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槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中的太陽(yáng)島是由多個(gè)集熱器回路構(gòu)成，這些回路以相互平行的并聯(lián)方式布置，并通過(guò)導(dǎo)熱油母管連接。國(guó)內(nèi)首個(gè)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目——中廣核德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站(下文簡(jiǎn)稱為“德令哈熱發(fā)電站”)中的太陽(yáng)島由190個(gè)集熱器回路構(gòu)成，每個(gè)集熱器回路由4個(gè)長(zhǎng)為150 m的集熱器(型號(hào)為歐洲槽ET-150)串聯(lián)組成，每個(gè)集熱器由12個(gè)長(zhǎng)為12 m的集熱管單元連接構(gòu)成。每個(gè)集熱器回路中包含144根集熱管單元和24個(gè)球連接組件。

在設(shè)計(jì)工況下，流經(jīng)集熱管和球連接組件的導(dǎo)熱油(聯(lián)苯-聯(lián)苯醚混合物)的工作壓力為3.3MPa；當(dāng)導(dǎo)熱油的入口溫度為293℃時(shí)，其在流經(jīng)1個(gè)集熱器回路后會(huì)被加熱到393℃。與常規(guī)火電廠熱源穩(wěn)定、可控性強(qiáng)不同，由于太陽(yáng)輻射是不可控的，其會(huì)隨季節(jié)、每天的日出日落及云層遮擋情況的變化而變化，因此以太陽(yáng)輻射作為熱源的太陽(yáng)能熱發(fā)電站需根據(jù)不同天氣情況采取靈活的運(yùn)行策略，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)熱油的工作壓力和溫度會(huì)存在較大波動(dòng)。由于集熱管承受著不斷變化的熱應(yīng)力，集熱器的跟蹤轉(zhuǎn)動(dòng)還會(huì)使集熱管承受機(jī)械應(yīng)力，且高溫導(dǎo)熱油對(duì)具有膨脹和旋轉(zhuǎn)功能的球連接組件的密封性有很高的要求，因此，集熱管和球連接組件的焊接質(zhì)量尤為重要，需要在無(wú)損探傷試驗(yàn)之后、注油之前對(duì)集熱器回路進(jìn)行壓力試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封性。本文分別對(duì)采用不同介質(zhì)的壓力試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析和對(duì)比。

1、壓力試驗(yàn)方法對(duì)比

集熱器回路的壓力試驗(yàn)主要包括水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)，至于采用何種方式，可依項(xiàng)目的具體情況來(lái)定。對(duì)于傳熱工質(zhì)為導(dǎo)熱油的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站而言，目前普遍采用Schott PTR70集熱管，該類集熱管內(nèi)部的吸熱管是由厚度為1.7mm的不銹鋼板卷制焊接而成，所以可能會(huì)存在焊接質(zhì)量缺陷；外層為真空玻璃管。但壓力試驗(yàn)存在導(dǎo)致真空玻璃管爆裂或發(fā)生介質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且事故發(fā)生后飛濺的玻璃碎片、高溫導(dǎo)熱油和高溫蒸汽均會(huì)造成集熱器反射鏡的破碎飛濺。

當(dāng)采用除鹽水或?qū)嵊妥鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，均需配置專用的移動(dòng)式試驗(yàn)設(shè)備，此外還需配備泵送、過(guò)濾、計(jì)量、加熱、儲(chǔ)存及化驗(yàn)等裝置，成本較高，不過(guò)目前國(guó)內(nèi)還未生產(chǎn)出此類設(shè)備。當(dāng)采用除鹽水時(shí)，不銹鋼吸熱管對(duì)除鹽水的氯離子等鹵素的濃度要求較高，且必須逐個(gè)集熱器回路進(jìn)行試驗(yàn)；而每個(gè)集熱器回路首次使用除鹽水時(shí)必須對(duì)水質(zhì)進(jìn)行重新化驗(yàn)，在每次壓力試驗(yàn)完成、除鹽水從回路中排出后需要立即烘干，以防止任何有害的含氯水殘留；在試驗(yàn)后的48 h內(nèi)要進(jìn)行導(dǎo)熱油注入，否則需要使用惰性氣體氮?dú)膺M(jìn)行密封[1]。而采用導(dǎo)熱油時(shí)，則不存在上述問(wèn)題，但導(dǎo)熱油價(jià)格昂貴，且加熱溫度過(guò)高時(shí)會(huì)導(dǎo)致其氧化降解，因此在試驗(yàn)過(guò)程中需嚴(yán)格控制導(dǎo)熱油溫度；此外，導(dǎo)熱油具有微毒性，若泄漏會(huì)危害環(huán)境。

考慮到集熱器回路的管路不僅長(zhǎng)，而且彎道多，再加上球連接組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若采用水壓試驗(yàn)，除鹽水的排放和吹干都較為困難，此外，除鹽水和導(dǎo)熱油的凝點(diǎn)(12℃)都較高，因此為了防止集熱管彎曲，除鹽水或?qū)嵊捅患訜釙r(shí)與不銹鋼吸熱管之間的溫差不能高于30℃。

