槽式光熱電廠集熱管彎曲和破損分析

程興利

（中國電建集團核電工程公司，山東濟南 250100）

0 引言

槽式光熱發電雖然是光熱形式中較為成熟的技術，但積累的經驗和技術仍有欠缺，目前可以借鑒和參考的實例不多。國內第一個槽式光熱項目——中廣核德令哈50 MW 槽式光熱太陽島建設實踐中，國外公司技術相對成熟，為太陽島提供了技術支持，但仍遇到一些常規火電廠建設過程中未曾出現的問題。其中很多問題是槽式光熱的獨有特點決定的，例如，集熱管的損壞。

槽式光熱電廠中集熱管約占整個電廠投資成本的7%，是電廠的關鍵部件，對整體效率有著決定性影響。集熱管脆弱和敏感，承受著溫度變化和機械應力，極易導致彎曲或破損，因此有必要分析其彎曲和破損的原因。

1 集熱管彎曲和破損對集熱器性能的影響

在槽式光熱中，集熱器可以認為是一個大型精密光學設備。為高效利用太陽輻射，對集熱管的光學和機械性能要求很高。集熱器與其他組件和現場的具體特性一起決定了電廠性能。集熱器的效率由光學效率和熱效率組成，這兩個相對獨立的參數中，熱效率以集熱管單位長度的熱損失表征，光學效率描述的是太陽輻射在集熱管中轉換成熱能時產生的光學損失。影響光學效率的因素很多，很大程度上取決于集熱器的幾何形狀精度，因此要求鏡面形狀盡量符合理想拋物線形狀，集熱管盡量位于理想焦點位置。

1.1 集熱管彎曲的影響

集熱管的彎曲降低了集熱器的攔截率。攔截率是被集熱管攔截到的反射輻射與總反射輻射的比率，它是對未能被集熱管攔截到的反射輻射損失的量度。導致攔截率下降的因素很多，涉及到集熱器的組件制造、組裝、安裝、調試和運行全過程，其中，集熱管的位置精度是重要參數。這些因素都會導致集熱管產生位置偏差，其中現場安裝后產生的集熱管彎曲難以糾正。

集熱管的位移對攔截率的影響十分敏感，ET-150 型集熱器的一些參數如圖1 所示，集熱器開口寬度5.76 m，焦距1.71 m，邊緣角為80°，安裝有肖特PTR70 集熱管。由于太陽的半光錐角為0.267°，在不考慮入射角影響的情況下，集熱器設計考慮到的光束半擴散角僅為0.42°，超出這一角度范圍的光線都不能被集熱管攔截到，產生光學損失。

圖1 ET-150 集熱器幾何參數

1.2 集熱管破損的影響

集熱管吸收太陽輻射并將熱能轉移到傳熱流體中，其不銹鋼吸熱管與外層玻璃外殼之間的真空阻斷了傳熱流體的對外傳熱。全新肖特PTR70 集熱管在350 ℃時的熱損失通常在150～200 W/m，玻璃管破損后的熱損失達到1000～2000 W/m，是完好集熱管的5～10 倍，且裸露集熱管的吸熱涂層很快會失效。

2 集熱管的彎曲

2.1 重力作用引起的彎曲

重力作用可分為集熱管支座之間的凹陷、支座變形以及不同仰角的自重作用。這類原因會引起集熱管很小程度彎曲，影響不大。

2.2 熱應力引起的彎曲

非連續均勻的光照輻射和傳熱不充分，產生的熱應力會引起吸熱鋼管的殘余應力和永久變形。為使傳熱均勻，太陽島設計時限定了最小流量值。然而在多云天氣下，集熱管的情況變得復雜，云遮云散使太陽輻射急劇變化，集熱器仍處于聚焦位置。反射鏡側的集熱管表面溫度急劇變化，集熱管的周向溫度梯度變得很大，可能產生永久性的彎曲變形。因此，集熱管應設置最高溫升速率限制，在云遮天氣下應提高流量，使系統在較低溫度下運行。

