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用于集中太阳能发电设备中的熔盐蒸汽发生器的热交换器

2021-03-03 15:04:01

用于集中太阳能发电设备中的熔盐蒸汽发生器的热交换器

　　技术领域

　　本发明涉及热交换器领域，特别是热交换器，例如蒸发器、过热器、再热器和节能器，其旨在用于导热流体蒸汽发生器中，例如集中太阳能发电设备(CSP)的熔盐蒸汽发生器(MSSG)。

　　现有技术

　　已知的是，CSP塔设备通常包括一个或多个位于中央塔的顶点处的太阳能接收器。这些太阳能接收器被集中的入射太阳光线加热，并且它们产生热流体，该热流体将进一步用于产生能够驱动涡轮和发电的高压蒸汽。

　　更具体地，CSP塔设备具有主要部件，即，至少定日镜太阳能场、安装在塔架顶部的太阳能接收器、蒸汽发生器、蒸汽涡轮机和存储系统。在熔盐技术中，熔盐通常在太阳能接收器中加热到565℃，并存储在热存储罐中。当需要发电时，热盐从热罐流到熔盐蒸汽发生器(MSSG)，产生蒸汽，然后将蒸汽注入蒸汽涡轮机。

　　图1示意性地示出了用于MSSG的典型的所谓热交换器列的部件。热熔盐从入口100穿过再热器101和过热器104进入蒸发器102。此后，热盐从蒸发器102的出口流向节能器103，再流向出口105。

　　所谓的“壳管式”热交换器在现有技术中是指适于高压应用的一类热交换器设计。这种类型的热交换器由一个称为“壳体”的大压力容器组成，壳体内部有一组称为“束”的管。第一流体流过管，而第二流体在壳体内在管上流过，第一流体和第二流体具有不同的温度，目的是将热量从第二流体传递到第一流体，反之亦然。

　　壳管式设计上有许多变化。例如，图2示意性地显示了直管式热交换器(两通管侧)。每个管21的端部通过设置在称为“管板”27的分隔板上的孔连接到水箱或充气室29。管21可以是直的，如图2所示，或者可以弯曲成“U”形(U形管)。

　　为了在两种流体之间提供改善的热交换，第二流体的流动路径通常由形成相应通道的中间挡板28确定，从而第二流体流在从一个通道流向下一通道时改变其方向。挡板通常呈部分圆形段或环形圈和圆盘的形式，垂直于壳体22的纵向轴线安装以提供第二流体的Z字形流动。

　　图3所示的上述设计的现有技术替代方案是水平发夹式热交换器。发夹式热交换器1具有两个包含U形管的直部的壳体22。发夹的头部包含管的180°U形弯曲部。这种发夹设计的优点是：

　　-不需要联合膨胀系统，因为热膨胀自然由发夹设计管理；

　　-由于直管和交换器的水平位置，因此交换器的排水和排气更容易。

　　蒸汽发生器的不同概念是已知的。桑迪亚(Sandia)报告93-7084“蓄热和蒸汽发生器问题调查，贝克特公司”中报告了这些不同概念的综合，其中列出了现有蒸汽发生器的优缺点。

　　为了提高热交换器中的传热效率，自1920年代以来就知道安装在壳体中的挡板可以具有旨在以螺旋形路径引导流体的特定形状。而且，在相同的壳体侧压降下，采用连续螺旋形挡板，与传统的分段挡板相比，传热率提高了约10％(J.Heat Transfer(2007),Vol.129(10),1425-1431)。该模式允许减少在分段挡板中发生的泄漏流，并且进一步大大地增加了热传递系数(J.Heat Transfer(2010),Vol.132(10),101801)。而且，避免了流分层和停滞区(根据计算)，这允许完全排空并降低了结垢敏感性(较低的结垢阻力和较低的传热面积)。

　　文件WO 2009/148822公开了安装在壳体中的挡板，以在挡板分别靠近入口和出口时以不同的螺旋角将流体引导成螺旋流动模式。文件US2,384,714、US 2,693,942、US 3,400,758、US 4,493,368和WO 2005/019758各自公开了每种不同类型的挡板，但是相同的目的是提供流体的螺旋流动模式。文件US 1,782,409公开了一种连续螺旋形挡板。

