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摘要：针对太阳能光热发电中新型蛇形管、圆形集箱结构式换热器，从设计角度出发分析了换热器的设计思路和结构。基于TEMA标准釜式蒸发器的特点，对新型换热器零件的材料和结构进行了改进，对今后太阳能光热发电中此类新型换热器的设计和制造具有一定参考价值。
关键词：太阳能;新型换热器;设计
0 引言
对于太阳能光热电站，通常都是采用传统U型管换热器，但目前有一种新型蛇形管、圆形集箱结构式换热器已被成功开发应用，它相对于传统U型管换热器具有以下明显优势：（1）管束可充分自由收缩;（2）圆形集箱设计降低了热应力;（3）快速启动：10 ℃/min;（4）锅炉管外径不小于30 mm，厚度不小于4 mm;（5）无须抽卸管束的空间，覆盖区更小;（6）根据ABMA标准采用分离的蒸汽锅筒，因锅筒内的双级蒸汽分离装置，蒸汽品质高（对蒸汽轮机的运行非常重要）;（7）上下联管产生至少15：1的自然循环。新型蛇形管换热器主要包括两个蒸发器换热器和一个单独的蒸汽锅筒[1]，蒸汽锅筒由外部的上下联管连接到蒸发器，同时管束通常有3处通道口，因此较壳体具有更大的灵活性。此种蛇形管换热器设计、制造及检验验收都可满足《锅炉安全技术监察规程》（TSG G0001—2012）（以下简称《锅规》）、ASME、PED及相关法规要求。
1 设备简介
1.1 蒸发器结构
蒸发器作为蒸汽发生系统的主要部件，其性能非常重要。结构主要还是基于TEMA类型的管壳式换热器，将管束和蒸汽空间放置在同一壳体中，壳体直径大于管束直径，蒸汽空间在壳体上方，即管束的上侧。管束有两个通道口，一个入口和一个出口[2]。
1.2 蒸发器系统工艺流程
给水在蒸发器中加热产生高压蒸汽，驱动高压汽轮机发电。为了提高汽轮机效率，通常对汽轮机出口蒸汽进行再热，驱动低压汽轮机发电。高压蒸汽发生器系统每列包括一台过热器、一台蒸发器和一台预热器、两台再热器，分别与预热器和过热器并联[3]。在这个回路中，所有的传热流体都流过蒸发器。这种配置的优点是可以在相同蒸汽输出的情况下减少设备的换热面积。蒸发器系统工艺流程如图1所示。
2 换热器设计方案
（1）新型蛇形管换热器材质选用具有成熟应用经验的钢材，设计采用无管板蛇形管方案，封头采用1：2椭圆封头，采用大直径换热管，可减少堵塞，大大降低系统阻力。
（2）换热器在室外安装使用，外保温采用200 mm厚硅酸铝棉防止热损失，保证蒸汽系统热效率不低于96.7%。如果省煤器进口温度过低，在寒冷天气条件下，系统中小型管道中的水或导热油或熔盐可能冻结。因此，应在汽包内增设一组换热管束，在省煤器进水处增设旁路，使部分给水进入汽包加热，以提高温度，防止管内凝固。
（3）基于频繁启停会产生热应力，导致设备疲劳开裂的风险[4]，在换热器结构设计中，采用集管形式代替厚管板，将高温导热油或熔盐分配到管束中。集管为圆柱形，可由相对较薄的材料制成，与传统管板相比，降低了热应力。在制造过程中，采用全焊后热处理的方法来降低残余应力。在设计和制造过程中，换热器能适应频繁启动（每天启停一次）。同时，集箱与管束之间的焊接接头设计在可检测的位置，以便在锅炉停机检修时进行表面无损检测，防止焊接接头疲劳损伤。
（4）本设计考虑了规定的荷载效应及其他相关荷载，并按ASME Ⅷ-2规范对设备进行疲劳和有限元分析，对支架、吊耳和各管口进行了荷载验算。无论设备启动、停止或在各种负荷条件下，设备壁温均低于钢材的允许值，设备内所有应力集中处的应力水平也低于允许应力，保证使用寿命不低于30年。在预期寿命内，设备能承受下列运行方式产生的应力：冷启动（停机超过72 h）1 000次，温启动（停机24～72 h）3 000次，热启动（停机时间小于24 h）6 000次。
（5）太阳能蒸汽发生器的预期连续排污量为0.5%，但是在启动或非正常运行状态下，排污量可达5%。本次设计的新型蒸发器有一个独立的汽包，类似于传统的锅炉，带有两级汽水分离系统。第一级分离为旋风分离器，第二级分离为波纹板分离器，保证蒸汽流中携带的水滴不使饱和蒸汽低于要求质量的99.95%。过热/再热蒸汽的质量符合VGB调节值标准，如表1数据所示。
