太陽能吸熱器性能分析與防護(hù)措施研究

許繼剛，肖 剛，徐志強(qiáng)

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058)

0 引言

太陽能吸熱器是太陽能熱發(fā)電站的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)吸收太陽熱能并傳遞給傳熱工質(zhì)，其熱轉(zhuǎn)換效率直接影響整個(gè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。太陽能吸熱器常用的傳熱介質(zhì)包括導(dǎo)熱油、水/水蒸氣、熔融鹽、空氣和金屬顆粒等，吸熱器不僅需要承受高溫高壓的復(fù)雜工作條件，而且還受到傳熱工質(zhì)特性影響，因此運(yùn)行中易出現(xiàn)腐蝕、熱應(yīng)力、蠕變-疲勞等問題。

為了解決高溫熔鹽在光熱能利用中的金屬材料腐蝕問題，段洋[1]等研究了高溫靜態(tài)熔融鹽對吸熱器金屬材料的腐蝕情況，研究發(fā)現(xiàn)321不銹鋼、Inconel 600 和Incoloy825 等材料在不同氯化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的耐蝕性。王金梁[2]等的研究結(jié)果揭示氯化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔鹽腐蝕速度的顯著影響。劉溫銳[3]研究發(fā)現(xiàn)特定條件下，特定材料與熔融鹽的混合物在耐腐蝕性上表現(xiàn)出可行性，這為實(shí)際應(yīng)用中的材料選擇提供了參考。

吸熱器的性能還受熱應(yīng)力分布的影響，何雅玲[4]研究發(fā)現(xiàn)使用高導(dǎo)熱性能管材和合理的流路設(shè)計(jì)能有效降低熱應(yīng)力。張滄洪[5]等對水蒸汽吸熱器展開研究，發(fā)現(xiàn)沸騰管和過熱管的傳熱特性存在顯著差異。張媛[6]以超臨界二氧化碳吸熱器為研究對象，發(fā)現(xiàn)減小壁厚、增大管徑能有效降低壁面熱應(yīng)力。牛樹群[7]研究了塔式太陽能熔鹽吸熱器，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小吸熱管內(nèi)徑、吸熱管壁厚、入射熱流密度或適當(dāng)增大入口熔鹽溫度或熔鹽入口流速,有利于提升吸熱器的力學(xué)性能。

吸熱器在高溫和高熱流密度工作條件下運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的熱應(yīng)力和蠕變現(xiàn)象。劉敏[8]等研究了以超臨界二氧化碳為循環(huán)工質(zhì)的螺旋管腔式太陽能吸熱器，發(fā)現(xiàn)能流越大，局部溫度越高，而局部能流梯度越大，其熱應(yīng)力也越大，這些因素都加劇了局部蠕變，減少了使用壽命。黃凱欣[9]等發(fā)現(xiàn)溫度較低時(shí)，疲勞失效是主要破壞機(jī)制，而在較高溫度下，蠕變-疲勞相互作用導(dǎo)致了更復(fù)雜的破壞模式。

因此，需要對吸熱器的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其可靠性和耐久性。本文介紹了影響太陽能吸熱器性能和壽命的主要因素，分析了相應(yīng)的評價(jià)方法，并針對各項(xiàng)因素提出了提高吸熱器性能和壽命的相應(yīng)措施。

1 太陽能吸熱器耐腐蝕性

太陽能吸熱器的腐蝕是由于熱工質(zhì)與管材之間的化學(xué)反應(yīng)或物理作用而導(dǎo)致管材表面或內(nèi)部的損壞，其原因主要有以下幾方面：1)不同的熱工質(zhì)對管材的腐蝕性能有不同的影響，高溫下的熔鹽、顆粒和氣體都會(huì)對管材產(chǎn)生腐蝕或磨損作用，導(dǎo)致管材變形、開裂或泄漏；2)不同的管材材質(zhì)對熱工質(zhì)的耐受能力不同，鎳基合金、不銹鋼等材料具有較好的耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞特性，而普通碳鋼、低合金鋼等材料則容易被熱工質(zhì)侵蝕或氧化；3)管材的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響其受力和變形情況，從而影響其抗腐蝕能力；4)太陽能吸熱器在運(yùn)行過程中，可能會(huì)受到外界環(huán)境的影響，如空氣中的水分、氧氣、二氧化碳、硫化物等都會(huì)加速管材的腐蝕過程；5)吸熱器在日常運(yùn)行中會(huì)經(jīng)歷多次升溫和降溫過程，涉及到升溫速率、頻率以及高低溫差等參數(shù)；快速升溫可能導(dǎo)致吸熱器材料快速膨脹，增加材料的應(yīng)力，從而加速熱工質(zhì)與管材之間的化學(xué)反應(yīng)；頻繁的溫度變化可能會(huì)引起吸熱器材料的疲勞，對吸熱器的壽命和耐久性產(chǎn)生顯著影響；大幅度溫度變化會(huì)導(dǎo)致吸熱器材料的膨脹或收縮，引起內(nèi)部應(yīng)力，加劇腐蝕和疲勞。

