太阳能光热发电系统安全风险初探

贾 超，王继琳，曾 辉，张晓利，潘 建

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)



太阳能光热发电系统安全风险初探

贾 超1，王继琳1，曾 辉1，张晓利2，潘 建2

(1.水电水利规划设计总院，北京 100120；
2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

〔摘 要〕介绍了太阳能光热发电系统分类，从集热系统、蓄热系统、换热系统、辅热系统、发电系统等方面对其进行安全风险分析，指出各种类型光热发电系统的安全风险源，并提出了相关措施和建议，为太阳能光热发电系统的设计、安装和运行等提供了参考。

〔关键词〕太阳能；光热发电；安全评估；风险分析

0　引言

太阳能发电一般分为光伏发电和光热发电2种类型。光热发电也称为聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power，CSP)，其工作过程为:利用镜面反射将太阳能的热量聚集，吸热器吸收热量，产生水工质的高温高压蒸汽或其他高品质工质，并按常规方式驱动热机装置，带动发电机发电。太阳能光热发电，可以将多余的能量以热量形式储存，按照调度要求，调配热量的储存和释放，在很大程度上解决了如风力发电、光伏发电类自然能源非稳定、难预测的并网难题。此外，太阳能光热发电站也可以和传统的化石能源联合循环而混合发电，既清洁又可实现调峰；和常规光伏电站相比，其供电质量、供电时长及发电效率都有明显优势。

太阳能光热发电系统一般由集热系统、蓄热系统、换热系统、辅热系统、发电系统和控制系统等组成。随着我国光热电价制度的落实和建设成本的降低，光热发电系统的建设会逐步加快。光热发电形式的多样性、复杂性以及发电过程多处于高温高压的运行环境等因素，决定了其安全问题必须受到重视。另外，采用槽式导热油介质的太阳能光热发电站，其导热油系统遍布整个厂区，潜在危险性比火电站大很多。

1　集热系统

按集热系统的不同，太阳能光热发电系统可分为塔式、槽式、碟式和菲涅尔式等类型。

1.1塔式集热系统

塔式集热系统又称集中型系统，其集热系统由数以千计带有双轴太阳追踪系统的平面镜(称为定日镜)和1座(或数座)中央集热塔构成。每个定日镜都有独立的跟踪系统，可单轴跟踪也可双轴跟踪，可开环控制也可闭环控制；但都需要将太阳光反射到集热塔的接收器上，如图1所示。定日镜的远距离跟踪是个技术难题，定日镜的任何微小传动间隙都将造成反射光线不能照到集热器上；尤其在风力的推动下，光斑的晃动会造成聚焦点温度严重不均匀。

图1　塔式集热系统

集热塔上的接收器相当于火电厂的锅炉，可接收来自镜场的热量；接收器分为间接照射和直接照射2种。间接照射接收器先利用太阳能加热受热面，再通过受热壁面将热量向介质传递。管状接收器就属于这一种类型，其工作温度一般在500 ℃以上；由于光斑的晃动和其他外力的干扰，会造成温度场的非均匀，导致加热介质泄漏及吸热器烧毁。

集热塔上的接收器一般设置预热器、蒸发器及再热器，以提高工作效率。接收器对介质的流动性要求较高，如发现介质缺少或介质未循环流动，应立即启动保护措施，调整镜场角度或隔离接收器，避免接收器过热，造成热介质泄漏和吸热器烧毁。

集热塔上部的工作温度较高，应制定严格的操作规范，禁止在接收器工作时登塔。塔式集热系统对供电的可靠性要求很高，一旦定日镜失电，其形成的光斑将不再受控，产生的高温足以给塔架及其他受热物带来致命伤害。另外，成千上万面镜子也容易使人产生光盲等伤害。

1.2槽式集热系统

槽式集热系统(见图2)由多个槽型抛物面聚光集热器经串并联组合而成，槽型抛物面焦点即为集热管所在位置。槽型抛物面也需跟踪系统，随太阳转动；槽式集热系统对传动系统的精准度和抗风性有很高的要求。

图2　槽式集热系统

槽式集热系统的危险点在于吸热管的破碎以及集热管两边的转轴处，前者由于热流密度的非均匀性造成非均匀的温度场，从而会产生较大的应力；后者由于吸热管需要随抛物面旋转，集热管中的高温传导物质一旦泄漏，其自身温度即可引燃造成火灾。槽式集热系统一旦失电，将会造成集热管超温，其介质可能发生化学分解等反应，影响安全运行。

