光热发电安全风险及防控措施分析

李云松，范培培，燕 波，兰颖彪，崔 健，李 翔，赵宇龙

(1.中国三峡新能源(集团)股份有限公司河北分公司，河北 石家庄 050011；2.三峡新能源尚义风电有限公司，河北 张家口 076750)

0 引言

光热发电是利用大规模阵列抛物或碟形镜面等反射太阳能，通过热能转化机械能驱动汽轮机组发电的技术，因其制造成本低、发电效率高、可利用时间长、清洁无污染等优势受到广泛关注，然而其推广利用也伴随着新的安全风险。国内外专家学者针对光热发电聚光集热系统、传热工质、发电设备结构、安全技术特点等进行了诸多研究。例如有学者提出光伏—光热互补运行的双层发输电系统可靠性评估模型，可有效降低电网运行风险。有学者分析了塔式熔盐光热发电系统在环境端和负荷端双重扰动条件下的热输运特性，为塔式熔盐光热发电系统的运行调控策略制定提供理论基础。还有学者依据塔式光热发电中熔融盐热能储存的腐蚀机理，提出新型防腐蚀技术，可有效降低因熔融盐泄漏发生的安全风险。

1 光热发电系统形式

光热发电系统主要形式分为碟式、槽式、塔式、线性菲涅尔式四种。碟式系统由聚光碟和斯特林发动机等组成，光线经聚光碟抛物面反射到斯特林机热头处，加热内部气体工质；塔式系统通过镜场的多面定日镜实时追踪太阳，将具有高能流密度的太阳光聚集到塔顶的吸热器；槽式光热发电系统由槽型抛物面镜、真空集热管等组成，抛物柱面反射镜将阳光聚集到集热管壁下表面；线性菲涅尔式通过多面平放单轴转动的反动镜组成矩形镜面反射阳光加热集热管内工质。

2 光热电站安全风险点

在国内已经建成的光热发电系统中，大约有60 %是塔式，28 %是槽式，12 %是线性菲涅尔式；碟式进入试验示范阶段较晚，在此不作探讨。不同形式的光热发电系统所伴随的安全风险有所不同。

除光伏、风电等可再生能源发电系统常见的风险外，光热电站还存在着其他易被忽视的运行风险，比如镜面转动过程中易受云雾遮挡，影响其对太阳移动的同步跟踪；光热电站的聚光光斑中心处热流密度可达20～30 kW/m2，强光反射损坏视力甚至致盲；吸热器内导热油正常工作温度远高于燃点，一旦泄漏极易引发火灾、释放有毒气体，给现场工作人员带来高温烫伤、刺激呼吸系统黏膜等危险。

2.1 塔式光热电站

在塔式光热发电系统运行中，定日镜跟踪太阳时易受风力影响发生偏移，吸热器热流密度分布不均，局部高温灼坏吸热器引起工质泄漏，对塔底作业人员造成灼烫伤害。当发现吸热器内工质循环流动不畅时，应远程操控定日镜倾斜度来减少入射光线，避免吸热器温度过高。

目前塔式集热系统内部工质为KNO3和NaNO3混合的高温熔融盐，属于强氧化剂，与易燃物接触易引发爆炸和火灾，且燃烧时释放的有毒气体会危害人体安全。一旦出现泄漏应立即停运集热系统，待温度降至环境温度后进行现场处置。

因塔式吸热器高度远高于其他光热电站，100 m 以上的集热塔采用混凝土浇筑。人员未严格按照工作规程进行施工作业时，存在高处坠落风险；如混凝土性能不达标，会因强度不足而引发集热塔坍塌；交叉作业时面临隔热防护板掉落造成物体撞击、电焊火星引发火灾、镜场反射溢出的高温辐射光斑烫伤等风险。

2.2 槽式光热电站

在槽式光热发电系统中，槽型抛物面的大开口结构易受大风影响造成损伤；抛物面长时间暴露在外会累积灰尘，削弱其反射能力，影响吸热管内加热温度，对设备长期安全运行带来挑战。

