塔式光熱電站定日鏡清洗技術(shù)研究

沈志華

（鑫晨光熱（上海）新能源有限公司，上海 201100）

0 引言

定日鏡是塔式太陽(yáng)能光熱電站的關(guān)鍵聚光設(shè)備之一，用于將太陽(yáng)光線通過(guò)鏡面反射傳送至光熱塔的吸熱器，以加熱熔鹽等傳熱介質(zhì)最終帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電[1]。根據(jù)儲(chǔ)熱量不同，一個(gè)100MW光熱電站設(shè)計(jì)約100萬(wàn)m2的反射鏡面，規(guī)劃數(shù)萬(wàn)臺(tái)定日鏡用于反射聚光[2]。

在電站的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，定日鏡長(zhǎng)期運(yùn)行于戶外追日狀態(tài)，定日鏡表面非常容易發(fā)生灰塵沉積現(xiàn)象，導(dǎo)致反射到二次鏡的太陽(yáng)光功率減少，進(jìn)而降低到達(dá)吸熱器的光能量，最終影響光熱電站的發(fā)電效率[3-4]，因此需要對(duì)積灰的形成進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上制定清洗方案，對(duì)定日鏡進(jìn)行定期的清洗維護(hù)。由于大規(guī)模的太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的定日鏡數(shù)量非常多，不可能采用人工清洗，因此規(guī)模化的機(jī)器清洗具有非常突出的綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，定日鏡清洗裝置屬于塔式光熱電站鏡場(chǎng)運(yùn)維系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)計(jì)和投入運(yùn)行的好壞，直接關(guān)系到光熱電站的總效率，對(duì)光熱電站的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。

1 定日鏡臟污的成因及影響分析

定日鏡處于沙漠戈壁地區(qū)，其臟污主要來(lái)自大氣灰塵，其中沙土、紅土和沙粒等屬于干松積灰[5]，附著于定日鏡光滑的鏡面后因風(fēng)的吹拂容易掉落和清理。由于雨露等自然環(huán)境形成的粘結(jié)積灰吸附于定日鏡表面，經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，鏡面的灰塵厚度、硬度逐漸提高，需要使用專用的定日鏡清洗裝置進(jìn)行清除。

大氣積灰的理化表現(xiàn)主要為密度、粒徑和化學(xué)性質(zhì)三方面，在灰塵清掃與回收時(shí)需要對(duì)定日鏡清洗裝置的濾筒等設(shè)備進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)。在化學(xué)性質(zhì)方面，大氣灰塵以各類氧化物及少量鹽為主，其中二氧化硅、氧化鋁的含量較多，對(duì)定日鏡面的腐蝕整體較小。

積灰對(duì)塔式光熱發(fā)電造成的影響主要為遮擋定日鏡反射光線。在灰塵掉落于定日鏡面之后，會(huì)阻礙和減少到達(dá)鏡面的太陽(yáng)光，從而使進(jìn)入鏡面到達(dá)銀反射層的光線減少，且當(dāng)光線從定日鏡出射到大氣中時(shí)也會(huì)受灰塵遮擋。另外，灰塵的存在增加了光的散射，使鏡面反射率下降，從而影響光熱發(fā)電效率。根據(jù)師志鵬等[6]的研究，在50MW電站的整個(gè)壽期期間，由于灰塵對(duì)鏡面的影響而造成定日鏡反射率每減少1%～1.5%，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)7 000余萬(wàn)元，間接損失更加巨大。

2 定日鏡清洗車設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

定日鏡清洗計(jì)劃目前主要有片上機(jī)器人清洗、人工配高壓水槍/氣體清洗、車載移動(dòng)式清洗車三種，其各自優(yōu)劣勢(shì)比較見表1。其中西班牙Gemasolar電站的片上機(jī)器人，主要由Sener研發(fā)設(shè)計(jì)，與Torresol能源共同測(cè)試[7]，可以在定日鏡處于基本水平時(shí)在鏡面上行走并完成清洗。美國(guó)Ivanpah光熱電站[8]則采用了多種車載移動(dòng)式清洗車技術(shù)為主、人工清洗協(xié)助的方式。采用水作為清洗介質(zhì)時(shí)，主要有毛刷刷洗和噴射水洗兩種形式，前者耗水量較少，清洗效率更高，但如果定日鏡鏡面灰塵包含堅(jiān)硬的礦物質(zhì)或鹽類，則這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致鏡面有被劃傷的風(fēng)險(xiǎn)，不可逆地降低鏡面的反射率，因此刷洗時(shí)需要考慮刷頭對(duì)鏡面壓力的大??；后者由于采用非接觸式清洗概念，出水管連接水射流噴頭，霧狀噴灑于定日鏡面，在合適的水壓下基本不會(huì)損傷定日鏡。