　　当前的这些解决方案例如在热梯度柔性、效率(压降、传热系数)，排水性、自然循环等方面都不令人满意，并且新设计的蒸汽发生器和/或其单个热交换器应满足技术要求，例如：

　　-通过减少内部泄漏和旁路流而改善的热效率；

　　-通过减少局部水流障碍而改善的压降；

　　-改善的上升能力；

　　-改善的可靠性；

　　-改善结垢行为等

　　此外，由于再循环泵的资本成本，强制循环蒸发器的材料和制造成本高于自然循环蒸发器的材料和制造成本。

　　发明目的

　　本发明旨在克服旨在用于蒸汽发生器的现有技术的热交换器的缺点。

　　特别地，本发明旨在获得一种尺寸减小的蒸发器，该蒸发器在热梯度方面表现出高的灵活性以及改善的效率，这是由于优化的流体动力学盐流而导致较低的压降，较低的内部泄漏(旁路)，改善的传热系数，降低的结垢倾向，易于排放的熔盐，自然循环(即没有循环泵)，使用寿命长，以及具有竞争力的成本。

　　本发明的另一个目的是避免使用在壳管式经典热交换器中所必需的诸如当前管板之类的较厚的部件，这样的部件将导致高压区与低压区相邻的缺点。

　　发明内容

　　本发明的第一方面涉及一种发夹式热交换器，其具有第一直段、第二直段和连接第一直段和第二直段的弯曲段，每个直段都包括圆柱形第一壳体或圆柱形内部壳体的一部分以及圆柱形第二壳体或圆柱形外部壳体的一部分，所述圆柱形第一壳体位于所述圆柱形第二壳体内，两者形成一个壳体间空间，该壳体间空间包围成束的平行U形弯管，这些U形弯管各自具有分别位于交换器的所述第一直段和第二直段中的第一直部和第二直部以及位于交换器的所述弯曲段中的180°弯曲部，其中，在使用中，待加热和蒸发的第一流体在流动，所述圆柱形外部壳体相应地在一端设有入口，且在另一端处设有用于第二流体的出口，所述第二流体是热的导热流体，因此在使用中，所述第二流体在壳体间空间中流动并且通过与在直管中流动的第一流体进行热交换而冷却，所述壳体间空间还包围一些挡板以引导第二流体，其中所述成束的平行U形弯管从交换器中伸出并经由弯管分别在第一直段处的内部壳体的一端和外部壳体的一端之外，连接到第一集管，并在第二直段处的内部壳体的一端和外部壳体的一端之外，连接到第二集管，该第一集管将第一流体分配到成束的直管，所述第二集管从成束的直管中收集呈液体、蒸汽或液体/蒸汽混合物形式的第一流体。

　　根据本发明的优选实施例，发夹式热交换器还包括以下特征之一或其适当的组合：

　　-发夹式热交换器是水平的，并且相对于其中的第一流体的流动，第二流体的流动是并流的或逆流的；

　　-第一集管和第二集管是直的和圆柱形的，或者球形的；

　　-所述第一流体是包含给水或超临界二氧化碳的流体；

　　-所述第二流体是熔盐或熔盐的混合物、导热油或液态钠；

　　-挡板呈连续螺旋形挡板的形式；

　　-挡板被组装、优选地焊接或用螺栓连接到圆柱形内部壳体；

　　-在第一集管、第二集管与包含圆柱形内部壳体和圆柱形外部壳体的交换器的发夹段之间分别设置管板(tube sheet)；

　　-管板为椭圆形并设有通道，以允许U形弯管密封地通过管板；

　　-管板被设计成具有适于承受低压的厚度；

　　-在外部壳体和挡板之间设有密封装置；

　　-发夹式交换器配有分配夹套，用于将第二种流体从导热流体入口均匀地供给到热交换器；

　　-分配夹套具有在其内表面上以360°分布的多个开口，所述开口优选地将第二流体供给到螺旋形挡板的第一转弯。

　　本发明的第二方面涉及如上所述的发夹式热交换器作为蒸发器的使用。

　　本发明的第三方面涉及如上所述的发夹式热交换器作为过热器的使用。

　　本发明的第四方面涉及如上所述的发夹式热交换器作为再热器或节能器的使用。

　　本发明的第五方面涉及如上所述的蒸发器、过热器、再热器和节能器的使用，其在熔盐蒸汽发生器(MSSG)中形成至少一个热交换器列。有利的是，过热器、再热器和/或节能器逆流运行，而蒸发器并流运行。

