塔式光热电站熔盐吸热器安装和相关设备选型简析

王 康，丁 路，臧平伟，孙登科

(东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)

1 背景

塔式熔盐光热发电技术以较高的聚光比、较高的光热转化效率和晚间持续发电、自主调峰的优势在中国已经商业化。在国家首批光热发电示范项目中，塔式熔盐技术也占据了几乎一半比例[1]。中电工程哈密熔盐塔式50 MW光热项目为国家首批光热发电示范项目，为新疆首个光热电站示范项目。该光热电站于2019年年底实现了首次并网成功，也标志着东方锅炉自主设计、制造的熔盐吸热器系统的成功运行。东方锅炉在该工程中采用了圆周式熔盐工质吸热器技术，由16片管屏拼成一个近似的圆柱体。吸热器作为光热电站的核心光热转换设备，其作用是将定日镜所捕、反射、聚焦的太阳能直接转化为熔盐的热能，提供最初的热源或动力源，实现太阳能热发电[2]。

2 吸热器设备成品防护

光热电站一般选址在太阳能资源丰富的中国西北地区，选址地方少雨、风季长、冬季酷寒。每年可用于施工的时间比较受限，大风天气和严寒天气均对施工进度有较大的影响。吸热器管屏在吸热塔钢结构上合拢成圆周形吸热面。管屏的管子壁厚很薄，为1.2～1.8 mm，并且吸热器有效受热面区域的管子均不采用焊缝拼接形式，管子一旦被砸碰，形成不可逆损伤就很难修复，因此管屏成品防护中要重点防止管屏受到砸碰。

对于50 MW容量的光热电站而言，管屏长度较长，平放占地面积大，现场翻转困难，施工过程中，要避免管屏有效受热面区域的涂层受到玷污和破损。因为现场多风沙，管屏相邻管子理论间距为零，受热面朝上平放时，小沙砾很容易聚集在管屏的相邻管子之间。现场施工环境复杂，管屏表面的高温涂层容易受到玷污，高温涂层在制造车间经过高温固化处理，涂层受损后现场很难修补。而且，管屏一旦吊装到200 m的就位高度，对管屏被污染部分的处理将变得困难，同时高温涂层的沾污和受损也影响管屏的吸热效率，因此成品防护要做好对涂层的保护。

管屏进入现场时，管屏吸热面朝上，固定装置和钢结构框架位置朝下，管屏的背光侧布置测温装置和保温模块。管屏的壁温测点、保温框架和保温材料等附件应在制造厂内组装完毕，减少现场对管屏及其附件的安装施工，以控制安装质量。因为风沙的原因，管屏进场后，须尽快组织施吊。若短时间内不能组织实施吊装，需要做好管屏的成品防护工作。

3 吸热器钢架安装

本工程的吸热器钢架为非独立式全钢结构，钢架整体结构模型和施工安装过程见图1。钢架下部支撑于离地高度约180 m的混凝土塔筒顶部，与混凝土塔筒顶部钢梁采用螺栓连接。吸热器钢架外形为圆筒形结构，16根主承重柱呈圆形布置在熔盐吸热器内侧，内部另有4根钢柱，作为电梯井道及支撑顶部旋转起重机设备；吸热器钢架柱脚采用螺栓与混凝土塔筒顶部支撑钢梁固定，现场在浇筑塔筒顶部楼板前，应将吸热器钢架柱脚连接所用螺栓固定于支撑钢梁上；在安装吸热器钢架前，应对螺栓予以保护，防止螺栓及螺纹损坏。安装过程中，构件必须牢固连接以确保在恒载、风载、地震作用及安装荷载条件下安全可靠，必须保证安装荷载在任何情况下不使构架遭到损害和变形。

图1 吸热器钢架整体布置

吸热器钢架在安装验收后应进行补喷锌或油漆涂刷。总体上，下列部分将在安装后进行补喷锌或油漆防腐。其他工厂没有油漆的部分，现场应均匀地刷漆，以形成光滑、连续、无破损的且无凹陷、斑点、针孔等缺陷的漆膜层。

4 吸热器管屏吊装管屏的吊装过程

主要分为3个阶段：水平起吊、管屏翻转和竖直上升阶段。其中，竖直上升阶段的吊装过程见图2。管屏安装在吸热器钢架上，就位高度在200 m左右，16个管屏在就位高度上组成一个圆周形受热面，每个管屏长约18 m，宽约3 m。每个管屏最外侧管子容易在吊装过程中受到吊绳、尖锐物体的破坏导致受损，在吊装过程中要采取一定的保护措施。管屏成圆周形布置，设计时要控制管屏之间的间隙，防止太阳光溢出，也要满足管屏的安装条件。随着每个管屏逐片就位，管屏吊装过程中会受到已就位管屏的影响，施工时应按顺序依次安装，最后形成合拢。

图2 管屏吊装

因为组成的吸热器管屏相邻管子理论间距为零，接受太阳光照的管屏吸热面上没有位置布置吊点。管屏的吊点一般设置在管屏背光侧，利用管屏的固定与导向装置设置吊点。吊点位置应与管屏中心对称，与管屏的重心位置匹配，保证吊装过程中的竖直上升阶段，管屏处于一个合适的倾斜角。布置吊点时，要核算管屏的重心位置、吊点附近相关梁、槽钢等固定装置的应力计算、相关焊缝计算以及水平起吊和竖直上升两种状态下管屏的受力情况。