1.1 吸熱器耐腐蝕評價(jià)

1.1.1 金屬耐蝕性10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

金屬耐蝕性10 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一種根據(jù)金屬的腐蝕速率大小來劃分金屬耐腐蝕性能的方法，以每年的腐蝕深度來表示。根據(jù)中國腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)主編的《金屬防腐蝕手冊》將金屬材料耐腐蝕性分為10 級(jí)[10]，見表1 所列。

表1 金屬耐蝕性10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分類表

1.1.2 耐點(diǎn)蝕當(dāng)量

耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(pitting resistance equivalent number，PREN)是一種以金屬中某些元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)的一套算法，數(shù)值常被用于耐點(diǎn)腐蝕比較的評定方法。一般來說，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值越高，金屬對局部點(diǎn)腐蝕的抵抗能力越強(qiáng)。耐點(diǎn)蝕當(dāng)量值可以根據(jù)合金的化學(xué)成分按照不同的公式算出。以鎳基合金為例，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量P經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：PCr、PMo、PW、PNb分別為材料中鉻、鉬、鎢、鈮元素耐點(diǎn)蝕當(dāng)量，mm/a。

1.2 太陽能吸熱器耐腐蝕措施

為了解決太陽能吸熱器的腐蝕問題，可采取以下辦法：

1)選擇耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞的管材材料，如鎳基合金、各類不銹鋼等。圖1 給出了2520、304、316L、321 四種材料腐蝕動(dòng)力曲線[11]，因此，根據(jù)所使用的熱工質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)墓懿牟牧希梢员ＷC在特定工作條件下能夠抵抗腐蝕影響。

2)采用合理的運(yùn)行控制策略，加強(qiáng)吸熱器的運(yùn)行和維護(hù)管理。

2 太陽能吸熱器熱應(yīng)力

2.1 太陽能吸熱器熱應(yīng)力影響因素

由于太陽能的間歇性和空間分布的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致吸熱器壁面產(chǎn)生溫度梯度和熱應(yīng)力，影響系統(tǒng)的安全性。熱應(yīng)力產(chǎn)生的主要因素有：1)太陽光時(shí)間和空間的不均勻性，會(huì)導(dǎo)致吸熱器表面受到不同程度的熱沖擊，產(chǎn)生周期性的溫度波動(dòng)和應(yīng)力波動(dòng)；聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)以及吸熱器的幾何形狀和位置，使得太陽輻射在吸熱器表面的分布是非均勻的，通常呈現(xiàn)出高斯分布或其他非對稱分布，導(dǎo)致吸熱器表面存在較大的溫度梯度和應(yīng)力梯度；2)由于吸熱器由不同結(jié)構(gòu)和材料的部件組成，部件之間存在不同的熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等物理參數(shù)，當(dāng)溫度變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相互作用和變形不協(xié)調(diào)，從而引起內(nèi)部應(yīng)力；3)由于吸熱器內(nèi)外部環(huán)境之間存在溫差和壓差，會(huì)導(dǎo)致吸熱器內(nèi)外壁面產(chǎn)生不同程度的傳熱差異，從而引起內(nèi)外壁面溫度和應(yīng)力的差異。

2.2 太陽能吸熱器熱應(yīng)力評價(jià)方法

線彈性斷裂準(zhǔn)則是一種評價(jià)彈性條件下開裂結(jié)構(gòu)斷裂安全性的方法。它主要有兩種形式：應(yīng)力強(qiáng)度因子K和能量釋放率G，這兩種判據(jù)在線彈性條件下是等價(jià)的。當(dāng)K或G達(dá)到材料的斷裂韌性時(shí)，裂紋就會(huì)擴(kuò)展并引起斷裂。即

