塔式光熱電站熔鹽吸熱器安裝和相關(guān)設(shè)備選型簡析

王 康，丁 路，臧平偉，孫登科

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

1 背景

塔式熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)以較高的聚光比、較高的光熱轉(zhuǎn)化效率和晚間持續(xù)發(fā)電、自主調(diào)峰的優(yōu)勢在中國已經(jīng)商業(yè)化。在國家首批光熱發(fā)電示范項目中，塔式熔鹽技術(shù)也占據(jù)了幾乎一半比例[1]。中電工程哈密熔鹽塔式50 MW光熱項目為國家首批光熱發(fā)電示范項目，為新疆首個光熱電站示范項目。該光熱電站于2019年年底實現(xiàn)了首次并網(wǎng)成功，也標(biāo)志著東方鍋爐自主設(shè)計、制造的熔鹽吸熱器系統(tǒng)的成功運行。東方鍋爐在該工程中采用了圓周式熔鹽工質(zhì)吸熱器技術(shù)，由16片管屏拼成一個近似的圓柱體。吸熱器作為光熱電站的核心光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備，其作用是將定日鏡所捕、反射、聚焦的太陽能直接轉(zhuǎn)化為熔鹽的熱能，提供最初的熱源或動力源，實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電[2]。

2 吸熱器設(shè)備成品防護(hù)

光熱電站一般選址在太陽能資源豐富的中國西北地區(qū)，選址地方少雨、風(fēng)季長、冬季酷寒。每年可用于施工的時間比較受限，大風(fēng)天氣和嚴(yán)寒天氣均對施工進(jìn)度有較大的影響。吸熱器管屏在吸熱塔鋼結(jié)構(gòu)上合攏成圓周形吸熱面。管屏的管子壁厚很薄，為1.2～1.8 mm，并且吸熱器有效受熱面區(qū)域的管子均不采用焊縫拼接形式，管子一旦被砸碰，形成不可逆損傷就很難修復(fù)，因此管屏成品防護(hù)中要重點防止管屏受到砸碰。

對于50 MW容量的光熱電站而言，管屏長度較長，平放占地面積大，現(xiàn)場翻轉(zhuǎn)困難，施工過程中，要避免管屏有效受熱面區(qū)域的涂層受到玷污和破損。因為現(xiàn)場多風(fēng)沙，管屏相鄰管子理論間距為零，受熱面朝上平放時，小沙礫很容易聚集在管屏的相鄰管子之間?，F(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，管屏表面的高溫涂層容易受到玷污，高溫涂層在制造車間經(jīng)過高溫固化處理，涂層受損后現(xiàn)場很難修補。而且，管屏一旦吊裝到200 m的就位高度，對管屏被污染部分的處理將變得困難，同時高溫涂層的沾污和受損也影響管屏的吸熱效率，因此成品防護(hù)要做好對涂層的保護(hù)。

管屏進(jìn)入現(xiàn)場時，管屏吸熱面朝上，固定裝置和鋼結(jié)構(gòu)框架位置朝下，管屏的背光側(cè)布置測溫裝置和保溫模塊。管屏的壁溫測點、保溫框架和保溫材料等附件應(yīng)在制造廠內(nèi)組裝完畢，減少現(xiàn)場對管屏及其附件的安裝施工，以控制安裝質(zhì)量。因為風(fēng)沙的原因，管屏進(jìn)場后，須盡快組織施吊。若短時間內(nèi)不能組織實施吊裝，需要做好管屏的成品防護(hù)工作。

3 吸熱器鋼架安裝

本工程的吸熱器鋼架為非獨立式全鋼結(jié)構(gòu)，鋼架整體結(jié)構(gòu)模型和施工安裝過程見圖1。鋼架下部支撐于離地高度約180 m的混凝土塔筒頂部，與混凝土塔筒頂部鋼梁采用螺栓連接。吸熱器鋼架外形為圓筒形結(jié)構(gòu)，16根主承重柱呈圓形布置在熔鹽吸熱器內(nèi)側(cè)，內(nèi)部另有4根鋼柱，作為電梯井道及支撐頂部旋轉(zhuǎn)起重機設(shè)備；吸熱器鋼架柱腳采用螺栓與混凝土塔筒頂部支撐鋼梁固定，現(xiàn)場在澆筑塔筒頂部樓板前，應(yīng)將吸熱器鋼架柱腳連接所用螺栓固定于支撐鋼梁上；在安裝吸熱器鋼架前，應(yīng)對螺栓予以保護(hù)，防止螺栓及螺紋損壞。安裝過程中，構(gòu)件必須牢固連接以確保在恒載、風(fēng)載、地震作用及安裝荷載條件下安全可靠，必須保證安裝荷載在任何情況下不使構(gòu)架遭到損害和變形。

