太陽能光熱發電系統安全風險初探

賈 超，王繼琳，曾 輝，張曉利，潘 建

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

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太陽能光熱發電系統安全風險初探

賈 超1，王繼琳1，曾 輝1，張曉利2，潘 建2

(1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；
2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

〔摘 要〕介紹了太陽能光熱發電系統分類，從集熱系統、蓄熱系統、換熱系統、輔熱系統、發電系統等方面對其進行安全風險分析，指出各種類型光熱發電系統的安全風險源，并提出了相關措施和建議，為太陽能光熱發電系統的設計、安裝和運行等提供了參考。

〔關鍵詞〕太陽能；光熱發電；安全評估；風險分析

0　引言

太陽能發電一般分為光伏發電和光熱發電2種類型。光熱發電也稱為聚焦型太陽能熱發電(Concentrating Solar Power，CSP)，其工作過程為:利用鏡面反射將太陽能的熱量聚集，吸熱器吸收熱量，產生水工質的高溫高壓蒸汽或其他高品質工質，并按常規方式驅動熱機裝置，帶動發電機發電。太陽能光熱發電，可以將多余的能量以熱量形式儲存，按照調度要求，調配熱量的儲存和釋放，在很大程度上解決了如風力發電、光伏發電類自然能源非穩定、難預測的并網難題。此外，太陽能光熱發電站也可以和傳統的化石能源聯合循環而混合發電，既清潔又可實現調峰；和常規光伏電站相比，其供電質量、供電時長及發電效率都有明顯優勢。

太陽能光熱發電系統一般由集熱系統、蓄熱系統、換熱系統、輔熱系統、發電系統和控制系統等組成。隨著我國光熱電價制度的落實和建設成本的降低，光熱發電系統的建設會逐步加快。光熱發電形式的多樣性、復雜性以及發電過程多處于高溫高壓的運行環境等因素，決定了其安全問題必須受到重視。另外，采用槽式導熱油介質的太陽能光熱發電站，其導熱油系統遍布整個廠區，潛在危險性比火電站大很多。

1　集熱系統

按集熱系統的不同，太陽能光熱發電系統可分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式等類型。

1.1塔式集熱系統

塔式集熱系統又稱集中型系統，其集熱系統由數以千計帶有雙軸太陽追蹤系統的平面鏡(稱為定日鏡)和1座(或數座)中央集熱塔構成。每個定日鏡都有獨立的跟蹤系統，可單軸跟蹤也可雙軸跟蹤，可開環控制也可閉環控制；但都需要將太陽光反射到集熱塔的接收器上，如圖1所示。定日鏡的遠距離跟蹤是個技術難題，定日鏡的任何微小傳動間隙都將造成反射光線不能照到集熱器上；尤其在風力的推動下，光斑的晃動會造成聚焦點溫度嚴重不均勻。

圖1　塔式集熱系統

集熱塔上的接收器相當于火電廠的鍋爐，可接收來自鏡場的熱量；接收器分為間接照射和直接照射2種。間接照射接收器先利用太陽能加熱受熱面，再通過受熱壁面將熱量向介質傳遞。管狀接收器就屬于這一種類型，其工作溫度一般在500 ℃以上；由于光斑的晃動和其他外力的干擾，會造成溫度場的非均勻，導致加熱介質泄漏及吸熱器燒毀。

集熱塔上的接收器一般設置預熱器、蒸發器及再熱器，以提高工作效率。接收器對介質的流動性要求較高，如發現介質缺少或介質未循環流動，應立即啟動保護措施，調整鏡場角度或隔離接收器，避免接收器過熱，造成熱介質泄漏和吸熱器燒毀。

集熱塔上部的工作溫度較高，應制定嚴格的操作規范，禁止在接收器工作時登塔。塔式集熱系統對供電的可靠性要求很高，一旦定日鏡失電，其形成的光斑將不再受控，產生的高溫足以給塔架及其他受熱物帶來致命傷害。另外，成千上萬面鏡子也容易使人產生光盲等傷害。

1.2槽式集熱系統

槽式集熱系統(見圖2)由多個槽型拋物面聚光集熱器經串并聯組合而成，槽型拋物面焦點即為集熱管所在位置。槽型拋物面也需跟蹤系統，隨太陽轉動；槽式集熱系統對傳動系統的精準度和抗風性有很高的要求。

