關于光熱電站導熱油系統的設計及需注意問題探討

摘 要：光熱電站作為未來新能源的一個發展方向，有其他化石燃料電廠不能比擬的優勢，將極大的節約資源，保護環境。導熱油系統是光熱電站中的主要傳熱系統，導熱油系統一方面負責將太陽場收集的熱量傳給蒸汽發生系統產生蒸汽推動汽輪機發電，另一方面還負責將太陽場收集的多余熱量傳給儲熱系統將熱量儲存起來，在沒有光照的時候再負責將儲熱系統的熱量傳遞給蒸汽發生系統，導熱油系統的設計是否合理對于整個系統的安全及穩定運行起著至關重要的作用。導熱油系統在設計過程中要有可靠的膨脹系統并有防凝系統防止低溫凝固，還要有可靠的氮氣保護系統及事故排放系統，保證系統運行安全可靠。文章將為大家分析光熱電站的導熱油系統設計及設計過程中的需要注意的問題。

關鍵詞：導熱油系統；膨脹系統；防凝固；氮氣保護；事故排放；建議

1 概述

以化石能源為主的能源消費結構對環境及氣候變化產生了極大的負面影響，對經濟和環境發展構成了極大威脅，并且可供開發利用的一次性常規能源儲備已經非常有限，從能源安全及可持續發展的角度而言，太陽能是解決人類目前所面臨的能源危機和環境問題的有效方案。光熱電站作為利用太陽能的清潔的可再生能源電站，不會對環境產生污染，可以減少對化石能源的消耗，減少二氧化碳及其他污染物的排放，改善人類的生活環境。世界各國均把太陽能熱發電的商業化開發和利用作為未來替代能源重要的發展方向而加以推動。光熱電站利用太陽的直射光來產生熱能，導熱油系統將太陽場收集的熱量傳給蒸汽發生系統產生高溫蒸汽來推動汽輪機發電。光熱電站利用液態導熱油作為傳熱介質，導熱油系統一方面負責將太陽場收集到的熱量傳給蒸汽發生系統的給水產生蒸汽和另一方面將多余的熱量傳給儲熱系統的熔融鹽儲存起來，夜間將熔鹽系統的熱量再傳給給水產生蒸汽推動汽輪機發電。光熱電站用的導熱油泄露性極強，高溫導熱油泄露后會閃蒸形成高溫導熱油蒸汽，遇明火會引起燃燒爆炸，造成事故。導熱油系統的設計是否合理關系到整個電站系統是否能夠安全穩定的運行。合理的系統設計可以避免系統運行過程中的不必要的事故，保證電站的安全穩定，延遲導熱油及系統內設備的使用壽命。下面我將介紹光熱電站的導熱油系統中主要系統的設計及設計過程中需注意的問題。

2 系統設計方案介紹

光熱電站用的導熱油的成分為聯苯26.5%和聯苯醚73.5%，最高允許使用溫度為400℃，最高允許液膜溫度為425℃，結晶點為12℃，閃點為124℃，燃點為127℃，常態沸點為257℃。

光熱電站的導熱油系統包括導熱油膨脹系統、氮氣保護系統、動力循環系統、事故排放系統、防凝固系統、導熱油過濾系統。

2.1 導熱油膨脹系統

導熱油膨脹系統的作用主要是吸收導熱油升溫后膨脹的容積及在初始煮油階段進行排氣。根據所使用的導熱油物性及操作溫度，系統中的導熱油可能膨脹到比原體積多25%以上；另外導熱油膨脹箱安裝在系統的最高點，可以用作排放導熱油中聚集的過量低沸物及水蒸汽的主要排氣口；另外導熱油系統上接有氮氣管道可以對導熱油系統進行定壓，防止高溫導熱油氣化；當系統中的導熱油不足時，導熱油膨脹系統可以用來對系統進行補油。導熱油膨脹箱安裝在最高點可以對導熱油循環泵入口產生一個正壓頭，避免產生汽蝕，從而使循環泵能夠穩定連續的運行。

導熱油膨脹系統由導熱油膨脹箱，導熱油膨脹管，導熱油循環管，溢流油管道，以及膨脹箱上部設置的氮氣保護系統，及緊急排放系統組成。

為了使系統能達到最佳的運行效果，導熱油膨脹箱的設計考慮以下基本設計參數。

（1）膨脹箱容積計算

膨脹箱要考慮容納系統中全部導熱油膨脹后增加的膨脹量△V，并且還要留有一定的容積余量△VR，這樣在系統正常運行時可以使膨脹箱內留有一定的氮氣空間，可以通過氮氣定壓保證系統的導熱油不發生氣化。按照DIN4754規定，容積小于1000L（含1000L）的裝置，膨脹量定為系統中所有導熱油從初始狀態到達到最高溫度下膨脹體積的1.5倍；而容積大于1000L的裝置定義為1.3倍。

