的影響如表3 所示。

表3 給水溫度的變化對熔鹽SGS 的熔鹽側參數的影響Table 3 Influence of feed water temperature on molten salt side parameters of molten salt SGS

從表3 可以看出，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度隨著給水溫度的升高而呈線性升高，給水溫度在230～270 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度隨之升高約0.5 ℃。

與此同時，從表3 中還可以看出，給水溫度的變化對熔鹽流量幾乎沒有影響。當給水溫度提高后，進入熔鹽SGS 的水的溫度會升高，而熔鹽SGS 出口的蒸汽溫度不變，導致熔鹽SGS 的總換熱功率降低，需要的熔鹽側的熱量減少，這些減少的熱量主要體現在熔鹽SGS 入口和出口的熔鹽溫度的溫差減小了，但熔鹽流量保持不變。這主要是因為水工質在熔鹽SGS 中的加熱過程分為2 個階段，即由水變為飽和蒸汽的蒸發段和由飽和蒸汽變為過熱蒸汽的過熱段。由于過熱段蒸汽進、出口參數未變，導致與過熱段蒸汽換熱的熔鹽熱量沒變，因此熔鹽的流量不會發生變化。

因為熔鹽進入系統后是依次與過熱段的蒸汽和蒸發段的給水進行換熱，所以當僅有給水溫度變化時，熔鹽在給水蒸發段的換熱功率會減少。熔鹽SGS 中各個換熱設備(預熱器、蒸發器、過熱器和再熱器)的換熱功率隨給水溫度變化而變化的情況如圖2 所示。

從圖2 可以看出，只有預熱器的換熱功率隨著給水溫度的升高而變小，其他3 個換熱設備的換熱功率始終保持一致。這主要是因為隨著給水溫度的升高，給水預熱段需要的熱量減小，導致預熱器的換熱功率下降。給水溫度在230～270℃之間每升高10 ℃，預熱器的換熱功率分別下降了8.9%、18.1%、27.3%、36.9%。

圖2 不同給水溫度時不同換熱設備的換熱功率情況Fig.2 Heat exchange power of different heat exchangers at different feed water temperature

由于換熱設備的換熱功率與其換熱面積呈正相關[17]，因此可以認為隨著給水溫度的升高，需要的預熱器的換熱功率減小，導致預熱器的換熱面積減小，則預熱器的體積也相應減小。但需要說明的是，由于換熱設備的換熱形式不同，不同類型換熱設備的總換熱面積相差較大，因此無法對換熱設備的換熱面積進行定量計算。但對于不同類型的換熱設備而言，各換熱設備的換熱面積隨給水溫度變化的變化規律應當是一致的。換熱面積減少可以降低預熱器造價，從而降低成本；此外在一定溫度范圍內，給水溫度升高還會減低汽輪機熱耗，提高汽輪機效率[18]。

但由表3 可以看出，隨著給水溫度的提高，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度也不斷提高，當給水溫度升高至270 ℃時，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度已達到307.5 ℃，這意味著熔鹽溫度的利用區間減少，因此塔式熔鹽太陽能發電站在相同的配置條件下，熔鹽使用量會大幅增加。因此在熔鹽SGS 的設計過程中，需要綜合考慮換熱設備造價、熔鹽材料價格和熔鹽SGS 的系統效率間的平衡，根據確定的價格水平對給水溫度進行優化。

2.2 主蒸汽溫度的影響

熔鹽SGS 中主蒸汽溫度的變化對其熔鹽側參數的影響如表4 所示。

從表4 可以看出，隨著主蒸汽溫度的升高，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均升高；主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度升高約0.1 ℃，熔鹽流量提高約1 kg/s。與給水溫度變化對溶鹽流量未造成影響不同，主蒸汽溫度的變化對熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均有影響。

主蒸汽溫度的變化對不同換熱設備換熱功率的影響如圖3 所示。

從圖3 可以看出，因為主蒸汽溫度提高會使過熱段需要的熱量增加，導致過熱器和再熱器的換熱功率隨主蒸汽溫度的增加而增加。由于熔鹽SGS 入口的熔鹽溫度不變，過熱段需要的熔鹽流量就會相應增加。在熔鹽繼續進入蒸發段換熱時，蒸發段需要的熱量未變，從而蒸發器和預熱器的換熱功率未變。由于熔鹽流量增加，導致熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度升高。

由圖3 還可以看出，過熱器和再熱器的換熱功率隨著主蒸汽溫度的提高而呈線性增加，但增加幅度并不相同。主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高5 ℃，過熱器的換熱功率分別升高了1.7%、3.3%、5.0%、6.7%；再熱器的換熱功率分別升高了2.9%、5.7%、8.6%、11.5%。這說明主蒸汽溫度的提高使再熱器的換熱功率增加更多。

