槽式太阳能热发电站中太阳岛的集热器回路的压力试验分析

程兴利

(中国电建集团核电工程公司，济南 250100)

0 引言

槽式太阳能热发电站中的太阳岛是由多个集热器回路构成，这些回路以相互平行的并联方式布置，并通过导热油母管连接。国内首个槽式太阳能热发电项目——中广核德令哈50 MW槽式太阳能热发电站(下文简称为“德令哈热发电站”)中的太阳岛由190个集热器回路构成，每个集热器回路由4个长为150 m的集热器(型号为欧洲槽ET-150)串联组成，每个集热器由12个长为12 m的集热管单元连接构成。每个集热器回路中包含144根集热管单元和24个球连接组件。

在设计工况下，流经集热管和球连接组件的导热油(联苯-联苯醚混合物)的工作压力为3.3 MPa；当导热油的入口温度为293 ℃时，其在流经1个集热器回路后会被加热到393 ℃。与常规火电厂热源稳定、可控性强不同，由于太阳辐射是不可控的，其会随季节、每天的日出日落及云层遮挡情况的变化而变化，因此以太阳辐射作为热源的太阳能热发电站需根据不同天气情况采取灵活的运行策略，导致在实际运行过程中导热油的工作压力和温度会存在较大波动。由于集热管承受着不断变化的热应力，集热器的跟踪转动还会使集热管承受机械应力，且高温导热油对具有膨胀和旋转功能的球连接组件的密封性有很高的要求，因此，集热管和球连接组件的焊接质量尤为重要，需要在无损探伤试验之后、注油之前对集热器回路进行压力试验，以检验其结构强度和密封性。本文分别对采用不同介质的压力试验方法进行了分析和对比。

1 压力试验方法对比

集热器回路的压力试验主要包括水压试验和气压试验，至于采用何种方式，可依项目的具体情况来定。对于传热工质为导热油的槽式太阳能热发电站而言，目前普遍采用Schott PTR70集热管，该类集热管内部的吸热管是由厚度为1.7 mm的不锈钢板卷制焊接而成，所以可能会存在焊接质量缺陷；外层为真空玻璃管。但压力试验存在导致真空玻璃管爆裂或发生介质泄漏的风险，且事故发生后飞溅的玻璃碎片、高温导热油和高温蒸汽均会造成集热器反射镜的破碎飞溅。

当采用除盐水或导热油作为介质进行水压试验时，均需配置专用的移动式试验设备，此外还需配备泵送、过滤、计量、加热、储存及化验等装置，成本较高，不过目前国内还未生产出此类设备。当采用除盐水时，不锈钢吸热管对除盐水的氯离子等卤素的浓度要求较高，且必须逐个集热器回路进行试验；而每个集热器回路首次使用除盐水时必须对水质进行重新化验，在每次压力试验完成、除盐水从回路中排出后需要立即烘干，以防止任何有害的含氯水残留；在试验后的48 h内要进行导热油注入，否则需要使用惰性气体氮气进行密封[1]。而采用导热油时，则不存在上述问题，但导热油价格昂贵，且加热温度过高时会导致其氧化降解，因此在试验过程中需严格控制导热油温度；此外，导热油具有微毒性，若泄漏会危害环境。

考虑到集热器回路的管路不仅长，而且弯道多，再加上球连接组件的结构特点，若采用水压试验，除盐水的排放和吹干都较为困难，此外，除盐水和导热油的凝点(12 ℃)都较高，因此为了防止集热管弯曲，除盐水或导热油被加热时与不锈钢吸热管之间的温差不能高于30 ℃。

国内适宜建造太阳能热发电站且太阳直接法向辐射(DNI)较高的区域均在西北地区和内蒙古等高寒地区，但由于气温原因，这些地区1年中有很长时间不适于采用以除盐水和导热油为介质的水压试验。而采用气体作为介质的气压试验可避免上述情况，但由于气体具有可压缩性，气压试验存在爆炸的潜在危险，因此通常不建议采用气压试验，但由于吸热管是壁厚较薄的不锈钢管，避免了爆炸风险。对上述2种压力试验方法进行比较，对比结果如表1所示。根据表1的结果综合考虑后发现，在保证安全的前提下，槽式太阳能热发电站中太阳岛的集热器回路的压力试验采用气压试验较为合适。

表1 2种压力试验方法的对比Table 1 Comparison of two pressure test methods

德令哈热发电站在建设过程中，对集热器回路的气压试验采用何种介质进行了充分的论证和调研。摩洛哥NoorⅢ项目的气压试验采用的是氮气，同时，德令哈热发电站的集热管供货商西班牙Rioglass公司也建议尽量采用氮气进行气压试验。但由于可供参考的采用氮气进行气压试验的实际案例很少，且国内对于液态氮的低温和汽化装置的操作、运行知识和经验均较欠缺，因此，在对几种介质进行了综合分析对比后，最终以压缩空气作为气压试验的介质。