國(guó)內(nèi)適宜建造太陽(yáng)能熱發(fā)電站且太陽(yáng)直接法向輻射(DNI)較高的區(qū)域均在西北地區(qū)和內(nèi)蒙古等高寒地區(qū)，但由于氣溫原因，這些地區(qū)1年中有很長(zhǎng)時(shí)間不適于采用以除鹽水和導(dǎo)熱油為介質(zhì)的水壓試驗(yàn)。而采用氣體作為介質(zhì)的氣壓試驗(yàn)可避免上述情況，但由于氣體具有可壓縮性，氣壓試驗(yàn)存在爆炸的潛在危險(xiǎn)，因此通常不建議采用氣壓試驗(yàn)，但由于吸熱管是壁厚較薄的不銹鋼管，避免了爆炸風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)上述2種壓力試驗(yàn)方法進(jìn)行比較，對(duì)比結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的結(jié)果綜合考慮后發(fā)現(xiàn)，在保證安全的前提下，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中太陽(yáng)島的集熱器回路的壓力試驗(yàn)采用氣壓試驗(yàn)較為合適。

德令哈熱發(fā)電站在建設(shè)過(guò)程中，對(duì)集熱器回路的氣壓試驗(yàn)采用何種介質(zhì)進(jìn)行了充分的論證和調(diào)研。摩洛哥NoorⅢ項(xiàng)目的氣壓試驗(yàn)采用的是氮?dú)?，同時(shí)，德令哈熱發(fā)電站的集熱管供貨商西班牙Rioglass公司也建議盡量采用氮?dú)膺M(jìn)行氣壓試驗(yàn)。但由于可供參考的采用氮?dú)膺M(jìn)行氣壓試驗(yàn)的實(shí)際案例很少，且國(guó)內(nèi)對(duì)于液態(tài)氮的低溫和汽化裝置的操作、運(yùn)行知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)均較欠缺，因此，在對(duì)幾種介質(zhì)進(jìn)行了綜合分析對(duì)比后，最終以壓縮空氣作為氣壓試驗(yàn)的介質(zhì)。

2、氣壓試驗(yàn)中的測(cè)試與計(jì)算

2.1集熱管的結(jié)構(gòu)耐壓測(cè)試和試驗(yàn)壓力值

德令哈熱發(fā)電站采用的是Schott PTR70集熱管，其最大允許壓力為4.1 MPa。為了驗(yàn)證集熱管內(nèi)不銹鋼吸熱管的耐壓性，選用1根真空玻璃管破碎而吸熱管完好的報(bào)廢的集熱管進(jìn)行破壞試驗(yàn)。在空曠的戈壁灘上布置了一處安全的地下空間，在足夠遠(yuǎn)的距離對(duì)集熱管進(jìn)行了壓縮空氣加壓試驗(yàn)，最終因空壓機(jī)的性能原因，僅加壓至7 MPa，但此時(shí)集熱管內(nèi)的不銹鋼管完好無(wú)損。由此可知，此種集熱管的耐壓性很好。

對(duì)于本項(xiàng)目，多方專業(yè)人士均建議按照ASME B31.1:2014[2]進(jìn)行集熱器回路壓力試驗(yàn)，而根據(jù)此規(guī)范中第137.5.5條的要求，集熱器回路的最大允許試驗(yàn)壓力Pt應(yīng)為設(shè)計(jì)最大工作壓力P的1.2～1.5倍，但西班牙Rioglass公司要這2個(gè)值均大于4.68 MPa。因此，若要集熱器回路的Pt≥4.68 MPa，則氣壓試驗(yàn)必須在不低于-12.2℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行。

3、氣壓試驗(yàn)的實(shí)施

氣壓試驗(yàn)裝置的布置方式如圖1所示。

氣壓試驗(yàn)裝置中安全閥的設(shè)定壓力要高于Pt的10%；此外，油水分離器的作用是分離壓縮空氣中的水分和油分等雜質(zhì)，因?yàn)槲唇?jīng)處理的水分對(duì)集熱管內(nèi)部不銹鋼的危害很大，而且將來(lái)鏡場(chǎng)集熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工作介質(zhì)是導(dǎo)熱油，試驗(yàn)結(jié)束后管道內(nèi)殘留的雜質(zhì)將加速催化導(dǎo)熱油的氧化降解。氣壓試驗(yàn)流程示意圖如圖2所示[6]。其中，T為停滯時(shí)間，T≥10 min；d為肥皂水檢漏階段，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力為0.4 MPa；SG為穩(wěn)定壓力。