　　仍在本发明的范围内，熔盐蒸汽发生器是单程式(once-through，直通式)或强制循环式蒸汽发生器。

　　附图说明

　　图1概略地表示用于熔盐蒸汽发生器的典型热交换器列的部件。

　　图2示意性地表示根据现有技术的“壳管式”直管式热交换器的实施例。

　　图3表示现有技术的水平发夹式发生器的立体图。

　　图4A和图4B分别示出了根据本发明的热交换器的优选实施例的平面图和正视图。

　　图5是根据图4的实施例的热交换器的纵向剖视图。

　　图6A和图6B分别示出了与图4相对应的视图，但是具有热交换器的支撑系统。

　　图7是根据本发明的交换器的纵向剖面详图，其集中在椭圆形管板上。

　　图8A和8B分别示出了上述椭圆形管板的立体图和剖视图。

　　具体实施方式

　　本发明涉及如图4至图8所示的用于水平发夹式热交换器1的新设计。

　　该热交换器在两种流体之间具有往复流动。第一流体，通常是水和水蒸汽的混合物，循环通过位于发夹的第一直部中的第一束平行的水平直管段2，再通过位于发夹的第二直部中的第二束平行的水平直管段2。第一束管2通过位于发夹的头部中的180°弯管段而连接到第二束管2，从而形成U形弯管段。

　　超临界二氧化碳是本发明中可用的第一流体的另一个示例。

　　根据一个替代实施例，第一束直管段可通过厚的(较厚的)管壳体将流体排放到阀盖中，第二束直管段也终止于该阀盖中。因此，根据该特定实施例，这些管没有U形弯管段。

　　根据本发明，如图5所示，在每个直部中的成束的管2位于圆柱形内部壳体3和圆柱形外部壳体4之间。

　　由两个壳体3、4界定的内部空间5允许将热源，优选第二流体，保持在环形流动路径内。该第二流体是导热流体，例如已经由CSP塔设备的顶点处的太阳能接收器加热的熔盐。通过使导热流体的流动与这些成束的管2接触，导热流体将热量传递至流过管2的平行流动的第一流体。第一流体和第二流体可以是并流的或逆流的，而不背离本发明的范围。类似地，热源或第二流体可以是任何导热流体，例如水、导热油、液态钠、流化床等。

　　如图6所示，圆柱形外部壳体4或与其相连的分配夹套在一端处分别设置有入口喷嘴6、出口喷嘴6，通过它们使得导热流体相应地进入、离开热交换器1。类似地，在圆柱形外部壳体4的另一端处分别设置有出口喷嘴7、入口喷嘴7，以相应地排出已冷却的导热流体、引入热流体。

　　有利地，如上所述，由于位于热交换器的入口喷嘴处的分配夹套(见下文)，导热流体以360°(入口，循环，流体温度)均匀地分布在壳体上。

　　为了提高热交换效率，如图6中，在发夹式交换器的直部中设有空间5，该空间具有被包围的连续螺旋形挡板8，其允许引导导热流体的流动。然后，导热流体根据环形流动路径在内部壳体和外部壳体之间在热交换器(例如是自然循环下运行的蒸发器)中螺旋状地流动。连续螺旋形挡板构造确保第二流体缓慢流动，而没有任何急剧的方向变化或死区，如在具有垂直流挡板的热交换器中一样。以这种方式，与具有传统分段挡板(见上文)的热交换器相比，传热速率大大提高，且压降大大降低。

　　根据一个实施例，圆柱形内部壳体3和挡板8可以被焊接或螺栓连接。另外，可以在外部壳体4和挡板8之间设置密封装置以避免寄生流。

　　如图7所示，在发夹式交换器直部的每个外端，平行的直管2的环形束经由位于内部壳体3和外部壳体4外部位置中的适当弯管11而被连接到至少一个圆柱形线性集管9、10。集管轴线与发夹式热交换器轴线正交。

　　更具体地，如图4至图6所示，在交换器的第一端处，成束的直管2与至少第一圆柱形线性集管9或进入集管9相连，集管向直管2供给第一流体，而在交换器的第二端处，在成束的管2内部运行的第一流体由至少第二圆柱形线性集管10或离开集管10从该成束的管2中收集。当在束中有大量的管2时，可能需要多于一个进入集管9或离开集管10。

　　此外，如图7所示，成束的直管2通过适当弯管11在发夹式交换器的内部壳体3、外部壳体4之外的区域中，被连接到进入集管9或离开集管10。这样，在本发明中避免了如现有技术中所谓的“壳管式”热交换器中那样使用管板和/或高压球形集热器、阀盖和集管，这是因为简单地将它们取而代之的是使用移动到发夹式热交换器外部的圆柱形集管。

　　在壳管式构造中，第一流体(通常为水)通常在准球形容器或充气室内处于高压下。在管板的另一侧，在管束周围流动的盐保持在较低的压力下，需要非常厚的管板才能承受压力差。本发明的构造提供了在交换器的端部连接到标准集管(圆柱形、球形等)的延长管，高压流体在其中循环。这允许减小管板的厚度，如果有的话，压力是有限的。更具体地，在图7的矩形剖面中，可以看到由管板16支撑的压降由外部(空气)压力12和内部导热流体压力13的差控制。

　　根据图7和图8所示的本发明的一个实施例，优选地以椭圆形管板16等的形式使用管板，其具有用于平行管2的孔口或通道17。仅将管2焊接到椭圆形管板16上是为了确保流体密封性。由于上述原因，这些椭圆形管板16有利地具有比现有技术的扁平管板低的厚度。

　　如今，客户经常需要增加上升和停止的速度。较厚的容器壁或集管不适合接受较高的温度梯度，并且更容易疲劳，从而缩短了热交换器的使用寿命。在这种情况下，本发明延长了热交换器部件的寿命。

　　图7还示出了从流体入口/出口6、7进入发夹式热交换器的进入/离开分配夹套30的实施例的详细视图。通过一系列分配开口31确保第二流体在热交换器中的进入处/离开处的均匀分配，这些分配开口以360°位于分配夹套30的内侧之上，优选在螺旋形挡板8的第一转弯32中。

　　本发明是灵活的，并且旨在应用于MSSG技术中使用的一系列热交换器设计，例如再热器、过热器、预热器和蒸发器设备，其中所有通用部件均根据本发明的通用热交换器设计制成。

　　如上所述，温度降低的热熔盐例如首先平行地流过再热器和过热器以重新组合并进入蒸发器，再进入串联的预热器/节能器。

　　在当前的实施例中，热的熔盐在高温下进入系统，例如563℃并且肯定低于565℃，这是常用熔盐的降解温度。然而，在本发明的范围内，导热流体可以承受高达700℃的温度。所有金属部件有利地由不锈钢或贵金属制成，它们可以承受高达600℃或更高的温度。

　　冷盐离开预热器的温度通常在290-300℃的范围内，或者高于最低温度，该最低温度即为热传导流体的凝固温度(对于例如钠衍生物的熔盐而言，低至240℃，)。可选地，在这种情况下，例如在80℃(冷凝和/或结晶温度)到380℃(降解温度的示例)的工作温度范围内，任何导热流体，例如导热油，可以用于代替熔盐。

　　高压水在管或管道中流动而不在壳体侧，这使得管板和集管/壳体的厚度较小，因此具有较高的热梯度能力。

　　尽管根据本发明的交换器的设计针对自然循环运行进行了优化，但是它也可以用于单程式或强制循环式蒸汽发生器中。

　　参考符号列表

　　1 发夹式热交换器

　　2 直管(段)

　　3 圆柱形内部壳体

　　4 圆柱形外部壳体

　　5 壳体间空间

　　6 导热流体入口

　　7 导热流体出口

　　8 螺旋形挡板

　　9 入口直集管