太陽能槽式吸熱管的可靠性分析

■ 劉元元 陳洪晶 劉春喜

(1.皇明太陽能股份有限公司技術(shù)中心；2.山東勝寧電器有限公司研發(fā)部)

0 引言

全球范圍來看，從美國到歐洲，太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展迅速，很多大型電站已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，而國內(nèi)太陽能熱發(fā)電起步較晚。近幾年，國家對(duì)太陽能熱發(fā)電技術(shù)越來越重視，《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，要積極推動(dòng)太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，2020年，太陽能熱發(fā)電規(guī)模要達(dá)到500萬kW[1]；2016年9月14日，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》[2]，共20個(gè)項(xiàng)目入選我國首批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，總裝機(jī)量約為1.35 GW，包括9個(gè)塔式熱發(fā)電站、7個(gè)槽式熱發(fā)電站和4個(gè)菲涅爾熱發(fā)電站，其中，槽式熱發(fā)電站占很大比重。

槽式太陽能熱發(fā)電是利用槽式聚光鏡將太陽光聚在一條線上，在這條線上安裝吸熱管，吸收太陽能并對(duì)傳熱工質(zhì)進(jìn)行加熱，再借助蒸汽的動(dòng)力循環(huán)發(fā)電。槽式吸熱管是將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿暮诵牟考?，其熱性能和結(jié)構(gòu)可靠性將直接決定整個(gè)槽式熱發(fā)電站的熱效率和經(jīng)濟(jì)成本。從國際商業(yè)化的槽式太陽能熱發(fā)電站運(yùn)行和維護(hù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，吸熱管真空失效和破損是造成太陽能熱發(fā)電站經(jīng)濟(jì)損失的最主要因素。吸熱管真空失效和破損需要及時(shí)更換，以免影響電站運(yùn)行，會(huì)大幅提高電站的維護(hù)成本，降低整個(gè)電站的經(jīng)濟(jì)性。因此，從太陽能熱發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性考慮，提高吸熱管的可靠性至關(guān)重要，本文對(duì)槽式吸熱管的質(zhì)量控制、直線度變化規(guī)律、焊接應(yīng)力等多方面進(jìn)行了分析。

1 槽式吸熱管的質(zhì)量控制

對(duì)于槽式吸熱管的質(zhì)量控制，主要檢測(cè)吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的同軸度及其隨溫度變化的情況，如圖1所示。將吸熱管水平放置在測(cè)試臺(tái)架上，兩端用滾輪支撐吸熱管端部漏出的鋼管部分，借用高度尺、激光筆和激光接收靶測(cè)試外玻璃管與內(nèi)金屬管之間的間隙大小，在常溫和加熱到400 ℃后分別進(jìn)行測(cè)試。外玻璃管與內(nèi)金屬管之間間隙的理論值為20 mm，實(shí)測(cè)間隙值的變化代表同軸度偏差值，用ΔL表示。加熱前后外玻璃管與內(nèi)金屬管之間間隙的數(shù)值變化規(guī)律如圖2所示。

圖1 吸熱管同軸度測(cè)試

圖2 吸熱管加熱前后間隙變化規(guī)律

從圖2可以看出，吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的ΔL≤5 mm。此外，吸熱管在經(jīng)過400 ℃的高溫加熱后，ΔL變化值有正有負(fù)且絕對(duì)值很小，最大僅為0.9 mm。因此可以認(rèn)為，400 ℃以內(nèi)，不同溫度對(duì)吸熱管同軸度的影響可忽略不計(jì)。

2 吸熱管直線度的變化規(guī)律

吸熱管直線度是指吸熱管水平放置時(shí)，吸熱管軸線水平方向的偏移量。每根吸熱管長(zhǎng)度約4 m，一組集熱器陣列需要多根吸熱管焊接。理論上，吸熱管需安裝在一條直線上；但在實(shí)際運(yùn)行過程中，因吸熱管隨溫度變化軸向伸縮，單根吸熱管升溫400 ℃后伸長(zhǎng)量為26 mm，每根吸熱管焊接處通過吸熱管支撐固定。吸熱管軸向伸縮引起吸熱管支撐位置的變化如圖3所示，吸熱管常溫安裝時(shí)，吸熱管支撐擺動(dòng)一定角度c，支撐中心點(diǎn)高度為b1；吸熱管升溫至200 ℃，吸熱管支撐擺動(dòng)至豎直位置，支撐中心點(diǎn)高度為b2；吸熱管升溫至400 ℃時(shí)，吸熱管支撐向反方向擺動(dòng)角度c，支撐中心點(diǎn)高度為b3。吸熱管支撐位置變化規(guī)律如表1所示，吸熱管軸向伸縮造成吸熱管支撐隨固定點(diǎn)擺動(dòng)，吸熱管支撐中心點(diǎn)高度也發(fā)生變化，從1561.0降至1553.2 mm，高差約為8 mm。所以，同一陣列吸熱管直線度變化為8 mm。

圖3 吸熱管支撐位置變化示意圖

3 吸熱管焊接應(yīng)力的變形分析

一組集熱器陣列需要多根吸熱管“管管”對(duì)焊，為分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)吸熱管變形的影響，選用不同方式焊接樣管并進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，得出測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由測(cè)試數(shù)據(jù)得出結(jié)論，手工焊管一端自由的焊接方式，因?yàn)橛凶冃慰臻g，所以焊接殘余應(yīng)力值較低；兩端約束的焊接方式，因?yàn)樽冃慰臻g減少，所以焊接殘余應(yīng)力值較高。自動(dòng)焊管精度高，殘余應(yīng)力值較小。手工焊管經(jīng)焊接應(yīng)力消除后，殘余拉應(yīng)力均變成殘余壓應(yīng)力。未處理的工件焊縫的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，而拉應(yīng)力是個(gè)不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)，在工件受到荷載時(shí)，如果荷載與殘余應(yīng)力疊加超過材料屈服極限，就會(huì)造成殘余應(yīng)力釋放而變形。

表1 吸熱管支撐位置變化規(guī)律

表2 吸熱管焊接應(yīng)力測(cè)試

4 結(jié)論

太陽能槽式吸熱管的可靠性受多種因素的影響：1)吸熱管外玻璃管與內(nèi)金屬管的同軸度及其隨溫度變化情況的出廠質(zhì)量控制；2)吸熱管直線度變化規(guī)律，吸熱管軸向伸縮造成吸熱管支撐隨固定點(diǎn)擺動(dòng)，吸熱管支撐中心點(diǎn)高度也發(fā)生變化；3)一組集熱器陣列的多根吸熱管“管管”對(duì)焊后，存在焊接殘余應(yīng)力，在工件受到荷載時(shí)， 如果荷載與殘余應(yīng)力疊加超過材料的屈服極限，就會(huì)造成殘余應(yīng)力釋放而變形。