膨脹箱的體積V=△Vm+△V+△VR（△Vm為最低填充液位狀態下的體積）。

另外導熱油膨脹箱上面設有溢流油管道，當膨脹箱中的導熱油膨脹過多超過膨脹箱的最高液位時，導熱油通過溢流油管道排放至導熱油溢流油罐中。

導熱油的溢流油管道也可以作為聯通管，使導熱油膨脹箱和溢流油罐中的壓力保持一致，避免溢流油罐中的導熱油氣化。

（2）膨脹箱上膨脹管和循環管及閥門的設計

導熱油膨脹箱下面接有一根膨脹管、一根循環管。膨脹管的作用為滿足流體膨脹的需要，膨脹管不設置閥門，這是因為防止有人誤操作將閥門關閉，導則系統中的導熱油體積膨脹后不能進入膨脹箱而發生事故。

由于水壓試驗或施工期間管道系統中可能產生冷凝水不能排放干凈，系統開車期間這些水分必須去除，否則導熱油泵將產生汽蝕。為了排除導熱油系統內的水蒸汽，在系統初始啟動時需要進行煮油，在膨脹箱下面接了一根循環管與導熱油主管連接，當系統注完油之后煮油排汽時將循環管的閥門打開，將導熱油主管路上循環管和膨脹管之間的閥門關閉，導熱油將全部通過膨脹箱進行流通，系統逐步升溫到149℃～177℃，將系統中的水蒸氣通過膨脹箱收集并排放掉。當排氣完成后將循環管的閥門關閉，將導熱油主管路上循環管和膨脹管之間的閥門打開。當系統中有低沸點油氣聚集時，也按此方法進行排氣。

膨脹箱上面的儀表設置如下：通常與傳熱系統其他部分一樣，在膨脹箱上面設置有高低位液壓報警器，當導熱油系統發生泄漏事故時，膨脹箱液位降低，與報警器相連接的低位切換開關將自動關閉加熱器和導熱油泵并進行報警。在導熱油膨脹箱上面還設有溫度計和壓力表。當冬天膨脹箱中的導熱油溫度過低時，導熱油系統將報警，這時需要打開循環管上的閥門，使系統中的導熱油在膨脹箱中進行循環加熱膨脹箱里面的導熱油防止其凝固。

2.2 氮氣保護系統

由于高溫的導熱油和空氣接觸會發生氧化，導熱油的氧化會引起固體不溶物的生成和結垢，他們使傳熱效率降低并會破壞導熱油泵的機械密封功能，不溶物的形成速率取決于導熱油暴露在空氣中的時間和溫度。通常在傳熱系統中，滲入系統的空氣主要來源于導熱油膨脹箱。

為了使系統中的導熱油氧化程度降到最低，我們采用了用氮氣保護的方案，氮氣的壓力在1.3MPa左右，氮氣一方面將導熱油與空氣隔絕防止導熱油被氧化，另一方面氮氣可以保證系統中的導熱油在高溫狀態下不會氣化。本項目的氮氣保護系統設計為在膨脹箱上部接上氮氣管道與氮氣混流排連接。氮氣管道上設置自力式調節閥，來調節膨脹箱里面氮氣的壓力。當膨脹箱中的氮氣壓力降低時，自立式調節閥會自動打開向膨脹箱中沖入氮氣。

另外膨脹箱上中還設有排氣管道，排氣管道與事故油池連接，排氣管道上也設有自力式調節閥，當膨脹箱內的壓力過大時，調壓閥會自動打開，排放一部分氮氣來泄壓。

2.3 動力循環系統

導熱油系統中設置了三臺臥式多級離心泵，兩臺運行一臺備用。導熱油泵布置在0m，導熱油從膨脹箱中出來后先經過導熱油泵入口的過濾器，然后再進入導熱油泵，此過濾器設置是為了過濾系統中的固體雜物，以免損壞油泵。導熱油從導熱油泵出口出來后經過導熱油母管進入太陽場進行加熱。在導熱油泵出口至太陽場的管道上設有逆止閥和調節閥，逆止閥防止導熱油發生倒流，調節閥用量調節進入太陽場的導熱油的流量，通過調節導熱油的流量來控制太陽場出口導熱油的溫度為恒定的393℃。

從太陽場出來后的導熱油分成三路，一路進入儲熱系統，一路進入蒸汽發生系統，還有一路旁路系統，可以不進蒸汽發生系統和儲熱系統直接回到導熱油循環泵的入口，這一路的主要作用為導熱油初始升溫狀態時不經過蒸汽發生系統和儲能系統循環。

從太陽場出來的導熱油管道經過導熱油母管在進入儲熱系統的管路上設有調節閥，可以調節進入儲熱系統的導熱油的流量；在從太陽場出來進入蒸汽發生系統的管路上也設有調節閥，這個調節閥用量調節進入蒸汽發生系統的導熱油的流量。在進入蒸汽發生系統和儲熱系統的入口管道上設有一根聯絡管，這根管道作用是在沒有光照的狀態下由儲熱系統產生的熱量來加熱導熱油然后進入蒸汽發生系統的給水產生蒸汽。