表1 典型光熱電站定日鏡清洗技術(shù)比較

本文設(shè)計(jì)定日鏡清洗裝置為移動(dòng)式清洗車結(jié)構(gòu)，運(yùn)用比較成熟的載重汽車系統(tǒng)平臺(tái)，搭載定日鏡專用清洗設(shè)備和機(jī)械手臂，其主要組成包含車身行走系統(tǒng)、副動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械臂展支承機(jī)構(gòu)、負(fù)壓 吸塵系統(tǒng)、噴淋清洗系統(tǒng)等，整體系統(tǒng)分別如圖1和圖2所示。清洗車綜合了國(guó)外清洗車的主要優(yōu)點(diǎn)，采用水噴淋清洗和刷掃吸塵干洗兩種清洗方式相結(jié)合的作業(yè)模式，在確保不損傷鏡面的同時(shí)使清洗效果得到了較大的提高。

圖1 定日鏡清洗車系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 定日鏡清洗車整體結(jié)構(gòu)

定日鏡清洗車的車身行走系統(tǒng)采用成熟的4×4驅(qū)動(dòng)式底盤結(jié)構(gòu)，由于光熱電站主要建造于野外沙漠戈壁區(qū)域，接近角和離去角需要充分考慮鏡場(chǎng)地坪的表面粗糙度。副動(dòng)力系統(tǒng)需要選用耐高低溫環(huán)境的發(fā)動(dòng)機(jī)，并需配備沙漠專用濾芯，為吸塵式作業(yè)和清洗系統(tǒng)提供動(dòng)力。臂展支承機(jī)構(gòu)和清洗系統(tǒng)需要根據(jù)定日鏡的尺寸和面積設(shè)計(jì)合適的液壓機(jī)械臂，由于定日鏡清洗姿態(tài)為傾斜30°姿態(tài)以便清洗后的臟污回收，臂展支承機(jī)構(gòu)需要設(shè)計(jì)為可旋轉(zhuǎn)形式以確保清洗姿態(tài)時(shí)清洗系統(tǒng)的正常工作。清洗回路中所有的液壓閥門均帶有鎖止功能，在出現(xiàn)故障或者應(yīng)急情況時(shí)可以鎖死油路，保持其當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)。

2.2 清洗車單鏡清洗原理

定日鏡清洗車設(shè)計(jì)了噴淋清洗和掃盤刷掃負(fù)壓吸塵兩種機(jī)械清掃機(jī)構(gòu)，其清洗姿態(tài)如圖3所示。清洗車設(shè)計(jì)有水噴淋裝置和儲(chǔ)水裝置，通過(guò)連接水箱將水通過(guò)機(jī)械臂管道和噴淋花灑高壓噴淋在定日鏡子鏡表面，達(dá)到鏡面清洗的效果，同時(shí)，考慮玻璃子鏡的易碎性，清洗壓力需要根據(jù)鏡面的承受荷載進(jìn)行選擇。由于光熱電站一般建址于干旱地區(qū)，清洗用水主要來(lái)自于井水等含鹽量較高的水源，對(duì)鏡面的清洗產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，如果長(zhǎng)期使用，也會(huì)影響清洗車的機(jī)械結(jié)構(gòu)和管路，因此需要設(shè)計(jì)有供鏡場(chǎng)運(yùn)維使用的除鹽裝置等，對(duì)定日鏡清洗用水進(jìn)行除鹽和軟化處理。

圖3 定日鏡運(yùn)行與清洗姿態(tài)