（6）新型換热器合理布置上升管和下降管，平均循环比大于等于15：1，汽包安装在蒸发器顶部，由上升管和下降管系统支撑，将重量和外部负荷转移到换热器壳侧。壳体设有定期排污口、连续排污口、放空口、两个安全阀接口、远近液位计接口、压力检测接口。在蒸汽发生器上确定正常水位、允许最高和最低水位，并在设备上标出中心线;辅助系统配有安全阀。安全阀的排放量符合电站锅炉的相关要求，以保证设备的安全运行。
（7）换热器所有进出口管口设备均应采用马鞍式焊接，不允许使用补强圈。蒸汽发生器给水进口管嘴设计有隔热套管，以降低热应力。蒸发器给水管道沿汽包方向均匀分布，保证给水均匀。
3 设计要点
3.1 换热器结构
目前，TEMA类型的高温高压管壳式换热器，为满足强度要求，所有组件都需要采用较大厚度的材料。该新型换热器是独特的集箱以及蛇形管设计，无管板，受热面由蛇形管束组成，蛇形管蒸发器的管束有许多折弯，所以具有高度灵活性。管束的传热管内为高压侧;传热流体为低压侧，它在横流外侧做逆向流动。传热管束置于一个圆柱形的压力容器内，容器内装有传热流体。管束焊接在进出口集箱处，集箱穿过在壳体处设置的热套筒以降低热应力。在换热器内部设置可靠的支撑及固定组件，防止流体流动造成机械振动。
3.2 抗疲劳
就热应力而言，管板使用过厚材料并不理想，因为存在疲劳开裂的风险[5]。新型蛇形管换热器不采用厚管板，而是通过圆形集箱将高温导热油或熔盐流分配到传热管束中。因集箱的圆筒形设计，可采用厚度相对较小的材料，也因此降低了热疲劳应力。通过将蒸发器单元拆分成两个换热器和一个蒸汽锅筒，单个压力容器的直径比釜式的小，而且用于承受压力的所需管壁厚度也相对变小了。较小管壁厚度的材料的使用，降低了启停和负荷变化时系统对高温度梯度的敏感性。 3.3 大直径传热管
釜式蒸发器通常采用薄壁小直径换热管，热負荷可能会变得非常接近甚至超过管束的临界热负荷。在这种情况下，传热管内充满了蒸汽，传热系数将大幅度降低且变得不稳定，造成设备损伤。同时，小直径换热管增加了结垢风险。新型蛇形管换热器可采用口径较大的传热管，并且其管间距较大。因此，在运行过程中热负荷远低于临界热负荷，运行非常稳定和安全。
3.4 高品质蒸汽
釜式蒸发器的蒸发和蒸汽空间置于同一个壳体内，因此，蒸汽品质想要达到蒸汽轮机运行可接受范围，必须借助于外部汽水分离器[6]。新型蛇形管蒸发器带有一个单独的蒸汽锅筒，可以配置一个双级汽水分离系统。该配置在常规的水管锅炉中已成熟应用，一级分离采用旋风分离器，二级分离采用波形板分离器。
4 结语
新型蛇形管、圆形集箱结构式换热器具有传热效率高、快速启动、蒸汽品质高、设计和制造满足《锅规》、ASME、PED要求等优点，经过设计研究改造后已经被成功应用于太阳能光热发电中，同时经过不同段负荷验证，其设备主要运行参数均处于稳定安全工况。在太阳能光热发电中，采用该种形式的换热器可达到安全、节能、降耗的效果。
[参考文献]
[1] 许宝军，刘克为.太阳能发电系统中发夹式换热器的设计[J].电站辅机，2019，40（2）：18-22.
[2] 孙健，黄章锋，谢敏倩.基于分形换热器的聚光太阳能PV/T一体化系统数值研究[J].太阳能学报，2017，38（11）：3036-3042.
[3] 庄春龙，杨小凤，张洪宇，等.太阳能光电热系统换热器性能实验研究[J].后勤工程学院学报，2013，29（3）：58-62.
[4] 杨明.中高温太阳能热声装置换热器模拟和优化[D].南京：东南大学，2006.
[5] 董华，郭进，KRIBUS A，等.太阳能热电站容积换热器的数值研究[J].计算力学学报，2002，19（4）：461-463.
[6] 王维城，朱明善，倪振伟.换热器性能对太阳能低温热发电系统的影响[J].太阳能学报，1982，3（4）：394-400.