式中：K為應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa/m2；KIc為斷裂韌性，MPa/m2。

式中：G為能量釋放率，MN/m；GIc為斷裂能，MN/m。

應(yīng)力強(qiáng)度因子K的計(jì)算公式為：

式中：Y為幾何修正因子；σ為熱應(yīng)力，MPa；a為裂紋長度，mm。

根據(jù)Qu J[12]等對斷裂力學(xué)理論的研究，裂紋長度一般達(dá)0.1 ～0.3 mm 時(shí)即可認(rèn)為該部件應(yīng)力斷裂失效。

能量釋放率G的計(jì)算公式一般為：

式中：E為材料的彈性模量，MPa。

線彈性斷裂準(zhǔn)則可用于評估太陽能吸熱器中吸熱管的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算吸熱管的K值或G值，并與材料的K或G值進(jìn)行比較，可以判斷吸熱管是否達(dá)到臨界斷裂條件。如果是水/蒸汽吸熱器，過熱管的K或G值比沸騰管大，因?yàn)檫^熱管承受較大的圓周溫度梯度和彎曲應(yīng)力。

2.3 太陽能吸熱器熱應(yīng)力防護(hù)措施

針對太陽能吸熱器熱應(yīng)力問題，主要有以下解決三種方法。

1)根據(jù)吸熱器的結(jié)構(gòu)和性能，以及太陽能的聚光特性，選擇能夠在高溫高壓下穩(wěn)定工作、具有較高比熱容和較低膨脹系數(shù)的工質(zhì)，以及合理的流量、流速和流程等參數(shù)。

2)選擇具有相近膨脹系數(shù)和彈性模量的結(jié)構(gòu)材料，或采用復(fù)合材料，減少當(dāng)吸熱器受高溫高壓作用時(shí)，因膨脹或收縮導(dǎo)致的應(yīng)力集中和不均勻現(xiàn)象，提高吸熱器的可靠性和耐久性。

3)優(yōu)化吸熱器結(jié)構(gòu)形式和尺寸，通過改變吸熱器管屏、集箱、管接頭等部件的形狀、大小和排列方式，可以改善吸熱器的受力狀態(tài)，減小應(yīng)力梯度和應(yīng)力集中區(qū)域，提高吸熱器的整體穩(wěn)定性，降低吸熱器的材料成本。圖2 給出了不同吸熱管內(nèi)徑對中間段熔鹽溫度的影響情況[11]，在其他條件相同的情況下，外置式熔鹽吸熱器的工質(zhì)溫度受吸熱管內(nèi)徑的影響，當(dāng)管徑增大時(shí)，熔鹽溫度升高，同樣的吸熱管壁溫也會(huì)增加，因而要考慮到吸熱管材料的限制，適當(dāng)增加吸熱管直徑。

圖2 不同吸熱管內(nèi)徑對中間段熔鹽溫度的影響

3 太陽能吸熱器蠕變-疲勞

太陽能吸熱器蠕變-疲勞是指太陽能吸熱器在高溫下同時(shí)承受蠕變和疲勞載荷作用時(shí)，發(fā)生的失效現(xiàn)象。蠕變-疲勞是一種復(fù)雜的損傷機(jī)制，涉及到蠕變、疲勞、氧化、腐蝕等多種因素的相互作用。太陽能吸熱器在工作過程中，需要承受高溫、高壓和高循環(huán)的載荷，因此容易發(fā)生蠕變-疲勞現(xiàn)象。其主要影響因素有工質(zhì)溫度、工質(zhì)壓力、工質(zhì)流量、工質(zhì)循環(huán)次數(shù)、吸熱器結(jié)構(gòu)形式、吸熱器材料性能等。

3.1 太陽能吸熱器蠕變-疲勞評價(jià)方法

美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)制定的鍋爐和壓力容器規(guī)范規(guī)定了用于高溫下工作的核設(shè)施構(gòu)件的蠕變-疲勞評價(jià)方法，稱為線彈性方法。線彈性方法是一種基于彈性應(yīng)力分析和蠕變-疲勞損傷參數(shù)的評價(jià)方法，適用于在高溫下工作的金屬材料，如奧氏體不銹鋼、鎳基合金等。其基本步驟：1)確定構(gòu)件的安全分類、設(shè)計(jì)條件、材料特性和載荷譜；2)對構(gòu)件進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，計(jì)算各個(gè)位置的應(yīng)力幅值和平均應(yīng)力；3)根據(jù)材料特性和應(yīng)力狀態(tài)，選擇適當(dāng)?shù)娜渥?疲勞損傷參數(shù)，如C、F、Cr等；4)根據(jù)載荷譜，計(jì)算各個(gè)位置的蠕變-疲勞損傷累積值；5)將蠕變-疲勞損傷累積值與允許值進(jìn)行比較，判斷構(gòu)件是否滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