光熱項目導熱油循環系統用的導熱油泵為臥式多級離心泵，由于VP-1這種導熱油滲透性極強，特別容易泄露，考慮到導熱油介質泄漏到空氣中易燃易爆，且對人體皮膚有害，故此泵采用密封系統為雙端面機械密封沖洗方案，該機械密封選取常溫的油為外部隔離液，外部隔離液容器向密封腔內提供常溫的油，隔離液（常溫油）通過泵內部的泵送環在泵密封系統內自循環。當隔離液內部循環的壓力小于泵入口壓力1.0～1.3MPa時，外部隔離液通過一氣囊自動加壓，啟動隔離液手動補液泵，直到加壓到大于所要密封的流程流體壓力，外部隔離液容器停止加壓。該密封方案兩個機械密封為背對背布置。

2.4 事故排放系統

當導熱油系統發生故障，導熱油系統的導熱油泵、過濾器、蒸汽發生器等設備或管道發生泄露時，由于保溫層的虹吸作用從設備、管道、閥門或接頭處泄露的導熱油會浸入保溫層，從而造成潛在的火災危險，在這種狀況下，保溫材料處于高溫，容易形成自燃而引起火災。另外導熱油如果泄露到空氣中，高溫的導熱油會氣化與冷空氣接觸發生凝結，形成由小液滴組成的氣霧，在空氣中這種可燃介質達到一定濃度后遇火就會燃燒。這種氣霧如果在封閉的空間內燃燒時會發生爆炸。因此在系統設計上要杜絕一些潛在的危險。

現場導熱油系統發生事故后，可以通過事故排放系統將導熱油排放至安全地點（事故油池）。事故排放系統設置了一個事故油池，導熱油膨脹箱與溢流油罐排油管道均可排至事故油池，當系統發生故障或泄漏時，系統內的導熱油可以直接排放到低位的溢流油罐中，溢流油罐可以容納系統管道及設備中所有的導熱油，當溢流油罐發生事故或著火時，可以將溢流油罐中的油緊急排放至低位的事故油池中。

由于VP-1導熱油對人體有害，導熱油膨脹箱和溢流油罐上的安全閥排放也不能對空直接排放，安全閥排放管道也接至事故油池，在事故油池入口設有一組油水冷卻器用來冷卻系統中排放的導熱油，使系統的導熱油在排放時不發生氣化。

2.5 防凝固系統

導熱油在12℃時會發生凝固，為了防止低溫下導熱油凝固在系統的管道中，在系統中設置了一臺燃燒天然氣的導熱油加熱爐和兩臺防凝泵（一臺運行一臺備用），因為防凝泵流量小可以采用屏蔽泵，屏蔽泵是一種無軸封泵，泵和驅動電機都被密封在一個被泵送介質充滿的壓力容器內，此壓力容器只有靜密封，并由一個電線組來提供旋轉磁場并驅動轉子。這種結構取消了傳統離心泵具有的旋轉軸密封裝置，故能做到完全無泄漏。防凝系統可以在夜間太陽場沒有熱量來源的狀況下對系統中的導熱油進行加熱，防止其凝固。

2.6 導熱油過濾系統

由于導熱油循環過程中由于超溫會形成淤渣，在系統運行過程中管網也會有金屬氧化物等脫落，這些污染物會引起循環泵軸封泄露、閥桿磨損、管路堵塞、有時還會引起換熱器表面結垢。所以在導熱油系統中設置了一條分流過濾旁路系統，此旁路與導熱油循環泵并聯，過濾過濾旁路采用玻璃纖維纏繞過濾器，因為它可以承受400℃介質溫度，并且有良好的納垢能力。過濾器前后設置截止閥，并在過濾器前后設置壓差測量裝置，當壓差測量裝置檢測到過濾器進出口壓差過大時，更換濾網。

導熱油膨脹系統、氮氣保護系統、事故排放系統如圖1所示。

導熱油動力循環系統、防凝系統及過濾系統如圖2所示。

3 結束語

導熱油傳熱系統在設計過程中要有合理的膨脹系統保證任何時候在高溫狀態下導熱油體積膨脹后系統運行安全可靠及低溫狀態下導熱油體積減小系統不會缺油。導熱油系統要設計可靠的氮氣保護系統防止導熱油與空氣直接接觸氧化變質。導熱油系統的管線結構設計要保證導熱油事故排放系統在事故狀態下可以順利將油排放至事故油池。導熱油系統在設計過程中要設計可靠的防凝系統保證任何位置的導熱油都不能發生低溫凝固現象。導熱油系統在設計過程中要考慮合理的過濾系統保證系統中的污垢可以及時過濾掉。導熱油系統的設計滿足工藝使用要求的同時，一定要注意安全可靠。

參考文獻

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作者簡介：趙慎儉（1983-），男，河北晉州人，中廣核太陽能開發有限公司公司設計管理部技術經理，中級工程師。