關(guān)于光熱電站導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及需注意問題探討

摘 要：光熱電站作為未來新能源的一個發(fā)展方向，有其他化石燃料電廠不能比擬的優(yōu)勢，將極大的節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境。導(dǎo)熱油系統(tǒng)是光熱電站中的主要傳熱系統(tǒng)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)將太陽場收集的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電，另一方面還負(fù)責(zé)將太陽場收集的多余熱量傳給儲熱系統(tǒng)將熱量儲存起來，在沒有光照的時候再負(fù)責(zé)將儲熱系統(tǒng)的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理對于整個系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。導(dǎo)熱油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要有可靠的膨脹系統(tǒng)并有防凝系統(tǒng)防止低溫凝固，還要有可靠的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)及事故排放系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。文章將為大家分析光熱電站的導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)過程中的需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱油系統(tǒng)；膨脹系統(tǒng)；防凝固；氮?dú)獗Ｗo(hù)；事故排放；建議

1 概述

以化石能源為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)對環(huán)境及氣候變化產(chǎn)生了極大的負(fù)面影響，對經(jīng)濟(jì)和環(huán)境發(fā)展構(gòu)成了極大威脅，并且可供開發(fā)利用的一次性常規(guī)能源儲備已經(jīng)非常有限，從能源安全及可持續(xù)發(fā)展的角度而言，太陽能是解決人類目前所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效方案。光熱電站作為利用太陽能的清潔的可再生能源電站，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，可以減少對化石能源的消耗，減少二氧化碳及其他污染物的排放，改善人類的生活環(huán)境。世界各國均把太陽能熱發(fā)電的商業(yè)化開發(fā)和利用作為未來替代能源重要的發(fā)展方向而加以推動。光熱電站利用太陽的直射光來產(chǎn)生熱能，導(dǎo)熱油系統(tǒng)將太陽場收集的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生高溫蒸汽來推動汽輪機(jī)發(fā)電。光熱電站利用液態(tài)導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)將太陽場收集到的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的給水產(chǎn)生蒸汽和另一方面將多余的熱量傳給儲熱系統(tǒng)的熔融鹽儲存起來，夜間將熔鹽系統(tǒng)的熱量再傳給給水產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。光熱電站用的導(dǎo)熱油泄露性極強(qiáng)，高溫導(dǎo)熱油泄露后會閃蒸形成高溫導(dǎo)熱油蒸汽，遇明火會引起燃燒爆炸，造成事故。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到整個電站系統(tǒng)是否能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以避免系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不必要的事故，保證電站的安全穩(wěn)定，延遲導(dǎo)熱油及系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的使用壽命。下面我將介紹光熱電站的導(dǎo)熱油系統(tǒng)中主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)過程中需注意的問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案介紹

光熱電站用的導(dǎo)熱油的成分為聯(lián)苯26.5%和聯(lián)苯醚73.5%，最高允許使用溫度為400℃，最高允許液膜溫度為425℃，結(jié)晶點(diǎn)為12℃，閃點(diǎn)為124℃，燃點(diǎn)為127℃，常態(tài)沸點(diǎn)為257℃。

光熱電站的導(dǎo)熱油系統(tǒng)包括導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)、氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、動力循環(huán)系統(tǒng)、事故排放系統(tǒng)、防凝固系統(tǒng)、導(dǎo)熱油過濾系統(tǒng)。

2.1 導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)

導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)的作用主要是吸收導(dǎo)熱油升溫后膨脹的容積及在初始煮油階段進(jìn)行排氣。根據(jù)所使用的導(dǎo)熱油物性及操作溫度，系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油可能膨脹到比原體積多25%以上；另外導(dǎo)熱油膨脹箱安裝在系統(tǒng)的最高點(diǎn)，可以用作排放導(dǎo)熱油中聚集的過量低沸物及水蒸汽的主要排氣口；另外導(dǎo)熱油系統(tǒng)上接有氮?dú)夤艿揽梢詫?dǎo)熱油系統(tǒng)進(jìn)行定壓，防止高溫導(dǎo)熱油氣化；當(dāng)系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油不足時，導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)可以用來對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)油。導(dǎo)熱油膨脹箱安裝在最高點(diǎn)可以對導(dǎo)熱油循環(huán)泵入口產(chǎn)生一個正壓頭，避免產(chǎn)生汽蝕，從而使循環(huán)泵能夠穩(wěn)定連續(xù)的運(yùn)行。

導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)由導(dǎo)熱油膨脹箱，導(dǎo)熱油膨脹管，導(dǎo)熱油循環(huán)管，溢流油管道，以及膨脹箱上部設(shè)置的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，及緊急排放系統(tǒng)組成。

為了使系統(tǒng)能達(dá)到最佳的運(yùn)行效果，導(dǎo)熱油膨脹箱的設(shè)計(jì)考慮以下基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