考慮到安全因素，壓力試驗(yàn)應(yīng)選擇在非工作時(shí)間的夜間進(jìn)行。另外，考慮到集熱器回路的結(jié)構(gòu)和布置特點(diǎn)，試驗(yàn)壓力應(yīng)逐步增加，每次停滯至少10 min，以穩(wěn)定集熱器回路的壓力和噪聲，在達(dá)到Pt=4.68 MPa后停滯至少30 min，以觀測(cè)集熱器回路的情況，然后緩慢泄壓。采用肥皂水檢漏時(shí)，ASME B31.1:2014要求的檢漏點(diǎn)壓力為0.175 MPa，而集熱管供貨方建議為0.4MPa。由于集熱管與球連接組件的焊縫均非常多，而且集熱器的反射鏡和集熱管包含大量玻璃，若碎裂則危險(xiǎn)性較大，因此，將肥皂水檢漏階段的常規(guī)泄壓至P改為泄壓至0.4 MPa，且該階段在夜間試驗(yàn)完成后的白天進(jìn)行。

4、試驗(yàn)結(jié)果和建議

按照德令哈熱發(fā)電站的施工進(jìn)度，采用壓縮空氣的氣壓試驗(yàn)是在2017年11月進(jìn)行的，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)，在夜間氣溫低于-12.2℃的4天時(shí)間內(nèi)并未進(jìn)行試驗(yàn)，氣壓試驗(yàn)初期時(shí)是逐個(gè)集熱器回路進(jìn)行試驗(yàn)，但在積累了一定經(jīng)驗(yàn)后，改為以5個(gè)集熱器回路為1組進(jìn)行氣壓試驗(yàn)，190個(gè)集熱器回路的氣壓試驗(yàn)是在1個(gè)月內(nèi)完成。整個(gè)試驗(yàn)期間未出現(xiàn)任何一處泄露點(diǎn)，未發(fā)生任何潛在的危險(xiǎn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

結(jié)合德令哈熱發(fā)電站的工程實(shí)踐，對(duì)集熱器回路的壓力試驗(yàn)提出以下建議：1)壓力試驗(yàn)是在100%的無(wú)損探傷試驗(yàn)合格后進(jìn)行的，鑒于集熱器回路氣壓試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，禁止以壓力試驗(yàn)代替無(wú)損探傷試驗(yàn)；2)當(dāng)空壓機(jī)與第1個(gè)集熱器回路之間的距離較遠(yuǎn)時(shí)，壓縮空氣管道宜選用10MPa以上的鋼絲層液壓膠管，以螺紋連接膠管接頭，避免使用快速接頭，嚴(yán)禁使用鐵絲綁扎連接，每隔5～8 m在集熱器、導(dǎo)熱油管道基礎(chǔ)或自行設(shè)置的固定點(diǎn)上固定一次壓縮空氣管道；3)雖然要求在非工作時(shí)間的夜間進(jìn)行壓力試驗(yàn)，但安全起見(jiàn)，需要在試驗(yàn)期間，每天以公告的形式發(fā)布夜間要占用的試驗(yàn)區(qū)域、時(shí)間和安全禁令；4)由于試驗(yàn)壓力要將空氣的體積壓縮至其常壓時(shí)的約1/47，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)壓縮才能達(dá)到，因此若空壓機(jī)的排量偏小，將耗費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

5、結(jié)論

本文對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中太陽(yáng)島的集熱器回路使用除鹽水或?qū)嵊偷乃畨涸囼?yàn)和使用氮?dú)饣驂嚎s空氣的氣壓試驗(yàn)進(jìn)行了分析對(duì)比，在無(wú)類似經(jīng)驗(yàn)可直接借鑒的情況下，采用本文所述方案和工藝，成功完成了德令哈熱發(fā)電站中190個(gè)集熱器回路的壓力試驗(yàn)，為同類項(xiàng)目的施工積累了可以參考的經(jīng)驗(yàn)。

但需要說(shuō)明的是，氣壓試驗(yàn)采用壓縮空氣的效果仍不如采用氮?dú)獾男Ч?，這是因?yàn)閴嚎s空氣中含有水和油或其他雜質(zhì)，水中可能攜帶的氯離子會(huì)引起不銹鋼吸熱管的點(diǎn)蝕及隨后的應(yīng)力開(kāi)裂，油和其他雜質(zhì)的殘留會(huì)加速催化導(dǎo)熱油的氧化降解，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行油水分離極為重要，在具備條件時(shí)還是首選氮?dú)庾鳛榻橘|(zhì)進(jìn)行氣壓試驗(yàn)。另外，集熱器兩端的球連接組件內(nèi)部有用于密封高溫導(dǎo)熱油的粉狀石墨，由于氣體的分子遠(yuǎn)小于液體的分子，在球連接組件中的氣體比導(dǎo)熱油更容易泄漏，因此進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)可能會(huì)有輕微的空氣泄漏，導(dǎo)致試驗(yàn)壓力下降非常緩慢，但球連接組件供貨商美國(guó)Hyspan公司認(rèn)為這是允許的。

注：本文轉(zhuǎn)自《太陽(yáng)能》雜志2022年第1期P72—P76，作者：程興利，供職于中國(guó)電建集團(tuán)核電工程公司。