另外，吊装前要对吸热器管屏进行清洗，确认天气状况，就位后管屏的水平方向和竖直方向上尺寸偏差和间隙应严格控制。

5 吸热器隔热防护

吸热器的隔热防护区域位于吸热器有效受热面上部和下部，其作用是保护吸热器内部系统、设备及钢结构不受溢出太阳光的伤害。隔热防护板施工完毕后的情况见图3。隔热防护板高空露天安装，材料必须采用白色的高反射材料，具有耐强紫外线照射能力，耐室外雨、雪、强风、暴晒等交替天气的能力，并具有耐高热流密度干烧的能力，在温差应力下不会开裂和损伤。本工程的吸热器隔热防护板整体上选用硅酸铝陶瓷纤维板，表面涂刷高反射涂料，兼具良好的防水性能。

吸热器隔热防护区域一般分为上部防护区、下部防护区和吸热器集箱防护区。考虑到光热电站后期维修等因素，隔热防护板必须模块化设计，方便拆卸和吊装，需要经常维修的部位，采用快速可拆卸的结构。

图3 吸热器管屏和隔热防护

6 管道电伴热带系统和集箱电加热系统

由于熔盐的低温凝结性，吸热器熔盐管道均敷设电伴热带系统，以维护系统的正常运行。电伴热带根据所需功率和被加热设备的不同结构采用不同的敷设方案，电伴热带有Y形接法、U形接法等，接线盒的位置也根据伴热带的敷设方式调整和变化。电伴热带的热电偶测量端与被测装置的固定形式应方便牢靠。备用热电偶和备用电源接线盒等与运行热电偶和电源接线盒距离应尽量近些，并考虑切换时供电电缆的余量。考虑到管道上电伴热带的敷设方式导致管道上部的温度略高于管道下部温度，竖直管路每一个回路的电伴热带长度不宜过长，水平管道上热电偶尽量安装在管道上方。敷设电伴热带，同一回路的电伴热带不可以重叠和交叉，电伴热带的冷端焊接头要在管道保温棉之外，接线盒要合理布置在附近结构平台。

集箱电加热器采用远红外辐射加热，加热结构形式为管式，用于集箱保温箱的预热和维持温度。电加热器总的来说，要具有体积小、功率大、热响应快、控温精度高、加热温度高、热效率高、较强的耐冷热交变性、温度可调以及受热温度均匀等特点。

7 管道布置及管道固定结构

吸热器系统的管道介质是熔盐，因熔盐具有低温凝结性，管道布置时要考虑一定的倾斜角度，防止熔盐凝结堵塞管道。与熔盐出口罐体连接的下降管分界处固定装置受力复杂，此区域的受力情况要进行核算，进行强度评定和疲劳强度评定。

在光热电站系统中，管道的固定结构一般形式为弹簧支架和导向装置等。管道的支吊架选型可以参考电站锅炉管道的固定结构装置选型。在考虑熔盐侧管道的固定装置选型时，因为电伴热带敷设在管道上，要注意固定装置和电伴热带的敷设顺序。考虑到缠有电伴热带的管道和固定装置直接接触，热量会通过固定装置散失，管道和固定装置之间最好布置定制的带孔硬质保温隔热材料，电伴热带穿过孔道对管道进行加热。

8 熔盐管道上仪器仪表的选型

管道上的仪器仪表主要包括阀门、流量计、压力表等。熔盐对各类型的仪器仪表等的特性提出了较高要求。阀门要具有耐腐蚀、耐高温、密封性、流动性和防结晶等特性。在阀门结构方面，阀体流道结构要利于熔盐的流动并避免熔盐的截留，材质要满足熔盐工作温度，体盖密封和阀盖密封要保证密封质量以防熔盐泄漏[3]。

由于熔盐的高温和凝固特性导致常规性仪表不能满足熔盐工况对压力表的特殊需求，熔盐侧压力表一般采用隔膜式压力表，隔膜材料采用耐高温、耐腐蚀的金属材料，导压介质通常使用硅油，而导压介质的耐温能力决定了压力表是否能够满足使用条件[4]。目前，熔盐侧管道的流量计一般采用非直接接触的超声波流量计，布置在吸热器入口管道监测流量。

9 塔顶吊的选型

塔顶吊设置于聚光吸热系统的顶部，布置高度约为220 m，用于吸热器系统后期的检修起吊。塔顶吊选型的时候要计算塔顶吊的吊转半径和吊装载荷，提供设备外形尺寸图、底座连接形式及基础负荷、设备总电机功率等。塔顶吊的吊转臂长要与混凝土塔的外径相匹配，满足后期维修和吊装需求。

10 结语

自中标中电工程哈密50 MW光热项目，东方锅炉自主研发的熔盐吸热器本体设备和辅助系统经过2年的设计、制造和安装阶段，于2019年年底投运。适用于50 MW容量等级的熔盐吸热器首次在工程上得以应用，前期设计和后期安装阶段均遇到一些挑战。本文结合设计阶段和吸热器安装阶段遇到的问题，对熔盐吸热器相关设备选型、安装要点以及一些结构特点进行了阐述。希望对后续塔式熔盐吸热器设计和安装有一定借鉴意义，并推动熔盐塔式光热发电技术日益进步。