太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)安全風險初探

賈 超，王繼琳，曾 輝，張曉利，潘 建

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

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太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)安全風險初探

賈 超1，王繼琳1，曾 輝1，張曉利2，潘 建2

(1.水電水利規(guī)劃設計總院，北京 100120；
2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

〔摘 要〕介紹了太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)分類，從集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等方面對其進行安全風險分析，指出各種類型光熱發(fā)電系統(tǒng)的安全風險源，并提出了相關措施和建議，為太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的設計、安裝和運行等提供了參考。

〔關鍵詞〕太陽能；光熱發(fā)電；安全評估；風險分析

0　引言

太陽能發(fā)電一般分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電2種類型。光熱發(fā)電也稱為聚焦型太陽能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，CSP)，其工作過程為:利用鏡面反射將太陽能的熱量聚集，吸熱器吸收熱量，產生水工質的高溫高壓蒸汽或其他高品質工質，并按常規(guī)方式驅動熱機裝置，帶動發(fā)電機發(fā)電。太陽能光熱發(fā)電，可以將多余的能量以熱量形式儲存，按照調度要求，調配熱量的儲存和釋放，在很大程度上解決了如風力發(fā)電、光伏發(fā)電類自然能源非穩(wěn)定、難預測的并網難題。此外，太陽能光熱發(fā)電站也可以和傳統(tǒng)的化石能源聯合循環(huán)而混合發(fā)電，既清潔又可實現調峰；和常規(guī)光伏電站相比，其供電質量、供電時長及發(fā)電效率都有明顯優(yōu)勢。

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)一般由集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。隨著我國光熱電價制度的落實和建設成本的降低，光熱發(fā)電系統(tǒng)的建設會逐步加快。光熱發(fā)電形式的多樣性、復雜性以及發(fā)電過程多處于高溫高壓的運行環(huán)境等因素，決定了其安全問題必須受到重視。另外，采用槽式導熱油介質的太陽能光熱發(fā)電站，其導熱油系統(tǒng)遍布整個廠區(qū)，潛在危險性比火電站大很多。

1　集熱系統(tǒng)

按集熱系統(tǒng)的不同，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式等類型。

1.1塔式集熱系統(tǒng)

塔式集熱系統(tǒng)又稱集中型系統(tǒng)，其集熱系統(tǒng)由數以千計帶有雙軸太陽追蹤系統(tǒng)的平面鏡(稱為定日鏡)和1座(或數座)中央集熱塔構成。每個定日鏡都有獨立的跟蹤系統(tǒng)，可單軸跟蹤也可雙軸跟蹤，可開環(huán)控制也可閉環(huán)控制；但都需要將太陽光反射到集熱塔的接收器上，如圖1所示。定日鏡的遠距離跟蹤是個技術難題，定日鏡的任何微小傳動間隙都將造成反射光線不能照到集熱器上；尤其在風力的推動下，光斑的晃動會造成聚焦點溫度嚴重不均勻。

圖1　塔式集熱系統(tǒng)

集熱塔上的接收器相當于火電廠的鍋爐，可接收來自鏡場的熱量；接收器分為間接照射和直接照射2種。間接照射接收器先利用太陽能加熱受熱面，再通過受熱壁面將熱量向介質傳遞。管狀接收器就屬于這一種類型，其工作溫度一般在500 ℃以上；由于光斑的晃動和其他外力的干擾，會造成溫度場的非均勻，導致加熱介質泄漏及吸熱器燒毀。

集熱塔上的接收器一般設置預熱器、蒸發(fā)器及再熱器，以提高工作效率。接收器對介質的流動性要求較高，如發(fā)現介質缺少或介質未循環(huán)流動，應立即啟動保護措施，調整鏡場角度或隔離接收器，避免接收器過熱，造成熱介質泄漏和吸熱器燒毀。

集熱塔上部的工作溫度較高，應制定嚴格的操作規(guī)范，禁止在接收器工作時登塔。塔式集熱系統(tǒng)對供電的可靠性要求很高，一旦定日鏡失電，其形成的光斑將不再受控，產生的高溫足以給塔架及其他受熱物帶來致命傷害。另外，成千上萬面鏡子也容易使人產生光盲等傷害。

1.2槽式集熱系統(tǒng)

槽式集熱系統(tǒng)(見圖2)由多個槽型拋物面聚光集熱器經串并聯組合而成，槽型拋物面焦點即為集熱管所在位置。槽型拋物面也需跟蹤系統(tǒng)，隨太陽轉動；槽式集熱系統(tǒng)對傳動系統(tǒng)的精準度和抗風性有很高的要求。

圖2　槽式集熱系統(tǒng)