（1）膨脹箱容積計(jì)算

膨脹箱要考慮容納系統(tǒng)中全部導(dǎo)熱油膨脹后增加的膨脹量△V，并且還要留有一定的容積余量△VR，這樣在系統(tǒng)正常運(yùn)行時可以使膨脹箱內(nèi)留有一定的氮?dú)饪臻g，可以通過氮?dú)舛▔罕ＷC系統(tǒng)的導(dǎo)熱油不發(fā)生氣化。按照DIN4754規(guī)定，容積小于1000L（含1000L）的裝置，膨脹量定為系統(tǒng)中所有導(dǎo)熱油從初始狀態(tài)到達(dá)到最高溫度下膨脹體積的1.5倍；而容積大于1000L的裝置定義為1.3倍。

膨脹箱的體積V=△Vm+△V+△VR（△Vm為最低填充液位狀態(tài)下的體積）。

另外導(dǎo)熱油膨脹箱上面設(shè)有溢流油管道，當(dāng)膨脹箱中的導(dǎo)熱油膨脹過多超過膨脹箱的最高液位時，導(dǎo)熱油通過溢流油管道排放至導(dǎo)熱油溢流油罐中。

導(dǎo)熱油的溢流油管道也可以作為聯(lián)通管，使導(dǎo)熱油膨脹箱和溢流油罐中的壓力保持一致，避免溢流油罐中的導(dǎo)熱油氣化。

（2）膨脹箱上膨脹管和循環(huán)管及閥門的設(shè)計(jì)

導(dǎo)熱油膨脹箱下面接有一根膨脹管、一根循環(huán)管。膨脹管的作用為滿足流體膨脹的需要，膨脹管不設(shè)置閥門，這是因?yàn)榉乐褂腥苏`操作將閥門關(guān)閉，導(dǎo)則系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油體積膨脹后不能進(jìn)入膨脹箱而發(fā)生事故。

由于水壓試驗(yàn)或施工期間管道系統(tǒng)中可能產(chǎn)生冷凝水不能排放干凈，系統(tǒng)開車期間這些水分必須去除，否則導(dǎo)熱油泵將產(chǎn)生汽蝕。為了排除導(dǎo)熱油系統(tǒng)內(nèi)的水蒸汽，在系統(tǒng)初始啟動時需要進(jìn)行煮油，在膨脹箱下面接了一根循環(huán)管與導(dǎo)熱油主管連接，當(dāng)系統(tǒng)注完油之后煮油排汽時將循環(huán)管的閥門打開，將導(dǎo)熱油主管路上循環(huán)管和膨脹管之間的閥門關(guān)閉，導(dǎo)熱油將全部通過膨脹箱進(jìn)行流通，系統(tǒng)逐步升溫到149℃～177℃，將系統(tǒng)中的水蒸氣通過膨脹箱收集并排放掉。當(dāng)排氣完成后將循環(huán)管的閥門關(guān)閉，將導(dǎo)熱油主管路上循環(huán)管和膨脹管之間的閥門打開。當(dāng)系統(tǒng)中有低沸點(diǎn)油氣聚集時，也按此方法進(jìn)行排氣。

膨脹箱上面的儀表設(shè)置如下：通常與傳熱系統(tǒng)其他部分一樣，在膨脹箱上面設(shè)置有高低位液壓報(bào)警器，當(dāng)導(dǎo)熱油系統(tǒng)發(fā)生泄漏事故時，膨脹箱液位降低，與報(bào)警器相連接的低位切換開關(guān)將自動關(guān)閉加熱器和導(dǎo)熱油泵并進(jìn)行報(bào)警。在導(dǎo)熱油膨脹箱上面還設(shè)有溫度計(jì)和壓力表。當(dāng)冬天膨脹箱中的導(dǎo)熱油溫度過低時，導(dǎo)熱油系統(tǒng)將報(bào)警，這時需要打開循環(huán)管上的閥門，使系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油在膨脹箱中進(jìn)行循環(huán)加熱膨脹箱里面的導(dǎo)熱油防止其凝固。

2.2 氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)

由于高溫的導(dǎo)熱油和空氣接觸會發(fā)生氧化，導(dǎo)熱油的氧化會引起固體不溶物的生成和結(jié)垢，他們使傳熱效率降低并會破壞導(dǎo)熱油泵的機(jī)械密封功能，不溶物的形成速率取決于導(dǎo)熱油暴露在空氣中的時間和溫度。通常在傳熱系統(tǒng)中，滲入系統(tǒng)的空氣主要來源于導(dǎo)熱油膨脹箱。

