太陽能光熱發電是將太陽能轉化為可以儲存的熱能，再將熱能轉化為電能的過程。由于光熱發電具有轉換效率高、電能輸出穩定、調峰能力強等優點，具有廣闊的發展前景。蒸汽發生器系統是光熱電站發電模塊的重要組成部分，由于光熱電站系統復雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設計合理的蒸汽發生器冷啟動系統尤為重要。

本文研究了蒸汽發生器的冷啟動系統工藝流程、設備組成、選型計算等，具有良好的應用價值。

太陽能光熱發電是將太陽能轉化為可以儲存的熱能，再將熱能轉化為電能的過程。相對于傳統的化石能源燃燒發電機組，光熱電站具有經濟性好、環保性好、資源可再生等優點。相比于光伏與風電等技術，光熱發電的最大優勢在于相對穩定連續的電力輸出，其特有的光-熱-電轉換模式中，熱能具有良好的儲存性能，使電力輸出平穩，有利于并網。

目前光熱發電基本類型為拋物線槽式技術、塔式技術、菲涅爾式和蝶式四種，其中槽式與塔式是光熱發電的主流，并得到了廣泛的發展應用。

塔式光熱電站通常由聚光集熱系統、儲熱系統、蒸汽發生器系統、汽輪機系統等主要系統組成。

圖1：塔式光熱電站系統示意圖

太陽能通過定日鏡聚焦到吸熱器上，冷熔鹽從冷熔鹽罐中通過冷鹽泵送至吸熱器，并在吸熱器中吸收鏡場入射的能量，被加熱為熱熔鹽儲存到熱熔鹽罐中。熱熔鹽罐中的熱熔鹽通過熱鹽泵送入蒸汽發生器，同時給水被給水泵送到蒸汽發生器，熔鹽與給水在蒸汽發生器中充分換熱，產生過熱蒸汽，送至汽輪機做功發電。

蒸汽發生器系統

蒸汽發生器系統是光熱電站發電模塊的重要組成部分，蒸汽發生系統的功能是實現熔鹽與水工質之間的熱交換。為了提高汽水循環的發電效率，一般采用帶再熱系統的汽輪機。來自熱鹽罐的高溫熔鹽分兩路分別進入過熱器與再熱器，經換熱后在出口混合，再依次進入蒸汽發生器和給水預熱器，最后變為低溫熔鹽后返回低溫儲罐。

而來自高壓加熱器的給水則依次流經給水預熱器、蒸發器和過熱器，從而實現熔鹽與水工質的熱交換，產生符合汽輪機運行要求的過熱蒸汽。過熱蒸汽在汽輪機高壓缸做功后，排汽進入再熱器，經再熱器熔鹽加熱后進入汽輪機中低壓缸繼續做功，最后排入凝汽器。蒸汽發生器系統示意圖見圖2。

圖2：蒸汽發生器系統示意圖

由于光熱電站系統復雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設計合理的蒸汽發生器冷啟動系統尤為重要。為了防止冷啟動時蒸汽發生器熔鹽側發生凝固，傳統的啟動方式通常設置單獨的啟動鍋爐，冷啟動之前通過啟動鍋爐系統向蒸汽發生器供應蒸汽加熱給水至260℃以上，然后通入熔鹽進行正常啟動過程。此種方式存在以下缺點：系統復雜，造價較高，需要設置單獨的高壓啟動鍋爐；由于太陽能電站不消耗傳統化石燃料，如果設置啟動鍋爐，需要給鍋爐配套額外的化石燃料系統，且僅在冷啟動時使用，利用率不高，投入與產出不匹配。

冷啟動系統

為了解決以上問題，可采用以下蒸汽發生器冷啟動系統，見圖3.

圖3：蒸汽發生器冷啟動系統流程圖

在原有蒸汽發生器系統中增加啟動電加熱器、外置循環泵設備。蒸汽發生器冷啟動時，先把系統上滿水。此時，低負荷預熱器、啟動電加熱、省煤器、蒸發器充滿水，汽包達到設定水位。開啟外置循環泵，同時開啟啟動電加熱器，關閉低負荷預熱器出口隔離閥，關閉汽包出口調節閥，使系統中的水形成封閉循環回路。啟動電加熱器保持運行狀態，外置循環泵持續運行使系統中給水溫度保持均勻，并且緩慢升高。當溫度超過100℃時，給水在汽包中發生汽化，使汽包壓力逐漸升高，此時升溫、升壓過程同時進行。經過一段時間運行，最終整個系統給水達到設定溫度260℃，此時對應的壓力為4.7MPa，此時升溫升壓過程結束，關閉電加熱器及外置循環泵。由于熔鹽凝固點為230℃左右，熔鹽進入蒸汽發生器不會發生凝固，此時通入熔鹽進行正常啟動過程。