根據(jù)定日鏡的面積和鏡面分布結(jié)構(gòu)，清洗車分布式吸嘴設(shè)計(jì)在機(jī)械臂的前端，吸塵高壓引塵管通過(guò)特制卷盤設(shè)計(jì)讓氣管可隨著機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，氣管尾部連接在大功率引風(fēng)機(jī)上。引風(fēng)機(jī)的葉輪通過(guò)電動(dòng)機(jī)的快速旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)機(jī)中積留的氣體快速送出，然后使定日鏡鏡面的空氣和積灰通過(guò)高壓引塵管被連續(xù)地吸入引風(fēng)機(jī)回路內(nèi)，這樣就會(huì)與鏡面空氣之間產(chǎn)生比較大的負(fù)壓壓差，其負(fù)壓引風(fēng)吸塵流程如圖4所示。引塵管內(nèi)的塵埃、臟物隨空氣被吸入后經(jīng)過(guò)隔板沉淀，部分臟物顆粒通過(guò)重力作用完成一次沉淀，其余較輕的塵埃通過(guò)專用濾芯進(jìn)行二次過(guò)濾和沉淀，最后清潔空氣排入大氣，灰塵臟物進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)箱存儲(chǔ)和運(yùn)走，防止產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，對(duì)剛清洗后的定日鏡造成循環(huán)污染，從而保證清潔工作的持續(xù) 進(jìn)行。

圖4 定日鏡干洗負(fù)壓吸塵流程

此外，轉(zhuǎn)運(yùn)箱還具有自卸功能，通過(guò)尾部箱體的舉升翻轉(zhuǎn)將垃圾收集后可自卸排出?？紤]到清洗的工作環(huán)境，箱體內(nèi)收集的灰塵不易沉積，清洗車設(shè)計(jì)有垃圾清運(yùn)功能，可在箱體內(nèi)部設(shè)計(jì)小型噴淋設(shè)備，確?；覊m和臟物顆粒能夠真正被吸得進(jìn)、留得住和排得出。

2.3 清洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定日鏡清洗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括鏡場(chǎng)分散控制系統(tǒng)（distributed control system, DCS）規(guī)劃設(shè)計(jì)和清洗車操作控制裝置設(shè)計(jì)兩方面，主要硬件框圖如圖5所示。

圖5 清洗車控制系統(tǒng)總體硬件原理框架

鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)主要功能為根據(jù)電站的定期運(yùn)維需求，規(guī)劃指定單個(gè)鏡場(chǎng)的定日鏡清洗路線，清洗路線的選擇需要充分考慮鏡場(chǎng)的不規(guī)則布置與鏡面臟污程度以確定清洗最短運(yùn)行路徑[9]，然后編制運(yùn)營(yíng)表和每日清洗隊(duì)列，按批次控制定日鏡旋轉(zhuǎn)于清洗姿態(tài)，當(dāng)清洗車到達(dá)后即可立即開展清洗作業(yè)，其主要運(yùn)行控制流程如圖6所示。

圖6 鏡場(chǎng)清洗運(yùn)行控制流程

清洗車操作控制裝置以S7—300 PLC為核心控制器[10]，實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗姿態(tài)的臂展支承機(jī)構(gòu)、不同清洗模式的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，并配備操作員接口，整體設(shè)計(jì)為有線電控系統(tǒng)，操作人員坐在駕駛室中就可完成風(fēng)機(jī)的起動(dòng)及機(jī)械臂的所有液壓動(dòng)作。清 洗車的臂展支承機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為一個(gè)水平單節(jié)伸縮臂，連接清洗車本體，伸縮臂上裝有兩個(gè)伺服電動(dòng)缸，通過(guò)控制系統(tǒng)PLC分別控制臂展支承機(jī)構(gòu)與鏡面的距離和角度，能方便調(diào)整和保證吸盤與鏡面間的合理間隙。臂展支承機(jī)構(gòu)端部安裝防碰撞元件[11]，防碰撞元件為數(shù)組光電式距離傳感器，用于探測(cè)清潔滾刷與定日鏡鏡面的間距，返回距離信號(hào)至PLC，從而控制伺服電動(dòng)缸，伺服電動(dòng)缸反應(yīng)速度較快，可保證清洗過(guò)程中滾刷與鏡面距離平行、平穩(wěn)。同時(shí)清潔滾刷設(shè)計(jì)為浮動(dòng)式毛刷，清洗過(guò)程中浮動(dòng)調(diào)節(jié)毛刷與鏡面之間的壓力，其優(yōu)點(diǎn)為可自適應(yīng)鏡面并保持接觸壓力恒定，不損傷定日鏡鏡面。此外，清洗車還設(shè)計(jì)有工作視頻監(jiān)視電路，在機(jī)械伸縮臂頂端安裝高清攝像頭，駕駛室內(nèi)載顯示屏，當(dāng)車輛工作時(shí)可以對(duì)工作狀況進(jìn)行監(jiān)視，查看鏡面清潔效果，使操作更便利、清潔更高效。

