槽式光热电厂集热管弯曲和破损分析

程兴利

（中国电建集团核电工程公司，山东济南 250100）

0 引言

槽式光热发电虽然是光热形式中较为成熟的技术，但积累的经验和技术仍有欠缺，目前可以借鉴和参考的实例不多。国内第一个槽式光热项目——中广核德令哈50 MW 槽式光热太阳岛建设实践中，国外公司技术相对成熟，为太阳岛提供了技术支持，但仍遇到一些常规火电厂建设过程中未曾出现的问题。其中很多问题是槽式光热的独有特点决定的，例如，集热管的损坏。

槽式光热电厂中集热管约占整个电厂投资成本的7%，是电厂的关键部件，对整体效率有着决定性影响。集热管脆弱和敏感，承受着温度变化和机械应力，极易导致弯曲或破损，因此有必要分析其弯曲和破损的原因。

1 集热管弯曲和破损对集热器性能的影响

在槽式光热中，集热器可以认为是一个大型精密光学设备。为高效利用太阳辐射，对集热管的光学和机械性能要求很高。集热器与其他组件和现场的具体特性一起决定了电厂性能。集热器的效率由光学效率和热效率组成，这两个相对独立的参数中，热效率以集热管单位长度的热损失表征，光学效率描述的是太阳辐射在集热管中转换成热能时产生的光学损失。影响光学效率的因素很多，很大程度上取决于集热器的几何形状精度，因此要求镜面形状尽量符合理想抛物线形状，集热管尽量位于理想焦点位置。

1.1 集热管弯曲的影响

集热管的弯曲降低了集热器的拦截率。拦截率是被集热管拦截到的反射辐射与总反射辐射的比率，它是对未能被集热管拦截到的反射辐射损失的量度。导致拦截率下降的因素很多，涉及到集热器的组件制造、组装、安装、调试和运行全过程，其中，集热管的位置精度是重要参数。这些因素都会导致集热管产生位置偏差，其中现场安装后产生的集热管弯曲难以纠正。

集热管的位移对拦截率的影响十分敏感，ET-150 型集热器的一些参数如图1 所示，集热器开口宽度5.76 m，焦距1.71 m，边缘角为80°，安装有肖特PTR70 集热管。由于太阳的半光锥角为0.267°，在不考虑入射角影响的情况下，集热器设计考虑到的光束半扩散角仅为0.42°，超出这一角度范围的光线都不能被集热管拦截到，产生光学损失。

图1 ET-150 集热器几何参数

1.2 集热管破损的影响

集热管吸收太阳辐射并将热能转移到传热流体中，其不锈钢吸热管与外层玻璃外壳之间的真空阻断了传热流体的对外传热。全新肖特PTR70 集热管在350 ℃时的热损失通常在150～200 W/m，玻璃管破损后的热损失达到1000～2000 W/m，是完好集热管的5～10 倍，且裸露集热管的吸热涂层很快会失效。

2 集热管的弯曲

2.1 重力作用引起的弯曲

重力作用可分为集热管支座之间的凹陷、支座变形以及不同仰角的自重作用。这类原因会引起集热管很小程度弯曲，影响不大。

2.2 热应力引起的弯曲

非连续均匀的光照辐射和传热不充分，产生的热应力会引起吸热钢管的残余应力和永久变形。为使传热均匀，太阳岛设计时限定了最小流量值。然而在多云天气下，集热管的情况变得复杂，云遮云散使太阳辐射急剧变化，集热器仍处于聚焦位置。反射镜侧的集热管表面温度急剧变化，集热管的周向温度梯度变得很大，可能产生永久性的弯曲变形。因此，集热管应设置最高温升速率限制，在云遮天气下应提高流量，使系统在较低温度下运行。