為了使系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油氧化程度降到最低，我們采用了用氮?dú)獗Ｗo(hù)的方案，氮?dú)獾膲毫υ?.3MPa左右，氮?dú)庖环矫鎸?dǎo)熱油與空氣隔絕防止導(dǎo)熱油被氧化，另一方面氮?dú)饪梢员ＷC系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油在高溫狀態(tài)下不會氣化。本項(xiàng)目的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為在膨脹箱上部接上氮?dú)夤艿琅c氮?dú)饣炝髋胚B接。氮?dú)夤艿郎显O(shè)置自力式調(diào)節(jié)閥，來調(diào)節(jié)膨脹箱里面氮?dú)獾膲毫Α．?dāng)膨脹箱中的氮?dú)鈮毫档蜁r，自立式調(diào)節(jié)閥會自動打開向膨脹箱中沖入氮?dú)狻?/p>

另外膨脹箱上中還設(shè)有排氣管道，排氣管道與事故油池連接，排氣管道上也設(shè)有自力式調(diào)節(jié)閥，當(dāng)膨脹箱內(nèi)的壓力過大時，調(diào)壓閥會自動打開，排放一部分氮?dú)鈦硇箟骸?/p>

2.3 動力循環(huán)系統(tǒng)

導(dǎo)熱油系統(tǒng)中設(shè)置了三臺臥式多級離心泵，兩臺運(yùn)行一臺備用。導(dǎo)熱油泵布置在0m，導(dǎo)熱油從膨脹箱中出來后先經(jīng)過導(dǎo)熱油泵入口的過濾器，然后再進(jìn)入導(dǎo)熱油泵，此過濾器設(shè)置是為了過濾系統(tǒng)中的固體雜物，以免損壞油泵。導(dǎo)熱油從導(dǎo)熱油泵出口出來后經(jīng)過導(dǎo)熱油母管進(jìn)入太陽場進(jìn)行加熱。在導(dǎo)熱油泵出口至太陽場的管道上設(shè)有逆止閥和調(diào)節(jié)閥，逆止閥防止導(dǎo)熱油發(fā)生倒流，調(diào)節(jié)閥用量調(diào)節(jié)進(jìn)入太陽場的導(dǎo)熱油的流量，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油的流量來控制太陽場出口導(dǎo)熱油的溫度為恒定的393℃。

從太陽場出來后的導(dǎo)熱油分成三路，一路進(jìn)入儲熱系統(tǒng)，一路進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，還有一路旁路系統(tǒng)，可以不進(jìn)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)直接回到導(dǎo)熱油循環(huán)泵的入口，這一路的主要作用為導(dǎo)熱油初始升溫狀態(tài)時不經(jīng)過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)循環(huán)。

從太陽場出來的導(dǎo)熱油管道經(jīng)過導(dǎo)熱油母管在進(jìn)入儲熱系統(tǒng)的管路上設(shè)有調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入儲熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱油的流量；在從太陽場出來進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的管路上也設(shè)有調(diào)節(jié)閥，這個調(diào)節(jié)閥用量調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的導(dǎo)熱油的流量。在進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的入口管道上設(shè)有一根聯(lián)絡(luò)管，這根管道作用是在沒有光照的狀態(tài)下由儲熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量來加熱導(dǎo)熱油然后進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的給水產(chǎn)生蒸汽。

光熱項(xiàng)目導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)用的導(dǎo)熱油泵為臥式多級離心泵，由于VP-1這種導(dǎo)熱油滲透性極強(qiáng)，特別容易泄露，考慮到導(dǎo)熱油介質(zhì)泄漏到空氣中易燃易爆，且對人體皮膚有害，故此泵采用密封系統(tǒng)為雙端面機(jī)械密封沖洗方案，該機(jī)械密封選取常溫的油為外部隔離液，外部隔離液容器向密封腔內(nèi)提供常溫的油，隔離液（常溫油）通過泵內(nèi)部的泵送環(huán)在泵密封系統(tǒng)內(nèi)自循環(huán)。當(dāng)隔離液內(nèi)部循環(huán)的壓力小于泵入口壓力1.0～1.3MPa時，外部隔離液通過一氣囊自動加壓，啟動隔離液手動補(bǔ)液泵，直到加壓到大于所要密封的流程流體壓力，外部隔離液容器停止加壓。該密封方案兩個機(jī)械密封為背對背布置。

2.4 事故排放系統(tǒng)

當(dāng)導(dǎo)熱油系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)熱油系統(tǒng)的導(dǎo)熱油泵、過濾器、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備或管道發(fā)生泄露時，由于保溫層的虹吸作用從設(shè)備、管道、閥門或接頭處泄露的導(dǎo)熱油會浸入保溫層，從而造成潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)，在這種狀況下，保溫材料處于高溫，容易形成自燃而引起火災(zāi)。另外導(dǎo)熱油如果泄露到空氣中，高溫的導(dǎo)熱油會氣化與冷空氣接觸發(fā)生凝結(jié)，形成由小液滴組成的氣霧，在空氣中這種可燃介質(zhì)達(dá)到一定濃度后遇火就會燃燒。這種氣霧如果在封閉的空間內(nèi)燃燒時會發(fā)生爆炸。因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上要杜絕一些潛在的危險(xiǎn)。

