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在浙江杭州盛大召開的第十二屆中國國際光熱大會暨CSPPLAZA年會中，哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司（以下簡稱“哈鍋”）工程設(shè)計中心副總經(jīng)理韓健出席會議并作主題演講《塔式光熱發(fā)電熔鹽系統(tǒng)熱力設(shè)備技術(shù)及應(yīng)用》。

圖：韓健

塔式熔鹽光熱電站主要由聚光集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸發(fā)系統(tǒng)和常規(guī)島等部分構(gòu)成。韓健以100MW塔式光熱發(fā)電為例，說明了各個系統(tǒng)的投資占比【詳見下圖】，其中集熱、換熱、儲熱三大系統(tǒng)的總體投資占比超過65%，重要性不言而喻。鑒于此，韓健詳細闡述了三大系統(tǒng)的核心設(shè)備——塔式吸熱器、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和大型熔鹽儲罐——的技術(shù)特點及應(yīng)用情況。

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塔式吸熱器

吸熱器是光熱電站中將光轉(zhuǎn)化為熱的核心設(shè)備，主要由管屏、緩沖罐、連接管道、鋼結(jié)構(gòu)等組成。韓健表示，哈鍋依托三峽恒基瓜州“光熱儲能+”項目及中電建若羌100MW項目，已完成200MW到600MW等級的吸熱器技術(shù)開發(fā)，具體如下：

圖：三峽恒基瓜州“光熱儲能+”項目吸熱器

（1）吸熱器采用模塊化的管屏設(shè)計，管屏保溫、半熱支撐結(jié)構(gòu)等均在場內(nèi)完成安裝，現(xiàn)場僅需進行吊裝和組裝，大幅減少了現(xiàn)場安裝工作量，同時顯著提升了安裝質(zhì)量。

（2）由于吸熱器運作時內(nèi)外表面溫差大，且生產(chǎn)制造與實際運行兩個工況之間的溫差較大，因此吸熱器的設(shè)計核心圍繞熱應(yīng)力處理展開。韓健表示，哈鍋通過光—熱耦合計算，對管屏的溫度場和應(yīng)力場進行全工況模擬，分析管屏受力結(jié)構(gòu)，提高管屏適應(yīng)能力，保證管屏的安全平穩(wěn)運行。

（3）管屏加工存在三個難點：薄壁管彎管的加工、焊接以及吸熱涂層的噴涂與固化。韓健表示，換熱管采用鎳基合金材質(zhì)，厚度約1.5毫米。因此，加工過程需保證彎管的尺寸精度，避免減薄，并嚴(yán)格控制橢圓度；焊接過程需在保證焊接質(zhì)量和效率的前提下產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

韓健展示了兩種典型焊接方式：

此外，為提升管屏的吸熱能力，需在鎳基合金表面噴涂耐高溫且高吸收比的涂層。涂層的噴涂工藝、噴涂質(zhì)量，對吸熱器的吸熱性能具有重要影響。韓健表示，哈鍋經(jīng)多次驗證與實驗，提出了兼顧效率和質(zhì)量的全自動噴涂方案，同時，結(jié)合光熱電站頻繁啟停的特性，開展了相應(yīng)的熱振實驗分析【如下圖所示】。實驗表明采用哈鍋自研噴砂技術(shù)的涂層效果與無噴砂處理的涂層效果差異顯著。

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蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)熔鹽和汽水的換熱，由預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、再熱器、汽包組成。韓健介紹了蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的工作流程：“高壓給水經(jīng)高壓給水泵進入低負(fù)荷預(yù)熱器，被加熱至接近飽和溫度后進入蒸發(fā)器，完成蒸發(fā)過程；工質(zhì)進入汽包后進行汽水分離，飽和蒸汽進入過熱器進一步過熱，最終形成高溫高壓的過熱蒸汽，用于做功發(fā)電?！?/p>