2 气压试验中的测试与计算

2.1 集热管的结构耐压测试和试验压力值

德令哈热发电站采用的是Schott PTR70集热管，其最大允许压力为4.1 MPa。为了验证集热管内不锈钢吸热管的耐压性，选用1根真空玻璃管破碎而吸热管完好的报废的集热管进行破坏试验。在空旷的戈壁滩上布置了一处安全的地下空间，在足够远的距离对集热管进行了压缩空气加压试验，最终因空压机的性能原因，仅加压至7 MPa，但此时集热管内的不锈钢管完好无损。由此可知，此种集热管的耐压性很好。

对于本项目，多方专业人士均建议按照ASME B31.1: 2014[2]进行集热器回路压力试验，而根据此规范中第137.5.5条的要求，集热器回路的最大允许试验压力Pt应为设计最大工作压力P的1.2～1.5倍，但西班牙Rioglass公司要求执行1.2倍(与摩洛哥NoorⅢ项目的回路压力试验值相同)。由于德令哈热发电站中集热器回路的设计最大工作压力P=3.9 MPa，因此其最大允许试验压力Pt=3.9 ×1.2=4.68 MPa。

2.2 相关计算

2.2.1 压缩空气储存能量的计算

空气具有极大的可压缩性，被压缩时具有很高的势能，即使微小的泄漏都可能导致集热管破裂和爆炸，释放出的能量会造成爆炸性冲击，因此应进行压缩空气储存的能量的计算。

根据 ASME PCC-2: 2015[3]的要求，在进行气压试验时，设备或管道系统所储存的能量应根据相应公式进行计算，并转换成三硝基甲苯(TNT)当量。

当使用压缩空气进行气压试验时，其储存的能量E的计算式可表示为：

式中：Pa为绝对气压，kPa，此处取101；Pat为绝对试验压力，Pa，此处取4.78×106；V为试验介质的体积，即压缩空气的体积，m3。

由于1个集热器回路的容积约为2.3 m3，将相关数据代入式(1)，可得到每个集热器回路的压缩空气储存的能量E=1.84×107J。根据ASME PCC-2: 2015中第5.1 条强制性附录II，将E换算成TNT当量的计算式为：

代入相关数据，可得到每个集热器回路的TNT当量为4.31 kg。

2.2.2 冲击波距离的计算

根据ASME PCC-2: 2015的要求，试验过程中，所有人员与试验设备之间应保持最小的安全距离，当E≤1.355×108J时，爆炸时冲击波影响的最小安全距离R=30 m。但当一次试验中选择太多的集热器回路时，将导致管路过长且接头过多，因此每次气压试验的集热器回路数量不应超过5个，这样可满足E≤1.355×108J，则冲击波的R确定为30 m。

2.2.3 易碎物抛射距离的计算

易碎物的抛射距离可根据ASME PCC-2:2015来确定，TNT当量在3～5 kg时，其最小安全距离R取60 m。由于太阳岛的集热器回路的结构布置特点，若5个集热器回路一起试验，所占用的面积非常大，各个集热器之间也会相互遮挡，不能简单地将5个回路的TNT当量累加在单个压力管道或压力容器中，只需考虑最外侧的回路即可，因此将R考虑为5个回路构成的矩形区域边线外的60 m。

2.2.4 试验温度的计算

集热器回路中的导热油管道包括连接冷热母管的出入口支管、跨接互联管道、球连接组件和阀门及集热管等，其中，连接冷热母管的出入口支管、跨接互联管道、球连接组件和阀门的材质均为 ASTM A106 Gr.B碳钢，集热管内吸热管的材质为DIN 1.4541不锈钢。

对于DIN 1.4541不锈钢管而言，其最低设计金属温度为-162.7 ℃，而试验现场不可能达到最低允许试验温度-146 ℃，因此可不考虑此参数。对于ASTM A106 Gr.B碳钢管而言，在环境温度低于-12.2 ℃的情况下，若气压试验产生的环向应力达到材料的极限强度41.37 N/mm2时，ASTM A106 Gr.B碳钢管将会发生脆性断裂。因此，在气压试验过程中，必须考虑碳钢管管道的温度，此时集热器回路的Pt的计算式可表示为[4]：

式中：S为ASTM A106 Gr.B碳钢的强度极限，N/mm2，此处取41.37；D为碳钢管管道的外径，mm；t为碳钢管管道壁厚，mm；y为与碳钢管管道壁厚有关的系数，可从ASME B31.3:2018[5]的表304.1.1中选取，对于的情况，y=0.4。