2.3 旋轉膨脹組件引起的彎曲

德令哈項目采用的ET-150 集熱器回路由4 個集熱器構成，每個集熱器兩端設計有旋轉膨脹組件（REPA），以補償集熱器的旋轉和相對其安裝固定點的熱膨脹。位于中間的驅動機構使集熱器每天跟蹤太陽旋轉，旋轉過程中通過端部的集熱管支架帶動REPA 一起旋轉。REPA 還承受集熱管熱膨脹產生的軸向力，REPA 球連接內的石墨密封劑承受的壓力很高，旋轉和擺動阻力矩較大。集熱管的側向抗扭剛性有限，很容易導致集熱管的波浪形彎曲，端部第一根集熱管彎曲程度最大，嚴重時能夠影響到第三根集熱管。目前，這類彎曲在槽式光熱普遍存在，正常情況下不會對系統性能造成大的影響。如果因環境原因或流體惡化產生的固體異物進入密封面或補注密封劑過量，都會導致阻力矩過大，嚴重時可能致使第一根集熱管彎曲超過25 mm，頂抵玻璃外殼，致其破裂。

2.4 其他原因

缺乏對槽式光熱和集熱管結構和原理的認知，疏于遵守操作規范和程序，導致集熱管彎曲的偶然因素。首先，系統初始注油時，為防止集熱管彎曲，應確保傳熱流體與集熱管之間的溫差不超過規定值。盡量避開寒冷季節注油，因為普遍使用的聯苯-聯苯醚導熱油的凝點很高，對其加熱的溫度受到限制，不能超過400 ℃。溫度過高還會導致這類導熱油的氧化降解。其次，集熱管的更換維修操作不當很容易導致其彎曲，一類是放空集熱管的保護，即使位于貯存位置的集熱器，集熱管接收散射輻射的溫度也可能達到150～170 ℃，盡量在無輻射時段維修或用保護膜阻斷輻射，空置隔離的集熱器，誤動作聚焦將導致集熱管的瞬間彎曲；另一類是維修放油不徹底，殘留在球連接中的導熱油凝固，使得球鉸副運動失效，日出后集熱管的膨脹受限，導致彎曲。

3 集熱管外層玻璃管的破碎

集熱管外層玻璃管的破碎有多種原因：①玻璃管制造過程中的原始材料缺陷；②搬運過程中的劃傷和振動；③安裝施工過程中的撞擊和劃傷；④溫度劇烈變化和機械性外力。

槽式電廠壽命期間，玻璃管破碎趨勢如圖2 所示。在安裝、注油和調試階段，破裂的累計數量增加很快。在系統調試之后的一年內仍會有一定破損，此后除非偶然因素，基本很少發生破損現象。國外統計，安裝、注油和調試階段的破裂一般約為2‰～5‰。德令哈項目整個建設期間統計為1.68‰，低于摩洛哥NoorⅠ和NoorⅡ項目。

圖2 槽式電廠壽命期間玻璃管破碎的趨勢

太陽島在正常運行期間仍可能發生集熱管破碎現象，主要原因首先是不正確的接口保溫罩安裝，不銹鋼吸熱管與玻璃管的熔接處是集熱管薄弱部位，未被保護而處于暴曬之下，容易引起集熱管破裂。由于地理位置關系，集熱管北端的破裂概率高于南端；其次，運行期間波紋管不斷伸縮，如果保溫金屬罩與玻璃管接觸將會劃傷玻璃管，運行幾年后會導致玻璃管破裂；再次，前述的集熱管彎曲也可能導致玻璃管的破裂。

4 集熱管的更換

集熱管的彎曲和破損意味著太陽島的熱效率下降，集熱管破裂應該立即更換，集熱管彎曲超過3 mm，其光學損失很大，也應立即更換。但還要從經濟性方面考慮，要根據既有的熱損失和關停回路的發電損失進行衡量，要根據具體的電廠做適當模型分析確定。西班牙電廠一般回路積累到4～5 根時再更換，國內的槽式電廠一般位于西北地區，平均氣溫低于中東和南歐地區，建議積累到2～3 根時，在夏天一起更換為宜。

5 結束語

目前，槽式光熱發電技術處于發展起步階段，可以借鑒的施工和運行維護經驗不多。應充分認識和理解槽式光熱太陽島和集熱器的特點，將集熱器視為一種大型精密光學設備，任何過大的幾何形狀偏差或組件的破壞都嚴重影響其光學效率。疏于嚴格遵守操作規范程序和維護都將導致較大的經濟損失，尤其是在電廠建設階段，應將防止集熱管的破壞作為一項特殊的工作內容來管理，將集熱管的彎曲和破損降到最低程度。