受光熱電站每日啟停的運行影響，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)需同時滿足快速升降負(fù)荷和低負(fù)荷穩(wěn)定運行的能力。韓健以三峽青豫直流二期為例，介紹了哈鍋蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)備特點：

圖：三峽能源青豫直流二期100MW光熱項目蒸汽發(fā)生系統(tǒng)

蒸發(fā)器及汽包汽水循環(huán)采用臥式水平管內(nèi)沸騰設(shè)計，熔鹽走管外，汽水走管內(nèi)，材質(zhì)為全不銹鋼管板和換熱管，搭配成熟的管道焊接結(jié)構(gòu)，確保換熱器可有效均勻熱膨脹；汽包內(nèi)部設(shè)有合理的運維監(jiān)控手段，蒸汽出口干度可達99%以上。

過熱器與再熱器需承受較大的換熱溫差，采用發(fā)夾式換熱結(jié)構(gòu)，可將熔鹽與汽水的高、低溫區(qū)域分離，避免管板承受過大應(yīng)力，保障設(shè)備長期平穩(wěn)運行；同時，其尾部配備了具有專利的防震結(jié)構(gòu)，可確保換熱器在各種流量工況下均不會發(fā)生振動失效。

此外，韓健對比了光熱電站中蒸汽發(fā)生系統(tǒng)常見的技術(shù)路線：

▌自然循環(huán)vs強制循環(huán)

韓健表示，自然循環(huán)與強制循環(huán)核心區(qū)別在于是否配置強制循環(huán)泵。

自然循環(huán)無需強制循環(huán)泵，依靠汽水密度差和高度差驅(qū)動循環(huán)。其優(yōu)點是投資、運行成本低且系統(tǒng)配置簡單，能滿足光熱電站蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的使用需求，因此成為主流方案；缺點是需依賴汽包與蒸發(fā)器的高度差，負(fù)荷調(diào)節(jié)性差，不如強制循環(huán)靈活穩(wěn)定。

強制循環(huán)因配置了強制循環(huán)泵，系統(tǒng)水循環(huán)更穩(wěn)定，布置靈活無高差限制；缺點是初投資成本高，系統(tǒng)運行能耗高。

▌管內(nèi)蒸發(fā)vs管外蒸發(fā)

韓健表示，從流程合理性和阻力角度看，自下而上流動、低阻力的管外蒸發(fā)具有天然優(yōu)勢，但投資成本高，且熔鹽走管內(nèi)不易排空。

目前新建光熱電站多采用管內(nèi)蒸發(fā)，熔鹽走管外，流動性更好。雖然汽水兩相流存在水平流動，汽水流動阻力更大，犧牲了換熱效率，但因熔鹽最高溫度受限，不會出現(xiàn)換熱管超溫情況，因此成為更普遍的選擇。

3

大型熔鹽儲罐

圖：新華水電博州100MW塔式光熱電站項目熔鹽罐

熔鹽儲罐是光熱電站儲熱系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于儲存整個光熱電站中的全部高、低溫熔鹽，主要由高溫罐、低溫罐、罐頂、罐壁、罐底、保溫層基礎(chǔ)分配管道和電加熱器組成。韓健介紹了熔鹽儲罐的關(guān)鍵技術(shù)和主要系統(tǒng)：

▌關(guān)鍵技術(shù)

包含立式常壓圓柱形儲罐、關(guān)鍵連接全焊透結(jié)構(gòu)、罐壁非等厚設(shè)計、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析設(shè)計、高溫儲罐“蠕變-疲勞”分析以及分配系統(tǒng)模擬計算等。

▌主要系統(tǒng)

分配環(huán)布液系統(tǒng)：儲罐底部設(shè)置熔鹽分配環(huán)布液系統(tǒng)，降低沖擊抑制溫度分層。

儲罐本體保溫系統(tǒng)：降低儲罐散熱損失，24小時溫度降不超過1℃℃，外表面溫度不超過50℃。

罐底通風(fēng)散熱系統(tǒng)：在儲罐基礎(chǔ)中預(yù)埋通風(fēng)管道，與基礎(chǔ)溫度監(jiān)測點形成控制聯(lián)鎖。