2.4 清洗作業(yè)模式的選擇

考慮鏡面潔凈度、天氣狀況等情況，定日鏡清洗車配置了刷掃干洗模式、噴淋水洗、噴淋和刷掃結(jié)合共三種作業(yè)模式，電站運(yùn)行和維護(hù)人員可根據(jù)鏡面臟污程度和環(huán)境溫度自主切換。

在鏡面只有浮塵，或結(jié)灰情況較輕，沒(méi)有開始大量堆積和硬化時(shí)，采用刷掃干洗的作業(yè)模式是比較經(jīng)濟(jì)與節(jié)能的選擇。刷掃可將鏡面結(jié)灰打散，再輔以負(fù)壓吸塵，達(dá)到除塵和清潔鏡面的效果。由于光熱電站主要建址于沙漠戈壁地區(qū)，降雨較少，該清洗模式可適用于批量定日鏡的快速清洗。在環(huán)境氣溫較高，且鏡面結(jié)灰嚴(yán)重時(shí)，必須通過(guò)噴淋水洗甚至水洗與刷洗結(jié)合的方式，才能將鏡面污垢清除。

3 清洗測(cè)試分析

采用光熱電站現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期放置的因臟污積灰后反射率較低、不能滿足實(shí)際運(yùn)行使用的鏡片，如圖7所示，通過(guò)鏡面清掃，然后完成鏡面反射率測(cè)試，對(duì)測(cè)試前后的反射率結(jié)果進(jìn)行記錄，見表2。從結(jié)果可知，清掃后的清潔度整體達(dá)到86%以上，比未清掃前提高了50%以上，說(shuō)明清洗車的應(yīng)用效果非常好，清掃方案具有實(shí)踐可行性。

圖7 電站現(xiàn)場(chǎng)用于待安裝測(cè)試的定日鏡片

表2 鏡面清洗效果比較

同時(shí)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，一般光熱電站夜間需對(duì)定日鏡進(jìn)行關(guān)場(chǎng)操作，以防止風(fēng)速較大使定日鏡傾覆，此時(shí)定日鏡鏡面一般處于水平位置。而根據(jù)長(zhǎng)期觀察測(cè)試結(jié)果，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)鏡面角度對(duì)其積灰存在較大的影響，白天由于太陽(yáng)輻射環(huán)境溫度較高不易凝積水滴，而在夜間，由于凝露的作用，定日鏡面會(huì)沾染較多的灰塵，此情況在每年秋冬季的夜間尤為明顯。經(jīng)過(guò)測(cè)試，當(dāng)定日鏡在背風(fēng)且鏡面呈30°左右角度時(shí)，可以有效減少定日鏡的積灰和臟污情況，其清洗維護(hù)周期可延長(zhǎng)一半以上。因此，光熱電站DCS接入當(dāng)?shù)氐臍庀笳緶貪穸?、云雨量、氣溶膠、沙通量等數(shù)據(jù)后，分析和制定每天合適的開關(guān)場(chǎng)策略，對(duì)減少定日鏡積灰，提高光熱電站長(zhǎng)期運(yùn)行的光熱轉(zhuǎn)換效率具有較大的積極意義。

4 結(jié)論

根據(jù)對(duì)定日鏡灰塵成因與影響的分析，比較了國(guó)內(nèi)外光熱電站定日鏡的清洗技術(shù)與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了可移動(dòng)式定日鏡清洗車，并通過(guò)清洗測(cè)試證明清洗反射率得到了有效提高，對(duì)增加光熱電站的運(yùn)行效率提供了重要保障。定日鏡清洗是塔式光熱電站投入運(yùn)行后重要的電站維護(hù)工作之一，該定日鏡清洗技術(shù)還具有可擴(kuò)展性和多項(xiàng)目的通用性，能較好地適應(yīng)不同光熱電站需求與定日鏡面尺寸的變化。