此外，主蒸汽溫度的提升對塔式熔鹽太陽能熱發電站的系統性能的提升較為明顯。雖然主蒸汽溫度的提升會對熔鹽的需求略有增加，但從表4 可以看出，隨著主蒸汽溫度的提升，熔鹽SGS出口的熔鹽溫度或熔鹽流量并未隨之大幅增加，這說明提高主蒸汽溫度有利于提高塔式熔鹽太陽能熱發電站的系統性能。但與此同時，主蒸汽溫度會受熔鹽初始溫度影響，熔鹽的安全使用溫度約為580～585 ℃[19]，在實際工程中還需要考慮一定的安全裕量和換熱端溫差。因此，主蒸汽溫度的提升空間有限，但應根據上述計算結果，在一定范圍內盡量提高主蒸汽溫度，以提升塔式熔鹽太陽能熱發電站的整體性能。

2.3 主蒸汽壓力的影響

熔鹽SGS 中主蒸汽壓力的變化對其熔鹽側參數的影響如表5 所示。

表5 主蒸汽壓力的變化對熔鹽SGS 的熔鹽側參數的影響Table 5 Influence of main steam pressure on molten salt side parameters of molten salt SGS

從表5 可以看出，主蒸汽壓力對熔鹽SGS的熔鹽側參數的影響和主蒸汽溫度造成的影響趨勢類似，即隨著主蒸汽壓力的升高，熔鹽SGS出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均升高。但不同的是，主蒸汽壓力對熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量的影響并不是呈線性相關，主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每升高1 MPa，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量的增加幅度都逐漸減小，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的增加幅度分別為2.6、2.4、2.1、1.9 ℃，熔鹽流量的增加幅度分別為4.0、3.4、3.0、2.4 kg/s。

圖4 為主蒸汽壓力變化對不同換熱設備換熱功率的影響。

圖4 不同主蒸汽壓力時不同換熱設備的換熱功率情況Fig.4 Heat exchange power of different heat exchangers at different main steam pressure

由于主蒸汽壓力對熔鹽SGS 熔鹽側參數的影響較為復雜，受主蒸汽壓力升高的影響，飽和蒸汽的溫度升高，蒸發段的溫升增加，其所需要的熱量也相應增加。因此，由圖4 可以看出，隨著主蒸汽壓力的提高，預熱器的換熱功率呈線性增加。主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每提高1 MPa，預熱器的換熱功率分別升高了9.9%、19.6%、29.2%、38.7%。另一方面，由于飽和壓力隨主蒸汽壓力的提高而提高，飽和蒸汽焓降低，導致水蒸汽相變過程所需熱量減少。因此，蒸發器的換熱功率隨主蒸汽壓力的升高而單調降低，主蒸汽壓力每升高1 MPa，蒸發器的換熱功率至少降低約5.3%。

從圖4 還可以看出，對于過熱器和再熱器而言，主蒸汽壓力的變化對其換熱功率的影響較小，主要是因為主蒸汽壓力的升高對換熱設備進、出口換熱工質參數的影響較小。雖然主蒸汽壓力的提高有利于汽輪機組的效率，但由表5 可以看出，熔鹽SGS 中的熔鹽工質的參數對主蒸汽壓力的變化較為敏感，導致提高主蒸汽壓力會明顯增加熔鹽成本。因此，在熔鹽SGS 的設計過程中，選擇主蒸汽壓力時應特別關注其對熔鹽SGS 的影響。

3 結論

本文采用仿真模擬的方法對塔式熔鹽太陽能熱發電站的熔鹽SGS 的性能進行了研究。首先利用Thermoflex 軟件對熔鹽SGS 進行了建模，并采用實際工程數據進行了驗證計算，結果顯示，各換熱工質參數的模擬計算結果與工程實際數據的誤差較小，吻合度較好。

然后在此基礎上對影響熔鹽SGS 性能較大的3 個參數(給水溫度、主蒸汽溫度、主蒸汽壓力)進行了單因素模擬計算，結果顯示：

1)給水溫度變化對熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的影響較大，給水溫度在230～270 ℃之間每提高1 ℃，熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度將隨之提高約0.5 ℃，但預熱器的換熱功率將至少降低約0.9%。

2)主蒸汽溫度變化對熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的影響較小，但對熔鹽流量的影響較大。主蒸汽溫度在540～560 ℃之間每升高1 ℃，熔鹽流量約增加1 kg/s，過熱器和再熱器的換熱功率分別至少降低約0.3%和0.6%。

3)主蒸汽壓力變化對熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度和熔鹽流量均有較大影響，但隨著主蒸汽壓力的升高，其影響程度逐漸減小。主蒸汽壓力對預熱器和蒸發器的影響較大，主蒸汽壓力在12～16 MPa 之間每提高1 MPa，預熱器的換熱功率至少增加約9.9%，蒸發器的換熱功率至少降低約5.3%。

熔鹽流量的增加和熔鹽SGS 出口的熔鹽溫度的升高均會增加熔鹽材料的成本，換熱設備換熱功率的增加會增加設備成本，因此在熔鹽SGS 的設計過程中，需要綜合考慮設備造價、熔鹽材料價格和熔鹽SGS 的系統效率之間的平衡，根據確定的價格水平及各換熱介質參數的影響規律對熔鹽SGS的各換熱介質參數進行優化。