電加熱防凝系統(tǒng)：儲罐接近罐底位置設(shè)置8根電加熱器，補償儲罐散熱損失。

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哈鍋產(chǎn)業(yè)布局、光熱發(fā)展歷程及主要業(yè)績

哈鍋是大型中央國有企業(yè)，始建于1954年，是新中國“一五”計劃156項重點工程中的兩項（電站鍋爐和壓力容器），是哈電集團的重要成員企業(yè)；是中國建設(shè)時間最早、規(guī)模最大的大型電站鍋爐科研與制造基地，設(shè)計制造了70%以上各種容量參數(shù)的國產(chǎn)首臺電站鍋爐，填補多項國際和國內(nèi)技術(shù)空白。

截至2023年末，已累計生產(chǎn)各類電站鍋爐約1800臺/4.3億千瓦，裝備了全國500多個電廠，并出口近30個國家和地區(qū)。另外，生產(chǎn)了核電、大型石化容器、輔機等各類壓力容器10000余臺套。

▌業(yè)務(wù)板塊布局

經(jīng)過70年的發(fā)展，哈鍋已全力打造“八大產(chǎn)業(yè)板塊”【詳見下圖】，并努力成為我國電站鍋爐、石化容器、艦船動力電站輔機、核電、環(huán)保、海水淡化等領(lǐng)域優(yōu)秀的系統(tǒng)解決方案服務(wù)商。

在此基礎(chǔ)上，近年來公司圍繞“新型電力系統(tǒng)、清潔高效工業(yè)系統(tǒng)”雙系統(tǒng)，進一步布局了高效超靈活鍋爐、S-CO?發(fā)電、光熱發(fā)電、熔鹽儲能、壓縮氣體儲能、氫能、智慧化等新產(chǎn)業(yè)方向。

為支撐這些產(chǎn)業(yè)發(fā)展，哈鍋打造了國家級一流創(chuàng)新平臺，擁有中國電力裝備制造行業(yè)唯一的企業(yè)內(nèi)低碳熱力發(fā)電技術(shù)與裝備全國重點實驗室。該平臺以應(yīng)用基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、核心裝備、系統(tǒng)集成一體化創(chuàng)新為支撐，聚焦壓縮氣體儲能（空氣、CO?）、熔鹽儲能、煤電靈活性、光熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)與裝備研制及安全保障技術(shù)開發(fā)等核心領(lǐng)域，實現(xiàn)了“應(yīng)用基礎(chǔ)—關(guān)鍵技術(shù)—裝備研制—安全保障”的全鏈條貫通。

▌光熱發(fā)展歷程

哈鍋實現(xiàn)了光熱電站太陽島、儲熱島、換熱島、常規(guī)島關(guān)鍵核心設(shè)備的全突破與全覆蓋，其主要設(shè)備包括集熱器、蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)備、熔鹽儲罐等，可為用戶提供核心設(shè)備研制、成島系統(tǒng)供貨及產(chǎn)品研發(fā)的一站式系統(tǒng)解決方案。

圖：哈鍋光熱發(fā)展歷程

▌光熱主要業(yè)績

塔式吸熱器：三峽瓜州100MW塔式光熱項目、中電建若羌100MW塔式光熱項目；

SGS蒸汽發(fā)生系統(tǒng)：三峽能源青豫直流二期100MW塔式光熱項目、中電建若羌100MW塔式光熱項目、國能青豫直流二期100MW塔式光熱項目；

熔鹽儲罐：中電建若羌100MW塔式光熱項目、新華水電博州100MW塔式光熱項目、新華新能源精河100MW塔式光熱項目、中廣核阿里雪域高原“零碳”光儲熱電示范項目、大唐石城子100MW熔鹽線性菲涅爾式光熱項目。