槽式集熱系統(tǒng)的危險點在于吸熱管的破碎以及集熱管兩邊的轉軸處，前者由于熱流密度的非均勻性造成非均勻的溫度場，從而會產生較大的應力；后者由于吸熱管需要隨拋物面旋轉，集熱管中的高溫傳導物質一旦泄漏，其自身溫度即可引燃造成火災。槽式集熱系統(tǒng)一旦失電，將會造成集熱管超溫，其介質可能發(fā)生化學分解等反應，影響安全運行。

1.3碟式集熱系統(tǒng)

碟式集熱系統(tǒng)(見圖3)由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，是相互獨立的拋物面反射結構，其聚光比可達3 000以上，發(fā)電效率高，但單機容量小、造價高；聚光比較高，存在超溫的可能性。

圖3　碟式集熱系統(tǒng)

1.4菲涅爾式集熱系統(tǒng)

菲涅爾式集熱系統(tǒng)(見圖4)由槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)衍生而來，由2組對稱的菲涅爾結構的鏡面及固定的集熱管組成，鏡面結構的控制相對簡單，集熱管的安裝與維護相比槽式簡單，效率略低。由于該系統(tǒng)熱流密度的非均勻性會造成溫度場的非均勻性，可能造成較大的應力損傷，易引發(fā)吸熱管破碎。

圖4　菲涅爾式集熱系統(tǒng)

2　蓄熱系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于可儲存熱能，把太陽能發(fā)電系統(tǒng)的間歇性變平滑，并能參與電力系統(tǒng)的調峰。太陽能蓄熱技術按照儲能方式的不同，可分為潛熱蓄熱、化學反應蓄熱和顯熱蓄熱3種。前2種還處于中試或實驗室階段，而顯熱蓄熱，尤其是液體顯熱蓄熱已被廣泛應用，如二元熔鹽和三元熔鹽等，合成油由于比熱容小、存儲熱量少，應用不多。

熔融鹽是鹽的熔融態(tài)液體，導熱系數大、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性較好，與金屬容器的相容性好，溫度在300-1 000 ℃，與高溫高壓蒸汽輪機的工作溫度相匹配；在常壓下是液態(tài)，不易燃燒，價格較低；但熔鹽凝固點太高，在130-230 ℃，所以必須對相關設備和系統(tǒng)進行保溫、預熱和伴熱等操作。

高溫分解和腐蝕問題是熔鹽的主要缺點。三元鹽的凝固點相對較低，但當溫度高于540 ℃時，熱分解、氧化會引起三元鹽中亞硝酸鹽組分含量降低，從而使得熔鹽熔點上升，易引起各種運行故障。多元鹽腐蝕性嚴重，會在容器表面結殼，給穩(wěn)定運行帶來困難。熔鹽中的KNO3是制作炸藥的原料之一，應加強備料管理。

蓄熱系統(tǒng)又分單罐和雙罐蓄熱系統(tǒng)。由于單罐蓄熱系統(tǒng)注入和出料結構復雜，傳熱、隔熱措施復雜，未廣泛采用。雙罐蓄熱系統(tǒng)一般由冷鹽罐、熱鹽罐、預熱器、蒸汽發(fā)生器、蒸汽過熱器等組成。熔融鹽的致命缺點是熔點高、運行溫度高、腐蝕性大，由此帶來爆炸、凍堵等一系列安全問題。因此在系統(tǒng)運行中，必須重點關注防凍堵及輔助設備加熱等問題。

3　 換熱系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)主要涉及換熱介質的選擇，不同的換熱介質，其工作原理大不相同。換熱介質主要包括水、導熱油、熔融鹽、空氣等。

(1)作為可靠的換熱工作介質，水在集熱管中直接轉變?yōu)檫^熱蒸汽(500 ℃以上)進入汽輪發(fā)電機組發(fā)電。因不需要熱交換設備，不僅減少了換熱損失，且可簡化系統(tǒng)；但需解決水在蒸發(fā)段中存在汽水兩相流等技術問題。

(2)導熱油作為換熱介質，在高于沸騰溫度運行時，因為高溫高壓油霧與空氣形成爆炸性混合物，易對環(huán)境產生安全風險，故需用氮、氬等惰性氣體加壓，即必須用無氧氣層包覆。導熱油VP-1工作溫度不得超過395 ℃，否則將產生裂解，使其工作性能迅速降低。導熱油的比熱容小，用于儲熱需大量的導熱油，要建設相當體積的壓力罐，建設成本較高。采用導熱油做換熱介質，一般用熔融鹽來蓄熱；但蓄熱系統(tǒng)復雜，可靠性和安全性低，換熱效率下降，且油溫上限為400 ℃，難以發(fā)揮熔融鹽高溫儲熱的優(yōu)勢。