2.3 旋转膨胀组件引起的弯曲

德令哈项目采用的ET-150 集热器回路由4 个集热器构成，每个集热器两端设计有旋转膨胀组件（REPA），以补偿集热器的旋转和相对其安装固定点的热膨胀。位于中间的驱动机构使集热器每天跟踪太阳旋转，旋转过程中通过端部的集热管支架带动REPA 一起旋转。REPA 还承受集热管热膨胀产生的轴向力，REPA 球连接内的石墨密封剂承受的压力很高，旋转和摆动阻力矩较大。集热管的侧向抗扭刚性有限，很容易导致集热管的波浪形弯曲，端部第一根集热管弯曲程度最大，严重时能够影响到第三根集热管。目前，这类弯曲在槽式光热普遍存在，正常情况下不会对系统性能造成大的影响。如果因环境原因或流体恶化产生的固体异物进入密封面或补注密封剂过量，都会导致阻力矩过大，严重时可能致使第一根集热管弯曲超过25 mm，顶抵玻璃外壳，致其破裂。

2.4 其他原因

缺乏对槽式光热和集热管结构和原理的认知，疏于遵守操作规范和程序，导致集热管弯曲的偶然因素。首先，系统初始注油时，为防止集热管弯曲，应确保传热流体与集热管之间的温差不超过规定值。尽量避开寒冷季节注油，因为普遍使用的联苯-联苯醚导热油的凝点很高，对其加热的温度受到限制，不能超过400 ℃。温度过高还会导致这类导热油的氧化降解。其次，集热管的更换维修操作不当很容易导致其弯曲，一类是放空集热管的保护，即使位于贮存位置的集热器，集热管接收散射辐射的温度也可能达到150～170 ℃，尽量在无辐射时段维修或用保护膜阻断辐射，空置隔离的集热器，误动作聚焦将导致集热管的瞬间弯曲；另一类是维修放油不彻底，残留在球连接中的导热油凝固，使得球铰副运动失效，日出后集热管的膨胀受限，导致弯曲。

3 集热管外层玻璃管的破碎

集热管外层玻璃管的破碎有多种原因：①玻璃管制造过程中的原始材料缺陷；②搬运过程中的划伤和振动；③安装施工过程中的撞击和划伤；④温度剧烈变化和机械性外力。

槽式电厂寿命期间，玻璃管破碎趋势如图2 所示。在安装、注油和调试阶段，破裂的累计数量增加很快。在系统调试之后的一年内仍会有一定破损，此后除非偶然因素，基本很少发生破损现象。国外统计，安装、注油和调试阶段的破裂一般约为2‰～5‰。德令哈项目整个建设期间统计为1.68‰，低于摩洛哥NoorⅠ和NoorⅡ项目。

图2 槽式电厂寿命期间玻璃管破碎的趋势

太阳岛在正常运行期间仍可能发生集热管破碎现象，主要原因首先是不正确的接口保温罩安装，不锈钢吸热管与玻璃管的熔接处是集热管薄弱部位，未被保护而处于暴晒之下，容易引起集热管破裂。由于地理位置关系，集热管北端的破裂概率高于南端；其次，运行期间波纹管不断伸缩，如果保温金属罩与玻璃管接触将会划伤玻璃管，运行几年后会导致玻璃管破裂；再次，前述的集热管弯曲也可能导致玻璃管的破裂。

4 集热管的更换

集热管的弯曲和破损意味着太阳岛的热效率下降，集热管破裂应该立即更换，集热管弯曲超过3 mm，其光学损失很大，也应立即更换。但还要从经济性方面考虑，要根据既有的热损失和关停回路的发电损失进行衡量，要根据具体的电厂做适当模型分析确定。西班牙电厂一般回路积累到4～5 根时再更换，国内的槽式电厂一般位于西北地区，平均气温低于中东和南欧地区，建议积累到2～3 根时，在夏天一起更换为宜。

5 结束语

目前，槽式光热发电技术处于发展起步阶段，可以借鉴的施工和运行维护经验不多。应充分认识和理解槽式光热太阳岛和集热器的特点，将集热器视为一种大型精密光学设备，任何过大的几何形状偏差或组件的破坏都严重影响其光学效率。疏于严格遵守操作规范程序和维护都将导致较大的经济损失，尤其是在电厂建设阶段，应将防止集热管的破坏作为一项特殊的工作内容来管理，将集热管的弯曲和破损降到最低程度。