1.3碟式集热系统

碟式集热系统(见图3)由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，是相互独立的抛物面反射结构，其聚光比可达3 000以上，发电效率高，但单机容量小、造价高；聚光比较高，存在超温的可能性。

图3　碟式集热系统

1.4菲涅尔式集热系统

菲涅尔式集热系统(见图4)由槽式光热发电系统衍生而来，由2组对称的菲涅尔结构的镜面及固定的集热管组成，镜面结构的控制相对简单，集热管的安装与维护相比槽式简单，效率略低。由于该系统热流密度的非均匀性会造成温度场的非均匀性，可能造成较大的应力损伤，易引发吸热管破碎。

图4　菲涅尔式集热系统

2　蓄热系统

太阳能光热发电系统最大的优势在于可储存热能，把太阳能发电系统的间歇性变平滑，并能参与电力系统的调峰。太阳能蓄热技术按照储能方式的不同，可分为潜热蓄热、化学反应蓄热和显热蓄热3种。前2种还处于中试或实验室阶段，而显热蓄热，尤其是液体显热蓄热已被广泛应用，如二元熔盐和三元熔盐等，合成油由于比热容小、存储热量少，应用不多。

熔融盐是盐的熔融态液体，导热系数大、热稳定性和化学稳定性较好，与金属容器的相容性好，温度在300-1 000 ℃，与高温高压蒸汽轮机的工作温度相匹配；在常压下是液态，不易燃烧，价格较低；但熔盐凝固点太高，在130-230 ℃，所以必须对相关设备和系统进行保温、预热和伴热等操作。

高温分解和腐蚀问题是熔盐的主要缺点。三元盐的凝固点相对较低，但当温度高于540 ℃时，热分解、氧化会引起三元盐中亚硝酸盐组分含量降低，从而使得熔盐熔点上升，易引起各种运行故障。多元盐腐蚀性严重，会在容器表面结壳，给稳定运行带来困难。熔盐中的KNO3是制作炸药的原料之一，应加强备料管理。

蓄热系统又分单罐和双罐蓄热系统。由于单罐蓄热系统注入和出料结构复杂，传热、隔热措施复杂，未广泛采用。双罐蓄热系统一般由冷盐罐、热盐罐、预热器、蒸汽发生器、蒸汽过热器等组成。熔融盐的致命缺点是熔点高、运行温度高、腐蚀性大，由此带来爆炸、冻堵等一系列安全问题。因此在系统运行中，必须重点关注防冻堵及辅助设备加热等问题。

3　 换热系统

太阳能光热发电系统的换热系统主要涉及换热介质的选择，不同的换热介质，其工作原理大不相同。换热介质主要包括水、导热油、熔融盐、空气等。

(1)作为可靠的换热工作介质，水在集热管中直接转变为过热蒸汽(500 ℃以上)进入汽轮发电机组发电。因不需要热交换设备，不仅减少了换热损失，且可简化系统；但需解决水在蒸发段中存在汽水两相流等技术问题。

(2)导热油作为换热介质，在高于沸腾温度运行时，因为高温高压油雾与空气形成爆炸性混合物，易对环境产生安全风险，故需用氮、氩等惰性气体加压，即必须用无氧气层包覆。导热油VP-1工作温度不得超过395 ℃，否则将产生裂解，使其工作性能迅速降低。导热油的比热容小，用于储热需大量的导热油，要建设相当体积的压力罐，建设成本较高。采用导热油做换热介质，一般用熔融盐来蓄热；但蓄热系统复杂，可靠性和安全性低，换热效率下降，且油温上限为400 ℃，难以发挥熔融盐高温储热的优势。

(3)采用熔融盐为传热介质，并兼作蓄热介质，取消了导热油系统，且可以把蒸汽温度从350 ℃提高至510 ℃以上。但熔融盐的凝固点很高，使融熔盐在装料、流动和切换过程存在温度下降冻结的风险。在运行过程中，一旦设备失去动力，熔液冷却凝固后将会导致重大事故。