收稿日期：2021-06-28
作者简介：刘文佳（1986—），男，江苏江阴人，工程师，主要从事锅炉、压力容器、太阳能光热蒸汽发生系统设计工作。
关键词：太阳能;新型换热器;设计
0 引言
对于太阳能光热电站，通常都是采用传统U型管换热器，但目前有一种新型蛇形管、圆形集箱结构式换热器已被成功开发应用，它相对于传统U型管换热器具有以下明显优势：（1）管束可充分自由收缩;（2）圆形集箱设计降低了热应力;（3）快速启动：10 ℃/min;（4）锅炉管外径不小于30 mm，厚度不小于4 mm;（5）无须抽卸管束的空间，覆盖区更小;（6）根据ABMA标准采用分离的蒸汽锅筒，因锅筒内的双级蒸汽分离装置，蒸汽品质高（对蒸汽轮机的运行非常重要）;（7）上下联管产生至少15：1的自然循环。新型蛇形管换热器主要包括两个蒸发器换热器和一个单独的蒸汽锅筒[1]，蒸汽锅筒由外部的上下联管连接到蒸发器，同时管束通常有3处通道口，因此较壳体具有更大的灵活性。此种蛇形管换热器设计、制造及检验验收都可满足《锅炉安全技术监察规程》（TSG G0001—2012）（以下简称《锅规》）、ASME、PED及相关法规要求。
1 设备简介
1.1 蒸发器结构
蒸发器作为蒸汽发生系统的主要部件，其性能非常重要。结构主要还是基于TEMA类型的管壳式换热器，将管束和蒸汽空间放置在同一壳体中，壳体直径大于管束直径，蒸汽空间在壳体上方，即管束的上侧。管束有两个通道口，一个入口和一个出口[2]。
1.2 蒸发器系统工艺流程
给水在蒸发器中加热产生高压蒸汽，驱动高压汽轮机发电。为了提高汽轮机效率，通常对汽轮机出口蒸汽进行再热，驱动低压汽轮机发电。高压蒸汽发生器系统每列包括一台过热器、一台蒸发器和一台预热器、两台再热器，分别与预热器和过热器并联[3]。在这个回路中，所有的传热流体都流过蒸发器。这种配置的优点是可以在相同蒸汽输出的情况下减少设备的换热面积。蒸发器系统工艺流程如图1所示。
2 换热器设计方案
（1）新型蛇形管换热器材质选用具有成熟应用经验的钢材，设计采用无管板蛇形管方案，封头采用1：2椭圆封头，采用大直径换热管，可减少堵塞，大大降低系统阻力。
（2）换热器在室外安装使用，外保温采用200 mm厚硅酸铝棉防止热损失，保证蒸汽系统热效率不低于96.7%。如果省煤器进口温度过低，在寒冷天气条件下，系统中小型管道中的水或导热油或熔盐可能冻结。因此，应在汽包内增设一组换热管束，在省煤器进水处增设旁路，使部分给水进入汽包加热，以提高温度，防止管内凝固。
（3）基于频繁启停会产生热应力，导致设备疲劳开裂的风险[4]，在换热器结构设计中，采用集管形式代替厚管板，将高温导热油或熔盐分配到管束中。集管为圆柱形，可由相对较薄的材料制成，与传统管板相比，降低了热应力。在制造过程中，采用全焊后热处理的方法来降低残余应力。在设计和制造过程中，换热器能适应频繁启动（每天启停一次）。同时，集箱与管束之间的焊接接头设计在可检测的位置，以便在锅炉停机检修时进行表面无损检测，防止焊接接头疲劳损伤。
（4）本设计考虑了规定的荷载效应及其他相关荷载，并按ASME Ⅷ-2规范对设备进行疲劳和有限元分析，对支架、吊耳和各管口进行了荷载验算。无论设备启动、停止或在各种负荷条件下，设备壁温均低于钢材的允许值，设备内所有应力集中处的应力水平也低于允许应力，保证使用寿命不低于30年。在预期寿命内，设备能承受下列运行方式产生的应力：冷启动（停机超过72 h）1 000次，温启动（停机24～72 h）3 000次，热启动（停机时间小于24 h）6 000次。
（5）太阳能蒸汽发生器的预期连续排污量为0.5%，但是在启动或非正常运行状态下，排污量可达5%。本次设计的新型蒸发器有一个独立的汽包，类似于传统的锅炉，带有两级汽水分离系统。第一级分离为旋风分离器，第二级分离为波纹板分离器，保证蒸汽流中携带的水滴不使饱和蒸汽低于要求质量的99.95%。过热/再热蒸汽的质量符合VGB调节值标准，如表1数据所示。
