太陽島導(dǎo)熱油系統(tǒng)防凝保溫設(shè)計及優(yōu)化

趙秋田,谷水香,張學發(fā)

(中國電建集團核電工程有限公司，濟南 250102)

0 前 言

太陽能熱發(fā)電技術(shù)因能源蘊藏豐富，不會枯竭，絕對潔凈不會威脅生態(tài)環(huán)境而成為一種新型的新能源發(fā)電技術(shù)。槽式光熱太陽能熱發(fā)電站廣泛采用導(dǎo)熱油或熔鹽作為太陽島傳熱工質(zhì)，尤其熔鹽具有較高的凝固點。太陽島系統(tǒng)回路分布廣闊，系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，一旦溫度低于傳熱工質(zhì)凝固點，極易造成管路凍堵，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)陷入癱瘓，且會引起集熱管爆管、集熱器鏡片破壞等一些列問題[1-2]。導(dǎo)熱油及熔鹽系統(tǒng)在冬季運行、維護、檢修過程中面臨著較大的防凝風險，如何做好系統(tǒng)的防凝保溫是擺在光熱電站運行維護的一大難題。

本文通過對槽式太陽能熱發(fā)電站太陽島傳熱工質(zhì)系統(tǒng)的防凝保溫措施進行研究，確定采用電伴熱加常規(guī)保溫層的防凝保溫模式，并設(shè)計安裝溫度監(jiān)控點，采取遠程自動恒溫技術(shù)，旨在解決太陽島導(dǎo)熱油系統(tǒng)的防凝保溫的難題，提高機組的穩(wěn)定性，增加了集熱器設(shè)備使用壽命，為光熱電站高效運行提供借鑒。

1 工程概述

中廣核德令哈50 MW光熱發(fā)電項目太陽島全部采用拋物面槽式(PTC)導(dǎo)熱油太陽能熱發(fā)電技術(shù)，整個太陽島共分7個鏡場，建設(shè)190個槽式集熱器標準回路(LOOP)并聯(lián)組成，每個回路由4個太陽能集熱器(Solar Collector Assemblies，簡稱SCA)串聯(lián)構(gòu)成。集熱器之間由導(dǎo)熱油管道連接。整個太陽島導(dǎo)熱油系統(tǒng)共有導(dǎo)熱油管道33 km。

導(dǎo)熱油系統(tǒng)夜間要進入防凝運行模式。由于導(dǎo)熱油、熔鹽的融點較高，防凝模式下極易凝固，造成回路不暢通，并引起集熱管變形爆管、鏡片損壞等問題。通過市場調(diào)研，目前國內(nèi)外的槽式光熱電站太陽島導(dǎo)熱油系統(tǒng)均采用的常規(guī)保溫層保溫方式，結(jié)合德令哈光熱電站的實際情況，根據(jù)導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)備及管道結(jié)構(gòu)特點，決定采用電伴熱的防凝保溫方式，提高防凝保溫的穩(wěn)定性，同時利于檢修維護，針對性的優(yōu)化保溫設(shè)計及施工工藝。

2 施工工藝要點

2.1 保溫材料設(shè)計優(yōu)化

目前國內(nèi)光熱電站的管道及設(shè)備普遍采用的是常規(guī)的保溫工藝，而光熱電站作為傳熱、儲熱介質(zhì)的設(shè)備管道的保溫決定保溫效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是保溫材料的選擇及保溫層厚度；二是保溫層工藝結(jié)構(gòu)；三是保溫施工過程控制。本文主要在這三條的改進中尋找最優(yōu)的保溫設(shè)計，以達到最優(yōu)的防凝效果。

中廣核德令哈槽式光熱電站導(dǎo)熱油為聯(lián)苯-聯(lián)苯醚，是一種有特殊的刺激性氣味的無色液體。其熔點為12.3 ℃，沸點258 ℃，用于低壓高溫的熱載體。導(dǎo)熱油系統(tǒng)進油溫度為295 ℃，回油溫度為395 ℃?？紤]到導(dǎo)熱油、熔鹽管道系統(tǒng)的溫度較高，根據(jù)GB 50264-201《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，被絕熱設(shè)備或管道表面溫度大于100 ℃時，應(yīng)選擇不低于國家標準GB 8624-2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》中規(guī)定的A2級材料，即不燃材料。根據(jù)規(guī)范要求，介質(zhì)溫度在300℃時，保溫層外壁面允許的最大散熱量為167 W/m2，介質(zhì)溫度在400 ℃時，保溫層外壁面允許的最大散熱量為204 W/m2。參考常規(guī)絕熱材料及新材料的性能指標，給出適用于導(dǎo)熱油系統(tǒng)的絕熱材料。具體詳見表1。為有利于現(xiàn)場施工，避免材料錯用，還要考慮材料成本控制，選用最適合的材料，整個系統(tǒng)選取同一種保溫材料，故推薦使用巖棉制品(管殼、氈)作為管道保溫的主保溫材料。具體參數(shù)詳見表2。