C是一種基于蠕變裂紋擴(kuò)展速率的損傷參數(shù)，它反映了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子和蠕變區(qū)尺寸的綜合效應(yīng)，其定義為：

式中：C為損傷參數(shù)，MPa；U為裂紋尖端的能量釋放率，MN/m；a為裂紋長度，m。

F是一種基于蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的損傷參數(shù)，它反映了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子、蠕變區(qū)尺寸和循環(huán)載荷幅值的綜合效應(yīng)，其定義為：

式中：F為損傷參數(shù)，MPa；ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，MPa/m2；E為有效彈性模量，MPa；a為裂紋長度，m。

Cr為一種基于蠕變-疲勞損傷累積值的損傷參數(shù)，反映了材料在高溫下經(jīng)歷多個(gè)循環(huán)載荷后，發(fā)生的總損傷程度，其定義為：

式中：Cr為損傷參數(shù)，MPa；n為循環(huán)次數(shù)；Nf是疲勞壽命，次；t為保載時(shí)間，s；tR為持久強(qiáng)度，s；B為交互作用系數(shù)。

3.2 太陽能吸熱器蠕變-疲勞防護(hù)措施

為了解決太陽能吸熱器蠕變-疲勞問題，可采取的防護(hù)措施包括：

1)材料受到其微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的影響，因此應(yīng)該選擇具有較高的蠕變強(qiáng)度、較低的蠕變速率、較高的斷裂韌性和較好的抗氧化性能的材料，如奧氏體不銹鋼、鎳基合金等。同時(shí)，應(yīng)該避免使用含有易形成脆性相或沉淀物的元素，如碳、硫、磷等，以減少材料的敏感性。

2)吸熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮到其受力狀態(tài)和溫度分布，盡可能減小應(yīng)力梯度和應(yīng)力集中區(qū)域，提高吸熱器的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)該避免使用過于復(fù)雜或細(xì)長的結(jié)構(gòu)形式，以減少局部變形和裂紋萌生的可能性。

3)吸熱器工作參數(shù)包括工質(zhì)流量、流速、流程、溫度、壓力等，這些參數(shù)會(huì)影響吸熱器的傳熱效率和受力情況，因此，應(yīng)該根據(jù)吸熱器的類型和性能，選擇合理的工作參數(shù)，以保證吸熱器的安全運(yùn)行和高效發(fā)電。同時(shí)，應(yīng)該避免出現(xiàn)過大或過快的溫度或壓力波動(dòng)，以減少循環(huán)載荷對吸熱器的影響。

4)采用有效的評價(jià)方法。常用的評價(jià)方法包括有線彈性斷裂準(zhǔn)則、非線彈性斷裂準(zhǔn)則和損傷機(jī)理模型等。

4 結(jié)語

本文針對影響太陽能吸熱器性能和壽命的主要因素進(jìn)行研究，分析了國內(nèi)外相關(guān)研究成果及影響因素，介紹了對于太陽能吸熱器腐蝕、熱應(yīng)力、蠕變-疲勞的評價(jià)方法，并給出相應(yīng)的防護(hù)措施：

1)針對太陽能吸熱器腐蝕問題，建議采用高抗腐蝕性能的材料，如鎳基合金或不銹鋼，并控制熱工質(zhì)的化學(xué)成分，以維護(hù)合適的腐蝕環(huán)境。此外，通過優(yōu)化吸熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇合適的管道材料，采用智能控制系統(tǒng)，以及實(shí)施定期的檢查和維護(hù)措施。

2)針對太陽能吸熱器熱應(yīng)力問題，建議選擇適應(yīng)吸熱器運(yùn)行狀態(tài)的工質(zhì)參數(shù)，如控制工質(zhì)溫度和流速，以減輕吸熱器的熱應(yīng)力負(fù)荷；采用隔熱材料或空氣層可以有效降低外部環(huán)境溫度對吸熱器的影響；優(yōu)化吸熱器的結(jié)構(gòu)形式和尺寸，以減少熱應(yīng)力的集中和最大值。

3)針對太陽能吸熱器蠕變-疲勞問題，建議選擇適應(yīng)工作條件的材料特性，以滿足吸熱器在特定溫度和工作條件下的需求。