（6）新型換热器合理布置上升管和下降管，平均循环比大于等于15：1，汽包安装在蒸发器顶部，由上升管和下降管系统支撑，将重量和外部负荷转移到换热器壳侧。壳体设有定期排污口、连续排污口、放空口、两个安全阀接口、远近液位计接口、压力检测接口。在蒸汽发生器上确定正常水位、允许最高和最低水位，并在设备上标出中心线;辅助系统配有安全阀。安全阀的排放量符合电站锅炉的相关要求，以保证设备的安全运行。
（7）换热器所有进出口管口设备均应采用马鞍式焊接，不允许使用补强圈。蒸汽发生器给水进口管嘴设计有隔热套管，以降低热应力。蒸发器给水管道沿汽包方向均匀分布，保证给水均匀。
3 设计要点
3.1 换热器结构
目前，TEMA类型的高温高压管壳式换热器，为满足强度要求，所有组件都需要采用较大厚度的材料。该新型换热器是独特的集箱以及蛇形管设计，无管板，受热面由蛇形管束组成，蛇形管蒸发器的管束有许多折弯，所以具有高度灵活性。管束的传热管内为高压侧;传热流体为低压侧，它在横流外侧做逆向流动。传热管束置于一个圆柱形的压力容器内，容器内装有传热流体。管束焊接在进出口集箱处，集箱穿过在壳体处设置的热套筒以降低热应力。在换热器内部设置可靠的支撑及固定组件，防止流体流动造成机械振动。
3.2 抗疲劳
就热应力而言，管板使用过厚材料并不理想，因为存在疲劳开裂的风险[5]。新型蛇形管换热器不采用厚管板，而是通过圆形集箱将高温导热油或熔盐流分配到传热管束中。因集箱的圆筒形设计，可采用厚度相对较小的材料，也因此降低了热疲劳应力。通过将蒸发器单元拆分成两个换热器和一个蒸汽锅筒，单个压力容器的直径比釜式的小，而且用于承受压力的所需管壁厚度也相对变小了。较小管壁厚度的材料的使用，降低了启停和负荷变化时系统对高温度梯度的敏感性。 3.3 大直径传热管
釜式蒸发器通常采用薄壁小直径换热管，热負荷可能会变得非常接近甚至超过管束的临界热负荷。在这种情况下，传热管内充满了蒸汽，传热系数将大幅度降低且变得不稳定，造成设备损伤。同时，小直径换热管增加了结垢风险。新型蛇形管换热器可采用口径较大的传热管，并且其管间距较大。因此，在运行过程中热负荷远低于临界热负荷，运行非常稳定和安全。
3.4 高品质蒸汽
釜式蒸发器的蒸发和蒸汽空间置于同一个壳体内，因此，蒸汽品质想要达到蒸汽轮机运行可接受范围，必须借助于外部汽水分离器[6]。新型蛇形管蒸发器带有一个单独的蒸汽锅筒，可以配置一个双级汽水分离系统。该配置在常规的水管锅炉中已成熟应用，一级分离采用旋风分离器，二级分离采用波形板分离器。
4 结语
新型蛇形管、圆形集箱结构式换热器具有传热效率高、快速启动、蒸汽品质高、设计和制造满足《锅规》、ASME、PED要求等优点，经过设计研究改造后已经被成功应用于太阳能光热发电中，同时经过不同段负荷验证，其设备主要运行参数均处于稳定安全工况。在太阳能光热发电中，采用该种形式的换热器可达到安全、节能、降耗的效果。
[参考文献]
[1] 许宝军，刘克为.太阳能发电系统中发夹式换热器的设计[J].电站辅机，2019，40（2）：18-22.
[2] 孙健，黄章锋，谢敏倩.基于分形换热器的聚光太阳能PV/T一体化系统数值研究[J].太阳能学报，2017，38（11）：3036-3042.
[3] 庄春龙，杨小凤，张洪宇，等.太阳能光电热系统换热器性能实验研究[J].后勤工程学院学报，2013，29（3）：58-62.
[4] 杨明.中高温太阳能热声装置换热器模拟和优化[D].南京：东南大学，2006.
[5] 董华，郭进，KRIBUS A，等.太阳能热电站容积换热器的数值研究[J].计算力学学报，2002，19（4）：461-463.
[6] 王维城，朱明善，倪振伟.换热器性能对太阳能低温热发电系统的影响[J].太阳能学报，1982，3（4）：394-400.
收稿日期：2021-06-28
作者简介：刘文佳（1986—），男，江苏江阴人，工程师，主要从事锅炉、压力容器、太阳能光热蒸汽发生系统设计工作。