表1 適用于導(dǎo)熱油系統(tǒng)的絕熱材料

表2 絕熱材料參數(shù)

2.2 防凝保溫施工工藝

為了保證管道溫度始終在系統(tǒng)介質(zhì)點之上，在保溫內(nèi)層需要先纏繞伴熱電纜，電纜敷設(shè)見圖1所示。

圖1 伴熱電纜敷設(shè)

2.2.1伴熱電纜施工

(1) 伴熱電纜檢查敷設(shè)

伴熱帶安裝前將伴熱帶從電纜盤上卸下前，應(yīng)當對伴熱帶進行測試，以確保絕緣完好。安裝表面用金屬刷清除污垢、鐵銹，必須盡可能清潔。安裝伴熱帶前管線上的任何護層都必須干燥。伴熱電纜在安裝使用時，不允許反復(fù)彎曲折曲。除拐彎處，伴熱電纜應(yīng)平整地緊貼在導(dǎo)管表面，用聚酯帶綁扎，綁扎帶應(yīng)當以300 mm的間距纏繞綁扎，嚴禁用鐵絲綁扎。伴熱電纜可以分叉“T”型連接，也可延長直線連接，但接頭處和終端頭必須使用廠供的配件進行密封。 伴熱電纜的屏蔽層應(yīng)可靠接地。伴熱電纜安裝后應(yīng)進行絕緣測試，用 500V兆歐表測量加熱帶線芯(即電源線)與屏蔽層之間的絕緣電阻，且不小于 20 MΩ，否則，應(yīng)查找原因排除故障。伴熱帶在直管段的安裝將伴熱帶敷設(shè)在管線上，在電源連接處和其他任何一種連接處留出適當?shù)念A(yù)量。

(2) 溫度傳感器安裝

為保證伴熱帶與管線的適當接觸，將溫控器設(shè)定在所需的溫度設(shè)定值。通電前，確保所有連接盒、溫控器、電纜等安裝正確，伴熱電纜通電試驗可靠。

(3) 伴熱電纜接線

在距離外護套 150 mm 處切斷伴熱帶，小心去除114 mm的絕緣護套， 然后去除兩根母線之間的發(fā)熱矩陣。用 RTV 密封膠涂滿硅橡膠接線靴的內(nèi)側(cè)以及母線和暴露在外的發(fā)熱矩陣上。

電伴熱帶運轉(zhuǎn)需要的電壓一般在 220 V/AC，來源于配電室MCC A、B 兩段，再通過 ATS 的電源自動切換裝置、熔斷器、盤內(nèi)的小母線流進儀表的保護箱，以供電流回路這樣的熱工儀表及相關(guān)管道的設(shè)置，不僅可以從根源上減少工業(yè)成本，還能提高保溫的效果，窄小空間伴熱、長距離的管道伴熱、閥門類型的不規(guī)則外形設(shè)備的伴熱等。

(4) 通電試驗

伴熱電纜敷設(shè)完畢后，進行相應(yīng)的通電試驗，電阻測試及屏蔽接地檢測后，開始進行金屬鐵皮隔離層安裝。

2.2.2保溫隔熱層安裝

為保證良好的伴熱效果，需要在管道與保溫層之間設(shè)置一層空氣隔離層，使得伴熱電纜的熱量可以在管道表層形成熱對流層，使得管道周圈都可以受熱，提高加熱效率?？諝鈱舆x用0.35 mm厚度的鍍鋅鐵皮制作，覆蓋在敷設(shè)完伴熱電纜的管道表層，然后再進行保溫，鐵皮與管道之間的空隙即為空氣層，施工方法見圖2所示。