現(xiàn)場導(dǎo)熱油系統(tǒng)發(fā)生事故后，可以通過事故排放系統(tǒng)將導(dǎo)熱油排放至安全地點(diǎn)（事故油池）。事故排放系統(tǒng)設(shè)置了一個事故油池，導(dǎo)熱油膨脹箱與溢流油罐排油管道均可排至事故油池，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或泄漏時，系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)熱油可以直接排放到低位的溢流油罐中，溢流油罐可以容納系統(tǒng)管道及設(shè)備中所有的導(dǎo)熱油，當(dāng)溢流油罐發(fā)生事故或著火時，可以將溢流油罐中的油緊急排放至低位的事故油池中。

由于VP-1導(dǎo)熱油對人體有害，導(dǎo)熱油膨脹箱和溢流油罐上的安全閥排放也不能對空直接排放，安全閥排放管道也接至事故油池，在事故油池入口設(shè)有一組油水冷卻器用來冷卻系統(tǒng)中排放的導(dǎo)熱油，使系統(tǒng)的導(dǎo)熱油在排放時不發(fā)生氣化。

2.5 防凝固系統(tǒng)

導(dǎo)熱油在12℃時會發(fā)生凝固，為了防止低溫下導(dǎo)熱油凝固在系統(tǒng)的管道中，在系統(tǒng)中設(shè)置了一臺燃燒天然氣的導(dǎo)熱油加熱爐和兩臺防凝泵（一臺運(yùn)行一臺備用），因?yàn)榉滥昧髁啃】梢圆捎闷帘伪?，屏蔽泵是一種無軸封泵，泵和驅(qū)動電機(jī)都被密封在一個被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi)，此壓力容器只有靜密封，并由一個電線組來提供旋轉(zhuǎn)磁場并驅(qū)動轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置，故能做到完全無泄漏。防凝系統(tǒng)可以在夜間太陽場沒有熱量來源的狀況下對系統(tǒng)中的導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，防止其凝固。

2.6 導(dǎo)熱油過濾系統(tǒng)

由于導(dǎo)熱油循環(huán)過程中由于超溫會形成淤渣，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中管網(wǎng)也會有金屬氧化物等脫落，這些污染物會引起循環(huán)泵軸封泄露、閥桿磨損、管路堵塞、有時還會引起換熱器表面結(jié)垢。所以在導(dǎo)熱油系統(tǒng)中設(shè)置了一條分流過濾旁路系統(tǒng)，此旁路與導(dǎo)熱油循環(huán)泵并聯(lián)，過濾過濾旁路采用玻璃纖維纏繞過濾器，因?yàn)樗梢猿惺?00℃介質(zhì)溫度，并且有良好的納垢能力。過濾器前后設(shè)置截止閥，并在過濾器前后設(shè)置壓差測量裝置，當(dāng)壓差測量裝置檢測到過濾器進(jìn)出口壓差過大時，更換濾網(wǎng)。

導(dǎo)熱油膨脹系統(tǒng)、氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)、事故排放系統(tǒng)如圖1所示。

導(dǎo)熱油動力循環(huán)系統(tǒng)、防凝系統(tǒng)及過濾系統(tǒng)如圖2所示。

3 結(jié)束語

導(dǎo)熱油傳熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要有合理的膨脹系統(tǒng)保證任何時候在高溫狀態(tài)下導(dǎo)熱油體積膨脹后系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠及低溫狀態(tài)下導(dǎo)熱油體積減小系統(tǒng)不會缺油。導(dǎo)熱油系統(tǒng)要設(shè)計(jì)可靠的氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)防止導(dǎo)熱油與空氣直接接觸氧化變質(zhì)。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的管線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證導(dǎo)熱油事故排放系統(tǒng)在事故狀態(tài)下可以順利將油排放至事故油池。導(dǎo)熱油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要設(shè)計(jì)可靠的防凝系統(tǒng)保證任何位置的導(dǎo)熱油都不能發(fā)生低溫凝固現(xiàn)象。導(dǎo)熱油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要考慮合理的過濾系統(tǒng)保證系統(tǒng)中的污垢可以及時過濾掉。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足工藝使用要求的同時，一定要注意安全可靠。

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作者簡介：趙慎儉（1983-），男，河北晉州人，中廣核太陽能開發(fā)有限公司公司設(shè)計(jì)管理部技術(shù)經(jīng)理，中級工程師。