圖2　槽式集熱系統

槽式集熱系統的危險點在于吸熱管的破碎以及集熱管兩邊的轉軸處，前者由于熱流密度的非均勻性造成非均勻的溫度場，從而會產生較大的應力；后者由于吸熱管需要隨拋物面旋轉，集熱管中的高溫傳導物質一旦泄漏，其自身溫度即可引燃造成火災。槽式集熱系統一旦失電，將會造成集熱管超溫，其介質可能發生化學分解等反應，影響安全運行。

1.3碟式集熱系統

碟式集熱系統(見圖3)由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，是相互獨立的拋物面反射結構，其聚光比可達3 000以上，發電效率高，但單機容量小、造價高；聚光比較高，存在超溫的可能性。

圖3　碟式集熱系統

1.4菲涅爾式集熱系統

菲涅爾式集熱系統(見圖4)由槽式光熱發電系統衍生而來，由2組對稱的菲涅爾結構的鏡面及固定的集熱管組成，鏡面結構的控制相對簡單，集熱管的安裝與維護相比槽式簡單，效率略低。由于該系統熱流密度的非均勻性會造成溫度場的非均勻性，可能造成較大的應力損傷，易引發吸熱管破碎。

圖4　菲涅爾式集熱系統

2　蓄熱系統

太陽能光熱發電系統最大的優勢在于可儲存熱能，把太陽能發電系統的間歇性變平滑，并能參與電力系統的調峰。太陽能蓄熱技術按照儲能方式的不同，可分為潛熱蓄熱、化學反應蓄熱和顯熱蓄熱3種。前2種還處于中試或實驗室階段，而顯熱蓄熱，尤其是液體顯熱蓄熱已被廣泛應用，如二元熔鹽和三元熔鹽等，合成油由于比熱容小、存儲熱量少，應用不多。

熔融鹽是鹽的熔融態液體，導熱系數大、熱穩定性和化學穩定性較好，與金屬容器的相容性好，溫度在300-1 000 ℃，與高溫高壓蒸汽輪機的工作溫度相匹配；在常壓下是液態，不易燃燒，價格較低；但熔鹽凝固點太高，在130-230 ℃，所以必須對相關設備和系統進行保溫、預熱和伴熱等操作。

高溫分解和腐蝕問題是熔鹽的主要缺點。三元鹽的凝固點相對較低，但當溫度高于540 ℃時，熱分解、氧化會引起三元鹽中亞硝酸鹽組分含量降低，從而使得熔鹽熔點上升，易引起各種運行故障。多元鹽腐蝕性嚴重，會在容器表面結殼，給穩定運行帶來困難。熔鹽中的KNO3是制作炸藥的原料之一，應加強備料管理。

蓄熱系統又分單罐和雙罐蓄熱系統。由于單罐蓄熱系統注入和出料結構復雜，傳熱、隔熱措施復雜，未廣泛采用。雙罐蓄熱系統一般由冷鹽罐、熱鹽罐、預熱器、蒸汽發生器、蒸汽過熱器等組成。熔融鹽的致命缺點是熔點高、運行溫度高、腐蝕性大，由此帶來爆炸、凍堵等一系列安全問題。因此在系統運行中，必須重點關注防凍堵及輔助設備加熱等問題。

3　 換熱系統

太陽能光熱發電系統的換熱系統主要涉及換熱介質的選擇，不同的換熱介質，其工作原理大不相同。換熱介質主要包括水、導熱油、熔融鹽、空氣等。

(1)作為可靠的換熱工作介質，水在集熱管中直接轉變為過熱蒸汽(500 ℃以上)進入汽輪發電機組發電。因不需要熱交換設備，不僅減少了換熱損失，且可簡化系統；但需解決水在蒸發段中存在汽水兩相流等技術問題。

(2)導熱油作為換熱介質，在高于沸騰溫度運行時，因為高溫高壓油霧與空氣形成爆炸性混合物，易對環境產生安全風險，故需用氮、氬等惰性氣體加壓，即必須用無氧氣層包覆。導熱油VP-1工作溫度不得超過395 ℃，否則將產生裂解，使其工作性能迅速降低。導熱油的比熱容小，用于儲熱需大量的導熱油，要建設相當體積的壓力罐，建設成本較高。采用導熱油做換熱介質，一般用熔融鹽來蓄熱；但蓄熱系統復雜，可靠性和安全性低，換熱效率下降，且油溫上限為400 ℃，難以發揮熔融鹽高溫儲熱的優勢。

(3)采用熔融鹽為傳熱介質，并兼作蓄熱介質，取消了導熱油系統，且可以把蒸汽溫度從350 ℃提高至510 ℃以上。但熔融鹽的凝固點很高，使融熔鹽在裝料、流動和切換過程存在溫度下降凍結的風險。在運行過程中，一旦設備失去動力，熔液冷卻凝固后將會導致重大事故。

(4)以空氣為介質的太陽能光熱發電系統，吸熱器可采用多孔陶瓷；陶瓷介質吸收聚集的太陽能，并通過抽吸周圍的空氣，從而帶走熱量。空氣可被加熱至700 ℃以上再進入燃氣輪機，在燃氣燃燒時放熱；或者進入鍋爐加熱水，形成蒸汽發電。空氣加熱的溫度高，電站效率也較高；但空氣換熱器難以做大，蓄熱量少，維護困難。

4　 輔熱系統

在太陽能光熱發電系統中，輔熱系統是普遍存在的。輔熱系統可給水蒸氣輔助加熱，提高發電效率；可在陽光不足的情況下，為系統提供備用能源；可對管道進行預熱和補熱，預防熔融鹽凝固；可對熔融鹽罐循環加熱，避免罐內熔融鹽凝固。輔熱系統對于太陽能光熱發電的安全十分重要。

輔熱系統一般分為電加熱、天然氣加熱和油加熱等方式。電加熱相對安全，但耗電量大而不經濟，且易引起局部超溫，使熔融鹽起化學分解反應而失效；天然氣加熱需貯存大量天然氣(有天然氣管道的除外)，其儲罐對電站而言是較大危險源；而油加熱時，油同樣是一種危險源。

5　 發電系統

發電系統由熱機和發電機等設備組成。熱機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質汽輪機、斯特林發動機等。大型光熱發電系統的溫度等級與火力發電系統基本相同，可使用常規汽輪機；當工作溫度在800 ℃以上時，可選用燃氣輪機；對于小功率或低溫光熱發電系統，則選用低沸點工質汽輪機或斯特林發動機。

采用汽輪機及燃氣輪機作為熱機，其安全風險與常規火電和燃氣輪機發電類似；斯特林機在運行期間，氫氣損耗較多(氫氣是重大危險源)。

6　 其他風險防范

(1)選址。目前，我國已建和規劃的太陽能光熱發電站大多位于西部陽光充裕地區，能滿足電站對占地的要求，但所處區域自然條件惡劣，大多風沙較大、海拔較高，周邊配套設施不完善。為保障光熱電站的長期、安全運行，在工程選址上應關注地形、地貌、供水、交通等條件，重視工程的防洪防澇、防震及防地質災害等措施。

(2)危險源辨識。太陽能光熱發電系統的介質對太陽能光熱發電站的安全性有著重要影響，導熱油、熔融鹽等重大危險源給廠區帶來巨大安全隱患。一旦高溫高壓介質發生泄漏，不僅損害設備，還對人員和環境帶來巨大的危害。因此，必須根據GB18218—2009《危險化學品重大危險源辨識》進行辨識與防范。

(3)可靠的備用電源。鑒于太陽能光熱發電站獨特運行方式對供電可靠性的極高要求，塔式集熱系統、熔融鹽防凝固系統均需要可靠的備用電源。但光熱電站一般位于網架末端，電網較脆弱、供電可靠性不高，故應配備可靠的備用電源，以防突然失電造成重大損失。

7　 結束語

太陽能光熱發電站占地面積大，危險源多，集熱、傳熱、蓄熱系統控制復雜，對現場維護人員提出了極高的要求。發電站應做好運維人員的安全培訓和管理工作，按質按量發放勞動防護用品，做好相關應急預案。建設單位應遵守相關安全法律法規，按時開展安全設施“三同時”工作，重視安全預評價、安全設施設計專篇、安全驗收評價的相關建議和結論，排查安全隱患，建設本質型安全工程。

隨著光熱電價的出臺和建設成本的不斷下降，我國電力市場必將迎來光熱發電大的發展。為此，應開展充分調研，深入了解不同光熱發電形式的風險及安全要求，做好光熱發電的安全工作。

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7 宋記鋒，丁樹娟.太陽能熱發電站[M].北京：機械工業出版社，2012.

賈 超(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運行工作，email：125798722@qq.com。

王繼琳(1982-)，女，高級工程師，主要從事可再生能源安全運行。

曾 輝(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運行。

張曉利(1979-)，男，高級工程師，主要從事水電安全評價工作。

潘 建(1981-)，男，高級工程師，主要從事水電安全評價工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-09-28。