圖2 管道外用鍍鋅鐵皮制作空氣層

(1) 為保證良好的伴熱效果，需要在管道與保溫層之間設(shè)置一層空氣隔離層，使得伴熱電纜的熱量可以在管道表層形成熱對流層，使得管道周圈都可以受熱，提高加熱效率?？諝鈱舆x用0.35 mm厚度的鍍鋅鐵皮制作，覆蓋在敷設(shè)完伴熱電纜的管道表層，然后再進行保溫，鐵皮與管道之間的空隙即為空氣層。

(2) 安裝鐵皮前首先在保溫管道上安裝金屬環(huán)抱箍，可每兩節(jié)鐵皮用3個抱箍，以保證空氣隔熱層空間均勻，安裝穩(wěn)固。

(3) 金屬鐵皮直管段為保證其密封嚴密，縱向搭接縫采用起凸筋工藝，按照間隔200 mm的距離采用平頭自攻絲固定。

2.2.3特殊部位的保溫隔熱形式

(1) 支架位置

支吊架位置需要優(yōu)化，整個導(dǎo)熱油及熔鹽系統(tǒng)管道均室外布置，冬季運行環(huán)境溫度極低。除部分過路段采用架空有少量吊架外，其余均設(shè)計為支架形式，無論是滑動、導(dǎo)向還是固定支架，均為碳鋼材料，此區(qū)域熱損失較為嚴重。

減少該區(qū)域熱損，是母管保溫優(yōu)化的重點。我們提出2種方式:第一種為更改支架管部材料，采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料;第二種為支架管部與管道支架設(shè)計增加耐高溫隔熱材料(最少450℃以上)，降低導(dǎo)熱系數(shù)，減少熱傳遞損失。

第一種方式的支架管部需要足夠的強度，來保證支架的穩(wěn)定性。而母管的規(guī)格基本上都在DN400以上，且導(dǎo)熱油或熔鹽的密度較高，支架荷載較大，經(jīng)過市場調(diào)研，目前市場上暫時未找到滿足要求的材料。第二種方式在支架管部與管道間增加隔熱材料，而管部仍為鋼材，能夠保證支架的強度。確定使用第二種方式。隔熱材料選取澆筑輕質(zhì)保溫澆注料，既能滿足支吊架的強度要求，又能起到良好的保溫隔熱效果，但需要在支吊架處增加外保護罩，施工效果見圖3所示。

(2) 拐臂區(qū)域

集熱器是太陽島最重要的部件，而通過半年的跟蹤及國外成熟槽式光熱電站的調(diào)研，集熱管年度爆管率約為2.5‰，集熱回路的維護檢修的工作量占到太陽島維護檢修工作量的90%以上，保溫設(shè)計及施工的合理與否，直接影響系統(tǒng)能否正常運行及維護檢修的成本高低。

圖3 管道固定支架處伴熱電纜

回路運行過程中，隨著集熱器的轉(zhuǎn)動，懸臂區(qū)域需要持續(xù)轉(zhuǎn)動，常規(guī)的保溫工藝已不適用。需要根據(jù)運行狀態(tài)設(shè)計合理的保溫結(jié)構(gòu)。懸臂由球連接、彎頭、短管3部分組成，球連接又分單側(cè)轉(zhuǎn)動和雙側(cè)轉(zhuǎn)動兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)3部分運行狀態(tài)的不同，保溫設(shè)計優(yōu)化分為3部分，即球連接保溫、彎頭保溫、直管保溫。此處屬于需要經(jīng)常檢修的部位，保溫結(jié)構(gòu)均采用可拆卸式的保溫工藝。而保溫材料的選擇高密度絕熱材料，殼體基本選擇了2種：玻璃鋼、鋁板。通過在德令哈光熱電站單個回路試驗，確定使用的保溫套由兩等分的部件組成。采用0.8 mm鋁板(外部)和0.3 mm不銹鋼板(內(nèi)部)的剛性外殼，內(nèi)含高性能絕熱材料，這樣設(shè)計是考慮到球連接位置導(dǎo)熱油滲漏的檢修。