对于集热回路中直径为73 mm、厚度为7.01 mm的碳钢管，Pt=8.59 MPa；对于直径为88.9 mm、厚度为5.49 mm的碳钢管，Pt=5.38 MPa；这2个值均大于4.68 MPa。因此，若要集热器回路的Pt≥4.68 MPa，则气压试验必须在不低于-12.2 ℃的环境温度下进行。

3 气压试验的实施

气压试验装置的布置方式如图1所示。

图1 气压试验装置的布置方式Fig. 1 Arrangement of pressure test apparatus

气压试验装置中安全阀的设定压力要高于Pt的10%；此外，油水分离器的作用是分离压缩空气中的水分和油分等杂质，因为未经处理的水分对集热管内部不锈钢的危害很大，而且将来镜场集热系统运行时的工作介质是导热油，试验结束后管道内残留的杂质将加速催化导热油的氧化降解。

气压试验流程示意图如图2所示[6]。其中，T为停滞时间，T≥10 min；d为肥皂水检漏阶段，对应的试验压力为0.4 MPa；SG为稳定压力。

图2 气压试验流程示意图Fig. 2 Flow schematic diagram of air pressure test

考虑到安全因素，压力试验应选择在非工作时间的夜间进行。另外，考虑到集热器回路的结构和布置特点，试验压力应逐步增加，每次停滞至少10 min，以稳定集热器回路的压力和噪声，在达到Pt=4.68 MPa后停滞至少30 min，以观测集热器回路的情况，然后缓慢泄压。采用肥皂水检漏时，ASME B31.1: 2014要求的检漏点压力为0.175 MPa，而集热管供货方建议为0.4 MPa。由于集热管与球连接组件的焊缝均非常多，而且集热器的反射镜和集热管包含大量玻璃，若碎裂则危险性较大，因此，将肥皂水检漏阶段的常规泄压至P改为泄压至0.4 MPa，且该阶段在夜间试验完成后的白天进行。

4 试验结果和建议

按照德令哈热发电站的施工进度，采用压缩空气的气压试验是在2017年11月进行的，根据当地的天气预报，在夜间气温低于-12.2 ℃的4天时间内并未进行试验，气压试验初期时是逐个集热器回路进行试验，但在积累了一定经验后，改为以5个集热器回路为1组进行气压试验，190个集热器回路的气压试验是在1个月内完成。整个试验期间未出现任何一处泄露点，未发生任何潜在的危险，试验结果令人满意。

结合德令哈热发电站的工程实践，对集热器回路的压力试验提出以下建议：1)压力试验是在100%的无损探伤试验合格后进行的，鉴于集热器回路气压试验的危险性，禁止以压力试验代替无损探伤试验；2)当空压机与第1个集热器回路之间的距离较远时，压缩空气管道宜选用10 MPa以上的钢丝层液压胶管，以螺纹连接胶管接头，避免使用快速接头，严禁使用铁丝绑扎连接，每隔5～8 m在集热器、导热油管道基础或自行设置的固定点上固定一次压缩空气管道；3)虽然要求在非工作时间的夜间进行压力试验，但安全起见，需要在试验期间，每天以公告的形式发布夜间要占用的试验区域、时间和安全禁令；4)由于试验压力要将空气的体积压缩至其常压时的约1/47，需要经过多级压缩才能达到，因此若空压机的排量偏小，将耗费很长时间。

5 结论

本文对槽式太阳能热发电站中太阳岛的集热器回路使用除盐水或导热油的水压试验和使用氮气或压缩空气的气压试验进行了分析对比，在无类似经验可直接借鉴的情况下，采用本文所述方案和工艺，成功完成了德令哈热发电站中190个集热器回路的压力试验，为同类项目的施工积累了可以参考的经验。

但需要说明的是，气压试验采用压缩空气的效果仍不如采用氮气的效果好，这是因为压缩空气中含有水和油或其他杂质，水中可能携带的氯离子会引起不锈钢吸热管的点蚀及随后的应力开裂，油和其他杂质的残留会加速催化导热油的氧化降解，对压缩空气进行油水分离极为重要，在具备条件时还是首选氮气作为介质进行气压试验。另外，集热器两端的球连接组件内部有用于密封高温导热油的粉状石墨，由于气体的分子远小于液体的分子，在球连接组件中的气体比导热油更容易泄漏，因此进行气压试验时可能会有轻微的空气泄漏，导致试验压力下降非常缓慢，但球连接组件供货商美国Hyspan公司认为这是允许的。