(4)以空气为介质的太阳能光热发电系统，吸热器可采用多孔陶瓷；陶瓷介质吸收聚集的太阳能，并通过抽吸周围的空气，从而带走热量。空气可被加热至700 ℃以上再进入燃气轮机，在燃气燃烧时放热；或者进入锅炉加热水，形成蒸汽发电。空气加热的温度高，电站效率也较高；但空气换热器难以做大，蓄热量少，维护困难。

4　 辅热系统

在太阳能光热发电系统中，辅热系统是普遍存在的。辅热系统可给水蒸气辅助加热，提高发电效率；可在阳光不足的情况下，为系统提供备用能源；可对管道进行预热和补热，预防熔融盐凝固；可对熔融盐罐循环加热，避免罐内熔融盐凝固。辅热系统对于太阳能光热发电的安全十分重要。

辅热系统一般分为电加热、天然气加热和油加热等方式。电加热相对安全，但耗电量大而不经济，且易引起局部超温，使熔融盐起化学分解反应而失效；天然气加热需贮存大量天然气(有天然气管道的除外)，其储罐对电站而言是较大危险源；而油加热时，油同样是一种危险源。

5　 发电系统

发电系统由热机和发电机等设备组成。热机有汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发动机等。大型光热发电系统的温度等级与火力发电系统基本相同，可使用常规汽轮机；当工作温度在800 ℃以上时，可选用燃气轮机；对于小功率或低温光热发电系统，则选用低沸点工质汽轮机或斯特林发动机。

采用汽轮机及燃气轮机作为热机，其安全风险与常规火电和燃气轮机发电类似；斯特林机在运行期间，氢气损耗较多(氢气是重大危险源)。

6　 其他风险防范

(1)选址。目前，我国已建和规划的太阳能光热发电站大多位于西部阳光充裕地区，能满足电站对占地的要求，但所处区域自然条件恶劣，大多风沙较大、海拔较高，周边配套设施不完善。为保障光热电站的长期、安全运行，在工程选址上应关注地形、地貌、供水、交通等条件，重视工程的防洪防涝、防震及防地质灾害等措施。

(2)危险源辨识。太阳能光热发电系统的介质对太阳能光热发电站的安全性有着重要影响，导热油、熔融盐等重大危险源给厂区带来巨大安全隐患。一旦高温高压介质发生泄漏，不仅损害设备，还对人员和环境带来巨大的危害。因此，必须根据GB18218—2009《危险化学品重大危险源辨识》进行辨识与防范。

(3)可靠的备用电源。鉴于太阳能光热发电站独特运行方式对供电可靠性的极高要求，塔式集热系统、熔融盐防凝固系统均需要可靠的备用电源。但光热电站一般位于网架末端，电网较脆弱、供电可靠性不高，故应配备可靠的备用电源，以防突然失电造成重大损失。

7　 结束语

太阳能光热发电站占地面积大，危险源多，集热、传热、蓄热系统控制复杂，对现场维护人员提出了极高的要求。发电站应做好运维人员的安全培训和管理工作，按质按量发放劳动防护用品，做好相关应急预案。建设单位应遵守相关安全法律法规，按时开展安全设施“三同时”工作，重视安全预评价、安全设施设计专篇、安全验收评价的相关建议和结论，排查安全隐患，建设本质型安全工程。

随着光热电价的出台和建设成本的不断下降，我国电力市场必将迎来光热发电大的发展。为此，应开展充分调研，深入了解不同光热发电形式的风险及安全要求，做好光热发电的安全工作。

参考文献：

1 黄 湘，王志峰，李艳红，等.太阳能热发电技术[M].北京：中国电力出版社，2013.

2 王冬青.太阳能热发电技术[M].北京：中国电力出版社，2013.

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7 宋记锋，丁树娟.太阳能热发电站[M].北京：机械工业出版社，2012.

贾 超(1987-)，男，工程师，主要从事可再生能源安全运行工作，email：125798722@qq.com。

王继琳(1982-)，女，高级工程师，主要从事可再生能源安全运行。

曾 辉(1987-)，男，工程师，主要从事可再生能源安全运行。

张晓利(1979-)，男，高级工程师，主要从事水电安全评价工作。

潘 建(1981-)，男，高级工程师，主要从事水电安全评价工作。

作者简介：

收稿日期：2015-09-28。