(3) 閥門位置

閥門、伸縮節(jié)等處的保溫亦做成可拆式結(jié)構(gòu)，以滿足運行檢查和檢修需要。管道閥門保溫層應(yīng)留設(shè)拆卸螺栓的間隙，接縫處用散復(fù)合硅酸鹽氈填實。為了閥門維修拆卸方便，閥門保溫套采用加長型，根據(jù)閥門的實際形狀進行度量設(shè)計，依據(jù)度量的具體尺寸進行咬口制作，其長度應(yīng)保證至閥門兩端焊口或法蘭外100 mm左右。

2.2.4保溫施工過程控制

(1) 保溫層是保溫結(jié)構(gòu)的主要組成部分，保溫效果的好壞取決于保溫層。為確保施工質(zhì)量，各保溫管道的保溫層厚度必須滿足設(shè)計要求。每根管道的保溫層施工完畢后(保護層施工之前)，都應(yīng)對管道的保溫厚度進行隨機檢查。

(2) 水平管道保溫，保溫層厚度大于80 mm時，保溫棉分層敷設(shè)，每層厚度材料設(shè)計按先厚后薄的順序施工。保溫層采用同層錯縫、內(nèi)外層壓縫的方式敷設(shè)，內(nèi)外層接縫應(yīng)錯開100～150 mm，保溫效果如圖4所示。水平安裝的管道保溫最外層的縱縫拼縫位置應(yīng)盡量遠離垂直中心線上方，縱向單縫的縫口朝下。

(3) 分層保溫時，應(yīng)采用鋅鐵絲分層綁扎，保溫厚度200 mm以上的管道，最外面一層保溫層必須用雙股鍍鋅鐵絲綁扎，其捆扎間距一般為200 mm，每塊保溫制品上至少要捆扎3道捆扎間距一般為200 mm，每塊保溫制品上至少要捆扎3道，如圖5所示。鐵絲綁扎要松緊適度，為防止端部翹口，兩側(cè)的鐵絲距保溫棉端部120 mm為宜，并盡可能的保持擰扣在同一水平線上，以增加保溫層美觀。

圖4 管道保溫層

圖5 管道保溫層綁扎

(4) 保溫層要求平整、嚴實、連續(xù)、堅固。

(5) 彎頭保溫要根據(jù)尺寸把保溫材料下成(西瓜皮)狀，每層要錯縫壓縫，要求圓和弧度協(xié)調(diào)一致，局部縫隙用散棉填實。

(6) 管殼縫隙處要使用相同材質(zhì)的保溫材料進行塞縫，防止熱量通過保溫材料之間的縫隙散失。支架處上下保溫澆注料接縫處也只用保溫材料壓實，防止出現(xiàn)縫隙。

3 防凝保溫效果

電伴熱防凝保溫投用后，進行了為期半年的跟蹤對比。從表3中可以看出，采用電伴熱防凝保溫后，機組防凝保溫模式下運行更穩(wěn)定，需要加熱保持的溫度下降了5℃，成本明顯降低。

表3 采取電伴熱防凝保溫前后對比

電伴熱防凝保溫投用后，其壁溫測點布置更完善、更合理，能準確的反映各個回路的介質(zhì)溫度，減少巡檢人員工作量。鏡場每日巡檢人員數(shù)量比原來減少了3人，在商業(yè)運行期間可節(jié)約人工成本約195.53萬元。在電伴熱防凝模式運行狀態(tài)下，系統(tǒng)介質(zhì)溫度更穩(wěn)定，集熱器設(shè)備運行更安全，集熱管及鏡片的年損壞更換率降低了26%，檢修用工日更少，在商業(yè)運行期間可節(jié)約成本181.45萬元。

4 結(jié) 語

太陽島系統(tǒng)防凝保溫工程量最大的也是槽式光熱電站，導(dǎo)熱油系統(tǒng)分布廣、管線長，分支回路多，通過采用電伴熱防凝保溫形式，自動溫控模式，并合理的優(yōu)化保溫施工工藝，伴熱防凝保溫投用后，降低了太陽島回路集熱管爆管頻率，減少了檢修頻率，降低了檢修維護成本，對整個太陽島的穩(wěn)定運行起到了很大的穩(wěn)定作用。機組穩(wěn)定性的提高、檢修頻率的降低，機組的經(jīng)濟效益明顯提高。電伴熱防凝保溫的成功應(yīng)用，為后續(xù)機組調(diào)試提供了良好的條件，可滿足槽式光熱電站太陽島系統(tǒng)防凝保溫模式下的穩(wěn)定運行。