圖1 吸熱器鋼架整體布置

吸熱器鋼架在安裝驗收后應(yīng)進(jìn)行補噴鋅或油漆涂刷?？傮w上，下列部分將在安裝后進(jìn)行補噴鋅或油漆防腐。其他工廠沒有油漆的部分，現(xiàn)場應(yīng)均勻地刷漆，以形成光滑、連續(xù)、無破損的且無凹陷、斑點、針孔等缺陷的漆膜層。

4 吸熱器管屏吊裝管屏的吊裝過程

主要分為3個階段：水平起吊、管屏翻轉(zhuǎn)和豎直上升階段。其中，豎直上升階段的吊裝過程見圖2。管屏安裝在吸熱器鋼架上，就位高度在200 m左右，16個管屏在就位高度上組成一個圓周形受熱面，每個管屏長約18 m，寬約3 m。每個管屏最外側(cè)管子容易在吊裝過程中受到吊繩、尖銳物體的破壞導(dǎo)致受損，在吊裝過程中要采取一定的保護(hù)措施。管屏成圓周形布置，設(shè)計時要控制管屏之間的間隙，防止太陽光溢出，也要滿足管屏的安裝條件。隨著每個管屏逐片就位，管屏吊裝過程中會受到已就位管屏的影響，施工時應(yīng)按順序依次安裝，最后形成合攏。

圖2 管屏吊裝

因為組成的吸熱器管屏相鄰管子理論間距為零，接受太陽光照的管屏吸熱面上沒有位置布置吊點。管屏的吊點一般設(shè)置在管屏背光側(cè)，利用管屏的固定與導(dǎo)向裝置設(shè)置吊點。吊點位置應(yīng)與管屏中心對稱，與管屏的重心位置匹配，保證吊裝過程中的豎直上升階段，管屏處于一個合適的傾斜角。布置吊點時，要核算管屏的重心位置、吊點附近相關(guān)梁、槽鋼等固定裝置的應(yīng)力計算、相關(guān)焊縫計算以及水平起吊和豎直上升兩種狀態(tài)下管屏的受力情況。

另外，吊裝前要對吸熱器管屏進(jìn)行清洗，確認(rèn)天氣狀況，就位后管屏的水平方向和豎直方向上尺寸偏差和間隙應(yīng)嚴(yán)格控制。

5 吸熱器隔熱防護(hù)

吸熱器的隔熱防護(hù)區(qū)域位于吸熱器有效受熱面上部和下部，其作用是保護(hù)吸熱器內(nèi)部系統(tǒng)、設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)不受溢出太陽光的傷害。隔熱防護(hù)板施工完畢后的情況見圖3。隔熱防護(hù)板高空露天安裝，材料必須采用白色的高反射材料，具有耐強紫外線照射能力，耐室外雨、雪、強風(fēng)、暴曬等交替天氣的能力，并具有耐高熱流密度干燒的能力，在溫差應(yīng)力下不會開裂和損傷。本工程的吸熱器隔熱防護(hù)板整體上選用硅酸鋁陶瓷纖維板，表面涂刷高反射涂料，兼具良好的防水性能。

吸熱器隔熱防護(hù)區(qū)域一般分為上部防護(hù)區(qū)、下部防護(hù)區(qū)和吸熱器集箱防護(hù)區(qū)?？紤]到光熱電站后期維修等因素，隔熱防護(hù)板必須模塊化設(shè)計，方便拆卸和吊裝，需要經(jīng)常維修的部位，采用快速可拆卸的結(jié)構(gòu)。

圖3 吸熱器管屏和隔熱防護(hù)

6 管道電伴熱帶系統(tǒng)和集箱電加熱系統(tǒng)

由于熔鹽的低溫凝結(jié)性，吸熱器熔鹽管道均敷設(shè)電伴熱帶系統(tǒng)，以維護(hù)系統(tǒng)的正常運行。電伴熱帶根據(jù)所需功率和被加熱設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)采用不同的敷設(shè)方案，電伴熱帶有Y形接法、U形接法等，接線盒的位置也根據(jù)伴熱帶的敷設(shè)方式調(diào)整和變化。電伴熱帶的熱電偶測量端與被測裝置的固定形式應(yīng)方便牢靠。備用熱電偶和備用電源接線盒等與運行熱電偶和電源接線盒距離應(yīng)盡量近些，并考慮切換時供電電纜的余量?？紤]到管道上電伴熱帶的敷設(shè)方式導(dǎo)致管道上部的溫度略高于管道下部溫度，豎直管路每一個回路的電伴熱帶長度不宜過長，水平管道上熱電偶盡量安裝在管道上方。敷設(shè)電伴熱帶，同一回路的電伴熱帶不可以重疊和交叉，電伴熱帶的冷端焊接頭要在管道保溫棉之外，接線盒要合理布置在附近結(jié)構(gòu)平臺。