(3)采用熔融鹽為傳熱介質，并兼作蓄熱介質，取消了導熱油系統(tǒng)，且可以把蒸汽溫度從350 ℃提高至510 ℃以上。但熔融鹽的凝固點很高，使融熔鹽在裝料、流動和切換過程存在溫度下降凍結的風險。在運行過程中，一旦設備失去動力，熔液冷卻凝固后將會導致重大事故。

(4)以空氣為介質的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，吸熱器可采用多孔陶瓷；陶瓷介質吸收聚集的太陽能，并通過抽吸周圍的空氣，從而帶走熱量?？諝饪杀患訜嶂?00 ℃以上再進入燃氣輪機，在燃氣燃燒時放熱；或者進入鍋爐加熱水，形成蒸汽發(fā)電。空氣加熱的溫度高，電站效率也較高；但空氣換熱器難以做大，蓄熱量少，維護困難。

4　 輔熱系統(tǒng)

在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，輔熱系統(tǒng)是普遍存在的。輔熱系統(tǒng)可給水蒸氣輔助加熱，提高發(fā)電效率；可在陽光不足的情況下，為系統(tǒng)提供備用能源；可對管道進行預熱和補熱，預防熔融鹽凝固；可對熔融鹽罐循環(huán)加熱，避免罐內熔融鹽凝固。輔熱系統(tǒng)對于太陽能光熱發(fā)電的安全十分重要。

輔熱系統(tǒng)一般分為電加熱、天然氣加熱和油加熱等方式。電加熱相對安全，但耗電量大而不經濟，且易引起局部超溫，使熔融鹽起化學分解反應而失效；天然氣加熱需貯存大量天然氣(有天然氣管道的除外)，其儲罐對電站而言是較大危險源；而油加熱時，油同樣是一種危險源。

5　 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)由熱機和發(fā)電機等設備組成。熱機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質汽輪機、斯特林發(fā)動機等。大型光熱發(fā)電系統(tǒng)的溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可使用常規(guī)汽輪機；當工作溫度在800 ℃以上時，可選用燃氣輪機；對于小功率或低溫光熱發(fā)電系統(tǒng)，則選用低沸點工質汽輪機或斯特林發(fā)動機。

采用汽輪機及燃氣輪機作為熱機，其安全風險與常規(guī)火電和燃氣輪機發(fā)電類似；斯特林機在運行期間，氫氣損耗較多(氫氣是重大危險源)。

6　 其他風險防范

(1)選址。目前，我國已建和規(guī)劃的太陽能光熱發(fā)電站大多位于西部陽光充裕地區(qū)，能滿足電站對占地的要求，但所處區(qū)域自然條件惡劣，大多風沙較大、海拔較高，周邊配套設施不完善。為保障光熱電站的長期、安全運行，在工程選址上應關注地形、地貌、供水、交通等條件，重視工程的防洪防澇、防震及防地質災害等措施。

(2)危險源辨識。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的介質對太陽能光熱發(fā)電站的安全性有著重要影響，導熱油、熔融鹽等重大危險源給廠區(qū)帶來巨大安全隱患。一旦高溫高壓介質發(fā)生泄漏，不僅損害設備，還對人員和環(huán)境帶來巨大的危害。因此，必須根據GB18218—2009《危險化學品重大危險源辨識》進行辨識與防范。

(3)可靠的備用電源。鑒于太陽能光熱發(fā)電站獨特運行方式對供電可靠性的極高要求，塔式集熱系統(tǒng)、熔融鹽防凝固系統(tǒng)均需要可靠的備用電源。但光熱電站一般位于網架末端，電網較脆弱、供電可靠性不高，故應配備可靠的備用電源，以防突然失電造成重大損失。

7　 結束語

太陽能光熱發(fā)電站占地面積大，危險源多，集熱、傳熱、蓄熱系統(tǒng)控制復雜，對現場維護人員提出了極高的要求。發(fā)電站應做好運維人員的安全培訓和管理工作，按質按量發(fā)放勞動防護用品，做好相關應急預案。建設單位應遵守相關安全法律法規(guī)，按時開展安全設施“三同時”工作，重視安全預評價、安全設施設計專篇、安全驗收評價的相關建議和結論，排查安全隱患，建設本質型安全工程。

隨著光熱電價的出臺和建設成本的不斷下降，我國電力市場必將迎來光熱發(fā)電大的發(fā)展。為此，應開展充分調研，深入了解不同光熱發(fā)電形式的風險及安全要求，做好光熱發(fā)電的安全工作。

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賈 超(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運行工作，email：125798722@qq.com。

王繼琳(1982-)，女，高級工程師，主要從事可再生能源安全運行。

曾 輝(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運行。

張曉利(1979-)，男，高級工程師，主要從事水電安全評價工作。

潘 建(1981-)，男，高級工程師，主要從事水電安全評價工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-09-28。