槽式光热发电系统中主要导热介质为导热油，其主要成份为二苯醚和联二苯。导热油对设备无腐蚀、导热率大，但其长期使用不当会使热导率降低；导热油高温工况下可能产生热裂解，裂解产物在集热管内凝结成块，会堵塞集热管，导致管壁局部温度过高而引发爆管。

2.3 线性菲涅尔式光热电站

线性菲涅尔式光热发电系统采用导热油作为导热介质，熔盐作为储热介质。同槽式系统类似，其集热系统预热、循环、防凝、熔解等同样伴随着安全隐患，比如吸热管表面能流分布不均匀会造成吸热管外壁温度分布不均使吸热管破碎；吸热管的旋转接头等连接部件在高温长期运行下，由于阀门、旋转接头的密封填料发生损耗或者热应力拉裂管道焊口使管内导热油泄漏，导致高温导热油汽化挥发引发火灾、爆炸事故。

由此可见，德国法院认为对于“专门用于执行专利方法的产品”，适用默示许可理论而非权利用尽理论，因此专利权人可以在售出该产品时将这种默示许可通过许可协议的方式“明示化”。这样在买方违反许可协议后，专利权人可主张其未获得许可或撤销专利许可而构成专利侵权。

3 安全风险防范对策

3.1 合理选址

需从源头做好场站选址工作，在保证年日照小时数和场址DNI 值等光热发电因素前提下，宜选择非地震带、岩土条件较好、暴雨等极端天气少的地区，以减少环境对设备的污损及防止巡检时遭遇自然灾害；应避开草木生长茂盛选择地势平坦开阔的地域，便于快速运输消防物资、防控火灾风险。

3.2 遵守光热安全工作规程

在进行集热塔相关作业时，禁止在塔式吸热器高温运行时登塔；在开展站内设备巡视时，不可直视聚光光斑中心处；注重设备的日常维护，以减弱导热油、熔盐对电力生产设备造成的危害。

3.3 配备防护装备

光热电站要配齐作业防护装备，增强风险管控和事故防范能力。应在镜场安装遮光屏障等防眩光装置，同时人员应配备穿戴护目镜、偏光镜等；应配备传热系数较低、能减弱热辐射的主动式降温服、防腐蚀手套、隔热面罩、阻燃隔热服等以防高温烫伤；塔式电站应配备防坠落相关装置，如五点式安全带、导向型防坠器、导轨、6×19-17.0 及以上型号的吊装钢丝绳等。

3.4 严格按规程使用导热介质

导热油在使用过程中，为了保证其氧化稳定性，应定期化验油体成分，重点关注水分等低沸杂质，纯度较低时应更换新油；禁止不同型号导热油互相掺杂，以延长其使用时间；确保导热油与空气不进行直接接触，可利用氮封装置来避免导热油氧化；遇到热盐罐中熔盐泄漏问题时，需佩戴能防高温腐蚀的面罩及防护服等，泄漏熔盐用沙土掩埋。

3.5 利用远程监控设备

利用红外热成像视频监控设备可以在夜晚及阴雨天气实施设备监控，并实时监测熔盐罐温度波动情况，有利于场站人员快速诊断并有效预控泄漏。光热发电站可结合无人机远程监测技术对塔式、槽式系统定期巡检，利用其自带红外热成像功能，实时监控镜场镜面洁净度、集热管有无破损等情况。

3.6 优化聚光集热系统

优化主反射镜和二次反射镜的结构设计或跟踪控制系统，降低局部高温，解决吸热管表面能流分布不均的问题，可在集热管能流密度高的一侧布置微肋片、涡流发生器等，以增强集热管的综合传热性能。

4 结束语

安全管理是光热发电站的基础工作，结合光热发电系统的特性进行针对性风险识别与管控，才能有效保障人员和设备的安全，提高发电效益，更好地发挥光热发电系统的优势。