光熱發(fā)電安全風(fēng)險及防控措施分析

李云松，范培培，燕 波，蘭穎彪，崔 健，李 翔，趙宇龍

(1.中國三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011；2.三峽新能源尚義風(fēng)電有限公司，河北 張家口 076750)

0 引言

光熱發(fā)電是利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面等反射太陽能，通過熱能轉(zhuǎn)化機(jī)械能驅(qū)動汽輪機(jī)組發(fā)電的技術(shù)，因其制造成本低、發(fā)電效率高、可利用時間長、清潔無污染等優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，然而其推廣利用也伴隨著新的安全風(fēng)險。國內(nèi)外專家學(xué)者針對光熱發(fā)電聚光集熱系統(tǒng)、傳熱工質(zhì)、發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)、安全技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行了諸多研究。例如有學(xué)者提出光伏—光熱互補(bǔ)運(yùn)行的雙層發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估模型，可有效降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險。有學(xué)者分析了塔式熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)在環(huán)境端和負(fù)荷端雙重擾動條件下的熱輸運(yùn)特性，為塔式熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控策略制定提供理論基礎(chǔ)。還有學(xué)者依據(jù)塔式光熱發(fā)電中熔融鹽熱能儲存的腐蝕機(jī)理，提出新型防腐蝕技術(shù)，可有效降低因熔融鹽泄漏發(fā)生的安全風(fēng)險。

1 光熱發(fā)電系統(tǒng)形式

光熱發(fā)電系統(tǒng)主要形式分為碟式、槽式、塔式、線性菲涅爾式四種。碟式系統(tǒng)由聚光碟和斯特林發(fā)動機(jī)等組成，光線經(jīng)聚光碟拋物面反射到斯特林機(jī)熱頭處，加熱內(nèi)部氣體工質(zhì)；塔式系統(tǒng)通過鏡場的多面定日鏡實(shí)時追蹤太陽，將具有高能流密度的太陽光聚集到塔頂?shù)奈鼰崞鳎徊凼焦鉄岚l(fā)電系統(tǒng)由槽型拋物面鏡、真空集熱管等組成，拋物柱面反射鏡將陽光聚集到集熱管壁下表面；線性菲涅爾式通過多面平放單軸轉(zhuǎn)動的反動鏡組成矩形鏡面反射陽光加熱集熱管內(nèi)工質(zhì)。

2 光熱電站安全風(fēng)險點(diǎn)

在國內(nèi)已經(jīng)建成的光熱發(fā)電系統(tǒng)中，大約有60 %是塔式，28 %是槽式，12 %是線性菲涅爾式；碟式進(jìn)入試驗(yàn)示范階段較晚，在此不作探討。不同形式的光熱發(fā)電系統(tǒng)所伴隨的安全風(fēng)險有所不同。

除光伏、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)常見的風(fēng)險外，光熱電站還存在著其他易被忽視的運(yùn)行風(fēng)險，比如鏡面轉(zhuǎn)動過程中易受云霧遮擋，影響其對太陽移動的同步跟蹤；光熱電站的聚光光斑中心處熱流密度可達(dá)20～30 kW/m2，強(qiáng)光反射損壞視力甚至致盲；吸熱器內(nèi)導(dǎo)熱油正常工作溫度遠(yuǎn)高于燃點(diǎn)，一旦泄漏極易引發(fā)火災(zāi)、釋放有毒氣體，給現(xiàn)場工作人員帶來高溫燙傷、刺激呼吸系統(tǒng)黏膜等危險。

2.1 塔式光熱電站

在塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，定日鏡跟蹤太陽時易受風(fēng)力影響發(fā)生偏移，吸熱器熱流密度分布不均，局部高溫灼壞吸熱器引起工質(zhì)泄漏，對塔底作業(yè)人員造成灼燙傷害。當(dāng)發(fā)現(xiàn)吸熱器內(nèi)工質(zhì)循環(huán)流動不暢時，應(yīng)遠(yuǎn)程操控定日鏡傾斜度來減少入射光線，避免吸熱器溫度過高。

目前塔式集熱系統(tǒng)內(nèi)部工質(zhì)為KNO3和NaNO3混合的高溫熔融鹽，屬于強(qiáng)氧化劑，與易燃物接觸易引發(fā)爆炸和火災(zāi)，且燃燒時釋放的有毒氣體會危害人體安全。一旦出現(xiàn)泄漏應(yīng)立即停運(yùn)集熱系統(tǒng)，待溫度降至環(huán)境溫度后進(jìn)行現(xiàn)場處置。

因塔式吸熱器高度遠(yuǎn)高于其他光熱電站，100 m 以上的集熱塔采用混凝土澆筑。人員未嚴(yán)格按照工作規(guī)程進(jìn)行施工作業(yè)時，存在高處墜落風(fēng)險；如混凝土性能不達(dá)標(biāo)，會因強(qiáng)度不足而引發(fā)集熱塔坍塌；交叉作業(yè)時面臨隔熱防護(hù)板掉落造成物體撞擊、電焊火星引發(fā)火災(zāi)、鏡場反射溢出的高溫輻射光斑燙傷等風(fēng)險。

2.2 槽式光熱電站

在槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)中，槽型拋物面的大開口結(jié)構(gòu)易受大風(fēng)影響造成損傷；拋物面長時間暴露在外會累積灰塵，削弱其反射能力，影響吸熱管內(nèi)加熱溫度，對設(shè)備長期安全運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。

槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)中主要導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，其主要成份為二苯醚和聯(lián)二苯。導(dǎo)熱油對設(shè)備無腐蝕、導(dǎo)熱率大，但其長期使用不當(dāng)會使熱導(dǎo)率降低；導(dǎo)熱油高溫工況下可能產(chǎn)生熱裂解，裂解產(chǎn)物在集熱管內(nèi)凝結(jié)成塊，會堵塞集熱管，導(dǎo)致管壁局部溫度過高而引發(fā)爆管。

2.3 線性菲涅爾式光熱電站

線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)，熔鹽作為儲熱介質(zhì)。同槽式系統(tǒng)類似，其集熱系統(tǒng)預(yù)熱、循環(huán)、防凝、熔解等同樣伴隨著安全隱患，比如吸熱管表面能流分布不均勻會造成吸熱管外壁溫度分布不均使吸熱管破碎；吸熱管的旋轉(zhuǎn)接頭等連接部件在高溫長期運(yùn)行下，由于閥門、旋轉(zhuǎn)接頭的密封填料發(fā)生損耗或者熱應(yīng)力拉裂管道焊口使管內(nèi)導(dǎo)熱油泄漏，導(dǎo)致高溫導(dǎo)熱油汽化揮發(fā)引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。

由此可見，德國法院認(rèn)為對于“專門用于執(zhí)行專利方法的產(chǎn)品”，適用默示許可理論而非權(quán)利用盡理論，因此專利權(quán)人可以在售出該產(chǎn)品時將這種默示許可通過許可協(xié)議的方式“明示化”。這樣在買方違反許可協(xié)議后，專利權(quán)人可主張其未獲得許可或撤銷專利許可而構(gòu)成專利侵權(quán)。

3 安全風(fēng)險防范對策

3.1 合理選址

需從源頭做好場站選址工作，在保證年日照小時數(shù)和場址DNI 值等光熱發(fā)電因素前提下，宜選擇非地震帶、巖土條件較好、暴雨等極端天氣少的地區(qū)，以減少環(huán)境對設(shè)備的污損及防止巡檢時遭遇自然災(zāi)害；應(yīng)避開草木生長茂盛選擇地勢平坦開闊的地域，便于快速運(yùn)輸消防物資、防控火災(zāi)風(fēng)險。

3.2 遵守光熱安全工作規(guī)程

在進(jìn)行集熱塔相關(guān)作業(yè)時，禁止在塔式吸熱器高溫運(yùn)行時登塔；在開展站內(nèi)設(shè)備巡視時，不可直視聚光光斑中心處；注重設(shè)備的日常維護(hù)，以減弱導(dǎo)熱油、熔鹽對電力生產(chǎn)設(shè)備造成的危害。

3.3 配備防護(hù)裝備

光熱電站要配齊作業(yè)防護(hù)裝備，增強(qiáng)風(fēng)險管控和事故防范能力。應(yīng)在鏡場安裝遮光屏障等防眩光裝置，同時人員應(yīng)配備穿戴護(hù)目鏡、偏光鏡等；應(yīng)配備傳熱系數(shù)較低、能減弱熱輻射的主動式降溫服、防腐蝕手套、隔熱面罩、阻燃隔熱服等以防高溫燙傷；塔式電站應(yīng)配備防墜落相關(guān)裝置，如五點(diǎn)式安全帶、導(dǎo)向型防墜器、導(dǎo)軌、6×19-17.0 及以上型號的吊裝鋼絲繩等。

3.4 嚴(yán)格按規(guī)程使用導(dǎo)熱介質(zhì)

導(dǎo)熱油在使用過程中，為了保證其氧化穩(wěn)定性，應(yīng)定期化驗(yàn)油體成分，重點(diǎn)關(guān)注水分等低沸雜質(zhì)，純度較低時應(yīng)更換新油；禁止不同型號導(dǎo)熱油互相摻雜，以延長其使用時間；確保導(dǎo)熱油與空氣不進(jìn)行直接接觸，可利用氮封裝置來避免導(dǎo)熱油氧化；遇到熱鹽罐中熔鹽泄漏問題時，需佩戴能防高溫腐蝕的面罩及防護(hù)服等，泄漏熔鹽用沙土掩埋。

3.5 利用遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備

利用紅外熱成像視頻監(jiān)控設(shè)備可以在夜晚及陰雨天氣實(shí)施設(shè)備監(jiān)控，并實(shí)時監(jiān)測熔鹽罐溫度波動情況，有利于場站人員快速診斷并有效預(yù)控泄漏。光熱發(fā)電站可結(jié)合無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)對塔式、槽式系統(tǒng)定期巡檢，利用其自帶紅外熱成像功能，實(shí)時監(jiān)控鏡場鏡面潔凈度、集熱管有無破損等情況。

3.6 優(yōu)化聚光集熱系統(tǒng)

優(yōu)化主反射鏡和二次反射鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計或跟蹤控制系統(tǒng)，降低局部高溫，解決吸熱管表面能流分布不均的問題，可在集熱管能流密度高的一側(cè)布置微肋片、渦流發(fā)生器等，以增強(qiáng)集熱管的綜合傳熱性能。

4 結(jié)束語

安全管理是光熱發(fā)電站的基礎(chǔ)工作，結(jié)合光熱發(fā)電系統(tǒng)的特性進(jìn)行針對性風(fēng)險識別與管控，才能有效保障人員和設(shè)備的安全，提高發(fā)電效益，更好地發(fā)揮光熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢。