塔式光熱電站熔鹽吸熱器安裝和相關設備選型簡析

王 康，丁 路，臧平偉，孫登科

(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

1 背景

塔式熔鹽光熱發電技術以較高的聚光比、較高的光熱轉化效率和晚間持續發電、自主調峰的優勢在中國已經商業化。在國家首批光熱發電示范項目中，塔式熔鹽技術也占據了幾乎一半比例[1]。中電工程哈密熔鹽塔式50 MW光熱項目為國家首批光熱發電示范項目，為新疆首個光熱電站示范項目。該光熱電站于2019年年底實現了首次并網成功，也標志著東方鍋爐自主設計、制造的熔鹽吸熱器系統的成功運行。東方鍋爐在該工程中采用了圓周式熔鹽工質吸熱器技術，由16片管屏拼成一個近似的圓柱體。吸熱器作為光熱電站的核心光熱轉換設備，其作用是將定日鏡所捕、反射、聚焦的太陽能直接轉化為熔鹽的熱能，提供最初的熱源或動力源，實現太陽能熱發電[2]。

2 吸熱器設備成品防護

光熱電站一般選址在太陽能資源豐富的中國西北地區，選址地方少雨、風季長、冬季酷寒。每年可用于施工的時間比較受限，大風天氣和嚴寒天氣均對施工進度有較大的影響。吸熱器管屏在吸熱塔鋼結構上合攏成圓周形吸熱面。管屏的管子壁厚很薄，為1.2～1.8 mm，并且吸熱器有效受熱面區域的管子均不采用焊縫拼接形式，管子一旦被砸碰，形成不可逆損傷就很難修復，因此管屏成品防護中要重點防止管屏受到砸碰。

對于50 MW容量的光熱電站而言，管屏長度較長，平放占地面積大，現場翻轉困難，施工過程中，要避免管屏有效受熱面區域的涂層受到玷污和破損。因為現場多風沙，管屏相鄰管子理論間距為零，受熱面朝上平放時，小沙礫很容易聚集在管屏的相鄰管子之間?，F場施工環境復雜，管屏表面的高溫涂層容易受到玷污，高溫涂層在制造車間經過高溫固化處理，涂層受損后現場很難修補。而且，管屏一旦吊裝到200 m的就位高度，對管屏被污染部分的處理將變得困難，同時高溫涂層的沾污和受損也影響管屏的吸熱效率，因此成品防護要做好對涂層的保護。

管屏進入現場時，管屏吸熱面朝上，固定裝置和鋼結構框架位置朝下，管屏的背光側布置測溫裝置和保溫模塊。管屏的壁溫測點、保溫框架和保溫材料等附件應在制造廠內組裝完畢，減少現場對管屏及其附件的安裝施工，以控制安裝質量。因為風沙的原因，管屏進場后，須盡快組織施吊。若短時間內不能組織實施吊裝，需要做好管屏的成品防護工作。

3 吸熱器鋼架安裝

本工程的吸熱器鋼架為非獨立式全鋼結構，鋼架整體結構模型和施工安裝過程見圖1。鋼架下部支撐于離地高度約180 m的混凝土塔筒頂部，與混凝土塔筒頂部鋼梁采用螺栓連接。吸熱器鋼架外形為圓筒形結構，16根主承重柱呈圓形布置在熔鹽吸熱器內側，內部另有4根鋼柱，作為電梯井道及支撐頂部旋轉起重機設備；吸熱器鋼架柱腳采用螺栓與混凝土塔筒頂部支撐鋼梁固定，現場在澆筑塔筒頂部樓板前，應將吸熱器鋼架柱腳連接所用螺栓固定于支撐鋼梁上；在安裝吸熱器鋼架前，應對螺栓予以保護，防止螺栓及螺紋損壞。安裝過程中，構件必須牢固連接以確保在恒載、風載、地震作用及安裝荷載條件下安全可靠，必須保證安裝荷載在任何情況下不使構架遭到損害和變形。

圖1 吸熱器鋼架整體布置

吸熱器鋼架在安裝驗收后應進行補噴鋅或油漆涂刷。總體上，下列部分將在安裝后進行補噴鋅或油漆防腐。其他工廠沒有油漆的部分，現場應均勻地刷漆，以形成光滑、連續、無破損的且無凹陷、斑點、針孔等缺陷的漆膜層。

4 吸熱器管屏吊裝管屏的吊裝過程

主要分為3個階段：水平起吊、管屏翻轉和豎直上升階段。其中，豎直上升階段的吊裝過程見圖2。管屏安裝在吸熱器鋼架上，就位高度在200 m左右，16個管屏在就位高度上組成一個圓周形受熱面，每個管屏長約18 m，寬約3 m。每個管屏最外側管子容易在吊裝過程中受到吊繩、尖銳物體的破壞導致受損，在吊裝過程中要采取一定的保護措施。管屏成圓周形布置，設計時要控制管屏之間的間隙，防止太陽光溢出，也要滿足管屏的安裝條件。隨著每個管屏逐片就位，管屏吊裝過程中會受到已就位管屏的影響，施工時應按順序依次安裝，最后形成合攏。

圖2 管屏吊裝

因為組成的吸熱器管屏相鄰管子理論間距為零，接受太陽光照的管屏吸熱面上沒有位置布置吊點。管屏的吊點一般設置在管屏背光側，利用管屏的固定與導向裝置設置吊點。吊點位置應與管屏中心對稱，與管屏的重心位置匹配，保證吊裝過程中的豎直上升階段，管屏處于一個合適的傾斜角。布置吊點時，要核算管屏的重心位置、吊點附近相關梁、槽鋼等固定裝置的應力計算、相關焊縫計算以及水平起吊和豎直上升兩種狀態下管屏的受力情況。