集箱電加熱器采用遠(yuǎn)紅外輻射加熱，加熱結(jié)構(gòu)形式為管式，用于集箱保溫箱的預(yù)熱和維持溫度。電加熱器總的來說，要具有體積小、功率大、熱響應(yīng)快、控溫精度高、加熱溫度高、熱效率高、較強的耐冷熱交變性、溫度可調(diào)以及受熱溫度均勻等特點。

7 管道布置及管道固定結(jié)構(gòu)

吸熱器系統(tǒng)的管道介質(zhì)是熔鹽，因熔鹽具有低溫凝結(jié)性，管道布置時要考慮一定的傾斜角度，防止熔鹽凝結(jié)堵塞管道。與熔鹽出口罐體連接的下降管分界處固定裝置受力復(fù)雜，此區(qū)域的受力情況要進(jìn)行核算，進(jìn)行強度評定和疲勞強度評定。

在光熱電站系統(tǒng)中，管道的固定結(jié)構(gòu)一般形式為彈簧支架和導(dǎo)向裝置等。管道的支吊架選型可以參考電站鍋爐管道的固定結(jié)構(gòu)裝置選型。在考慮熔鹽側(cè)管道的固定裝置選型時，因為電伴熱帶敷設(shè)在管道上，要注意固定裝置和電伴熱帶的敷設(shè)順序?？紤]到纏有電伴熱帶的管道和固定裝置直接接觸，熱量會通過固定裝置散失，管道和固定裝置之間最好布置定制的帶孔硬質(zhì)保溫隔熱材料，電伴熱帶穿過孔道對管道進(jìn)行加熱。

8 熔鹽管道上儀器儀表的選型

管道上的儀器儀表主要包括閥門、流量計、壓力表等。熔鹽對各類型的儀器儀表等的特性提出了較高要求。閥門要具有耐腐蝕、耐高溫、密封性、流動性和防結(jié)晶等特性。在閥門結(jié)構(gòu)方面，閥體流道結(jié)構(gòu)要利于熔鹽的流動并避免熔鹽的截留，材質(zhì)要滿足熔鹽工作溫度，體蓋密封和閥蓋密封要保證密封質(zhì)量以防熔鹽泄漏[3]。

由于熔鹽的高溫和凝固特性導(dǎo)致常規(guī)性儀表不能滿足熔鹽工況對壓力表的特殊需求，熔鹽側(cè)壓力表一般采用隔膜式壓力表，隔膜材料采用耐高溫、耐腐蝕的金屬材料，導(dǎo)壓介質(zhì)通常使用硅油，而導(dǎo)壓介質(zhì)的耐溫能力決定了壓力表是否能夠滿足使用條件[4]。目前，熔鹽側(cè)管道的流量計一般采用非直接接觸的超聲波流量計，布置在吸熱器入口管道監(jiān)測流量。

9 塔頂?shù)醯倪x型

塔頂?shù)踉O(shè)置于聚光吸熱系統(tǒng)的頂部，布置高度約為220 m，用于吸熱器系統(tǒng)后期的檢修起吊。塔頂?shù)踹x型的時候要計算塔頂?shù)醯牡蹀D(zhuǎn)半徑和吊裝載荷，提供設(shè)備外形尺寸圖、底座連接形式及基礎(chǔ)負(fù)荷、設(shè)備總電機功率等。塔頂?shù)醯牡蹀D(zhuǎn)臂長要與混凝土塔的外徑相匹配，滿足后期維修和吊裝需求。

10 結(jié)語

自中標(biāo)中電工程哈密50 MW光熱項目，東方鍋爐自主研發(fā)的熔鹽吸熱器本體設(shè)備和輔助系統(tǒng)經(jīng)過2年的設(shè)計、制造和安裝階段，于2019年年底投運。適用于50 MW容量等級的熔鹽吸熱器首次在工程上得以應(yīng)用，前期設(shè)計和后期安裝階段均遇到一些挑戰(zhàn)。本文結(jié)合設(shè)計階段和吸熱器安裝階段遇到的問題，對熔鹽吸熱器相關(guān)設(shè)備選型、安裝要點以及一些結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行了闡述。希望對后續(xù)塔式熔鹽吸熱器設(shè)計和安裝有一定借鑒意義，并推動熔鹽塔式光熱發(fā)電技術(shù)日益進(jìn)步。