電加熱器選型及設計

1.電加熱器選型計算

電加熱器是冷啟動系統中最重要的設備，電加熱器選型是否正確直接關系到系統的安全可靠運行。電加熱器的選型可使用以下公式進行計算。

V總=V1+V2+V3

其中

V總—蒸汽發生器系統中充水總體積m3

V1—汽包達到正常液位時水容積m3

V2—省煤器水容積m3

V3—蒸汽發生器水容積m3

Q=Cp*V總/Vl*(T2-T1)

其中

Q—加熱過程所需總熱量KJ

Cp—水比熱容KJ/kg/k

Vl—水比容m3/kg

T2—加熱終止水溫℃

T1—加熱起始水溫℃

P=Q/t/3600

P—電加熱器功率kW

t—加熱持續時間h

2.電加熱器設計

啟動電加熱器除了在機組冷啟動期間運行之外，還需要考慮機組甩負荷工況，機組甩負荷時，汽輪機抽汽管道停止運行，給水溫度降低，需要運行啟動加熱器加熱給水，開始甩負荷瞬間給水流量仍為額定值，因此啟動加熱器設計流量需要考慮機組額定給水流量。給水溫度應從常溫加熱到260℃以上，啟動加熱器工作溫度一般取15℃-300℃。電加熱器應能承受給水泵出口壓頭，設計壓力一般取用給水泵出口管道設計壓力。根據電加熱器設計溫度選擇合適的材質，殼體及法蘭接口采用碳鋼材質，加熱元件采用不銹鋼材質。

電加熱器由多個加熱元件構成，功率密度一般為4W/cm2，加熱器為恒功率設計，不設置功率調節裝置。為了保證加熱效果，加熱器內部設有折流板和防沖板，給水在加熱器中以錯流形式流動。典型的加熱器外形圖見圖4.

圖4：啟動電加熱器外形圖

由于電加熱器給水設計壓力較高，給水流量變化較大，且在加熱器內部流體發生相變，工作條件復雜，因此在設計是還應進行有限元分析，模擬給水在加熱器內部的加熱過程，及流場變化規律。某項目電加熱器溫度、流場分布有限元分析圖見圖5。

圖5：啟動電加熱器溫度、流場分布圖

通過有限元分析，得到不同壓力下加熱元件溫度分布規律，見圖6。

圖6：加熱元件溫度隨壓力變化圖

由以上有限元分析可知，加熱元件表面最高溫度隨壓力升高呈下降趨勢，在0.1MPa至2MPa壓力范圍內，加熱元件表面最高溫度降低不明顯，均在740K左右。超過2MPa壓力，加熱元件表面最高溫度迅速降低，到達9MPa壓力時，最高溫度降低至620K左右。

溫度的最高點集中在入口處折流板下部，因此可在靠近入口處折流板采取豁口、開孔等措施，增加該區域介質流動性，防止運行時出現超溫，并且設計時應重點關注此處應力變化，防止出現因應力過大引起焊口拉裂出現泄漏問題。

考慮到在實際運行中電加熱器是全功率工作，不設置溫度調節裝置，無法實現對出口溫度的控制，還應在加熱器出口設置溫度測量元件，當溫度超過設定值時及時停止加熱器運行，保證設備及系統運行安全。

結論

（1）、由于光熱電站系統復雜，檢修周期短，啟停頻繁，因此設計合理的蒸汽發生器冷啟動系統尤為重要。本文研究了一種新型的蒸汽發生器冷啟動系統，只需在原有蒸汽發生器系統基礎上增加啟動電加熱器、外置循環泵設備，無需其他配套系統，系統簡單，經濟性好。

（2）、本文研究了啟動電加熱器的選型計算方法，滿足工程設計的需要。本系統相對于傳統的設置啟動鍋爐的冷啟動系統具有明顯的優勢。傳統冷啟動方法增加了化石燃料消耗量，且產生燃燒污染物。本系統使用電加熱器加熱給水，僅消耗少量電能，不消耗化石燃料，無污染物排放。節省傳統化石燃料用量，環保性能好，具有良好的應用前景。

（3）、本文還簡要介紹了啟動電加熱器的設計方法及設計中的注意事項，可以作為類似設備設計的參考。