另外，吊裝前要對吸熱器管屏進行清洗，確認天氣狀況，就位后管屏的水平方向和豎直方向上尺寸偏差和間隙應嚴格控制。

5 吸熱器隔熱防護

吸熱器的隔熱防護區域位于吸熱器有效受熱面上部和下部，其作用是保護吸熱器內部系統、設備及鋼結構不受溢出太陽光的傷害。隔熱防護板施工完畢后的情況見圖3。隔熱防護板高空露天安裝，材料必須采用白色的高反射材料，具有耐強紫外線照射能力，耐室外雨、雪、強風、暴曬等交替天氣的能力，并具有耐高熱流密度干燒的能力，在溫差應力下不會開裂和損傷。本工程的吸熱器隔熱防護板整體上選用硅酸鋁陶瓷纖維板，表面涂刷高反射涂料，兼具良好的防水性能。

吸熱器隔熱防護區域一般分為上部防護區、下部防護區和吸熱器集箱防護區?？紤]到光熱電站后期維修等因素，隔熱防護板必須模塊化設計，方便拆卸和吊裝，需要經常維修的部位，采用快速可拆卸的結構。

圖3 吸熱器管屏和隔熱防護

6 管道電伴熱帶系統和集箱電加熱系統

由于熔鹽的低溫凝結性，吸熱器熔鹽管道均敷設電伴熱帶系統，以維護系統的正常運行。電伴熱帶根據所需功率和被加熱設備的不同結構采用不同的敷設方案，電伴熱帶有Y形接法、U形接法等，接線盒的位置也根據伴熱帶的敷設方式調整和變化。電伴熱帶的熱電偶測量端與被測裝置的固定形式應方便牢靠。備用熱電偶和備用電源接線盒等與運行熱電偶和電源接線盒距離應盡量近些，并考慮切換時供電電纜的余量?？紤]到管道上電伴熱帶的敷設方式導致管道上部的溫度略高于管道下部溫度，豎直管路每一個回路的電伴熱帶長度不宜過長，水平管道上熱電偶盡量安裝在管道上方。敷設電伴熱帶，同一回路的電伴熱帶不可以重疊和交叉，電伴熱帶的冷端焊接頭要在管道保溫棉之外，接線盒要合理布置在附近結構平臺。

集箱電加熱器采用遠紅外輻射加熱，加熱結構形式為管式，用于集箱保溫箱的預熱和維持溫度。電加熱器總的來說，要具有體積小、功率大、熱響應快、控溫精度高、加熱溫度高、熱效率高、較強的耐冷熱交變性、溫度可調以及受熱溫度均勻等特點。

7 管道布置及管道固定結構

吸熱器系統的管道介質是熔鹽，因熔鹽具有低溫凝結性，管道布置時要考慮一定的傾斜角度，防止熔鹽凝結堵塞管道。與熔鹽出口罐體連接的下降管分界處固定裝置受力復雜，此區域的受力情況要進行核算，進行強度評定和疲勞強度評定。

在光熱電站系統中，管道的固定結構一般形式為彈簧支架和導向裝置等。管道的支吊架選型可以參考電站鍋爐管道的固定結構裝置選型。在考慮熔鹽側管道的固定裝置選型時，因為電伴熱帶敷設在管道上，要注意固定裝置和電伴熱帶的敷設順序?？紤]到纏有電伴熱帶的管道和固定裝置直接接觸，熱量會通過固定裝置散失，管道和固定裝置之間最好布置定制的帶孔硬質保溫隔熱材料，電伴熱帶穿過孔道對管道進行加熱。

8 熔鹽管道上儀器儀表的選型

管道上的儀器儀表主要包括閥門、流量計、壓力表等。熔鹽對各類型的儀器儀表等的特性提出了較高要求。閥門要具有耐腐蝕、耐高溫、密封性、流動性和防結晶等特性。在閥門結構方面，閥體流道結構要利于熔鹽的流動并避免熔鹽的截留，材質要滿足熔鹽工作溫度，體蓋密封和閥蓋密封要保證密封質量以防熔鹽泄漏[3]。

由于熔鹽的高溫和凝固特性導致常規性儀表不能滿足熔鹽工況對壓力表的特殊需求，熔鹽側壓力表一般采用隔膜式壓力表，隔膜材料采用耐高溫、耐腐蝕的金屬材料，導壓介質通常使用硅油，而導壓介質的耐溫能力決定了壓力表是否能夠滿足使用條件[4]。目前，熔鹽側管道的流量計一般采用非直接接觸的超聲波流量計，布置在吸熱器入口管道監測流量。

9 塔頂吊的選型

塔頂吊設置于聚光吸熱系統的頂部，布置高度約為220 m，用于吸熱器系統后期的檢修起吊。塔頂吊選型的時候要計算塔頂吊的吊轉半徑和吊裝載荷，提供設備外形尺寸圖、底座連接形式及基礎負荷、設備總電機功率等。塔頂吊的吊轉臂長要與混凝土塔的外徑相匹配，滿足后期維修和吊裝需求。

10 結語

自中標中電工程哈密50 MW光熱項目，東方鍋爐自主研發的熔鹽吸熱器本體設備和輔助系統經過2年的設計、制造和安裝階段，于2019年年底投運。適用于50 MW容量等級的熔鹽吸熱器首次在工程上得以應用，前期設計和后期安裝階段均遇到一些挑戰。本文結合設計階段和吸熱器安裝階段遇到的問題，對熔鹽吸熱器相關設備選型、安裝要點以及一些結構特點進行了闡述。希望對后續塔式熔鹽吸熱器設計和安裝有一定借鑒意義，并推動熔鹽塔式光熱發電技術日益進步。