太阳能槽式热发电蓄热系统中油盐换热器的设计

2022-10-19

太阳能是地球上分布最广泛、使用最清洁, 同时也是取之不竭的可再生能源, 因此, 太阳能利用是建设“资源节约型和环境友好型”社会, 发展低碳经济, 保证国民经济持续、快速、健康发展的重要举措。

目前, 国际上应用太阳能发电主要有两种形式:一是利用光伏电池直接将太阳光能转化成电能的光电形式 (亦即光伏发电) ;二是将太阳光能量转换成热能然后发电的光热电形式 (亦即热发电) 。太阳能热发电是通过太阳能使介质产生高温, 然后利用常规的汽轮机带动发电机发电, 可分为槽式线聚焦系统、碟式点聚焦系统、菲涅尔线聚焦系统和塔式固定目标聚焦系统等, 各有优缺点。目前槽式太阳能热发电系统的技术相对最成熟, 整体投资最少, 经济效益最好, 因而在三种聚光式发电中首先实现了商业化并在世界各地得到广泛应用。。

为克服太阳能热发电中由于天气变化造成的间歇性。实现全天候连续供电, 最大程度发挥太阳能热发电系统的发电能力、降低发电成本, 聚光类太阳能热发电装置中一般都会配备储热系统或辅助热源系统。其中储热系统把白天太阳辐射强时多余的热量储存起来, 等晚上需要时再释放出来发电, 从而提高太阳能及其设备的总体利用率。

槽式太阳能热发电系统一般采用导热油作为吸热介质, 熔融硝酸盐作为蓄热介质, 这就要求系统中有一个导热油与熔融硝酸盐之间的换热装置, 这就是油盐换热器。

一、油盐换热器的特点

1. 介质

管程介质:导热油是一种 (低共熔) 共晶混合物, 包括约73.5%的联苯醚和26.5%的联苯, 沸点254.25OC。在393OC时, 密度约为700kg/m3, 比热约2.6 k J/kg·K, 在12OC凝结, 易燃且有毒, 在工作温度接触到空气时可燃烧, 温度超过100℃时, 可以观察到氧化分解, 属第一组介质。

壳程介质:储热介质为熔盐 (60%Na NO3, 40%KNO3) 混合物, 具有吸湿特性。无机硝酸盐混合物作为热储能系统的存储介质, 有良好的传热和流体流动性能, 同时有低成本、安全性、对环境无害等优点。

从介质来看, 管程介质—导热油为易燃有毒介质, 管程设计压力为2.8MPa, 如果PV≥50MPa·m3, 则该换热器属于III类压力容器, 设计、制造、验收的要求都相对要高。壳程介质—熔融硝酸盐在常温下为固体, 熔盐的凝冻点是223℃-238℃。在任何情况下, 都要避免熔盐凝结, 凝结可能会严重损坏设备。为了避免熔盐凝结, 熔融盐的温度不低于260℃。

2. 具有蓄热和放热的双重作用特性

槽式太阳能热发电系统中的油盐换热器就是用来进行蓄热, 即是在太阳能足够时通过蓄热系统将热量贮存起来, 当太阳能不够时再将存贮的热量释放出来, 以保证太阳能热发电系统的连续输出。蓄热时393℃的热导热油进入蓄热换热系统将280℃的冷盐加热至380℃后送入熔盐罐存贮起来;放热时将热熔盐罐中380℃的热熔盐送入该换热系统中将270℃的冷导热油加热至370℃后再进入油水换热器产生水蒸汽送入汽轮机进行发电。这就是油盐换热器系统所具有的蓄热和放热的双重作用的特性。

在这个系统中, 虽然同样是导热油在管程内流过, 熔盐在壳程内流过。但在蓄热和放热的两个不同的过程中, 冷介质和热介质均是来自不同的设备, 换热后也去到不同的设备:蓄热时热介质 (导热油) 来自集热器, 换热后被送到低位冷油槽, 冷介质 (冷盐) 来自冷盐罐, 被加热后被送到热盐罐;放热时冷介质 (导热油) 来自低位冷油槽, 换热后被送到油水换热器与水进行换热产生水蒸汽, 冷介质 (热熔盐) 来自热盐罐, 与导热油换热后被送到冷盐罐。因此, 为了达到上述的蓄热和放热的双重系统, 需要很复杂的管路系统才能达到这样的运行效果和目的。

二、油盐换热器的设计

1. 结构型式的确定

蓄热时导热油进口温度:393℃, 出口温度:290℃。熔融盐进口温度:280℃, 出口温度:380℃。为了保证自始至终均有传热温压, 换热器采用了BFU的型式, 采用6台换热器串联的形式, 传热温压如图1所示:

2. 材料的选用

导热油易燃且有毒, 无腐蚀性, 但硝酸盐具有一定的腐蚀性。基于此, 凡与熔融盐接触的部分 (含换热管及壳程筒体) 采用S30403的材料, 其余不与熔盐接触的 (含管程及管箱) 均采用Q245R的压力容器专用材料。

3. 结构设计

(1) 结构型式:由于采用6台换热器串联, 为了保证传热温压, 换热器采用了如图2所示的BFU的型式:

(2) 纵隔板的密封形式:

对于双壳程换热器, 纵向隔板与壳体内壁之间必须进行密封, 否则会发生程间短路现象。油盐换热器应考虑抽出管束进行清洗, 故其纵隔板采用了弹簧密封板的形式, 如图3所示:

(3) 折流板的结构形式:

为了提高壳程流体的流速, 增加湍动程度, 并使壳程流体尽量垂直冲刷管束, 从而改善传热, 增大管程流体的传热系数, 油盐换热器的壳程设计了圆盘—圆环形的折流板。由于采用的是双壳程换热器, 实际上折流板为半圆盘—半圆环形, 如图4所示:

(4) 壳程进出口的设计:

根据GB151-1999第5.11.2.1条, 当壳程进口管流体的ρν2值为下列数值时, 应在壳程进口管处设置防冲板或导流筒:

a) 非腐蚀性、非磨蚀性的单相流体, ρν2>2230kg/ (m·s2) 者;

b) 其他液体, 包括沸点下的液体, ρν2>740kg/ (m·s2) 者。

要满足上述条件, 介质确定以后ρν2仅决定于流体的流速。因此只要降低流体的流速即可达到上述不设置防冲板或导流筒的条件, 即可简化换热器的结构, 降低产品制造成本。降低进口管流体的流速, 只有增大进口管的管径, 在与管道连接时采用变径接管即可, 既可满足进口管流速低的要求, 也可达到流体输送管道不至于太大而造成管道材料的浪费, 如图5所示:

三、油盐换热器的相关计算

1. 油盐换热器的换热计算

油盐换热器的换热计算采用的是HTRI计算软件, 由于该软件中没有熔融硝酸盐这种介质, 故采用了自定义介质进行计算。计算过程的换热器串联结构图如图6所示:

2. 油盐换热器的强度计算

油盐换热器的强度计算按GB151-1999《管壳式换热器》及GB150.1~150.4-2011《压力容器》进行计算。

在本系统中油盐换热器的特殊性是要根据太阳光日夜交替的周期性运行的。即是白天太阳光照射时油盐换热器在蓄热工况工作, 到晚上无太阳光照射时, 油盐换热器切换工作状态, 进入放热工况, 直至蓄热器内的介质存贮热能全部释放后油盐换热器内介质排空而停止工作。油盐换热器处于一个压力、温度日夜交替的工作过程, 对油盐换热器进行疲劳强度校核是必要的。