槽式太陽能熱發電站中太陽島的集熱器回路的壓力試驗分析

程興利

(中國電建集團核電工程公司，濟南 250100)

0 引言

槽式太陽能熱發電站中的太陽島是由多個集熱器回路構成，這些回路以相互平行的并聯方式布置，并通過導熱油母管連接。國內首個槽式太陽能熱發電項目——中廣核德令哈50 MW槽式太陽能熱發電站(下文簡稱為“德令哈熱發電站”)中的太陽島由190個集熱器回路構成，每個集熱器回路由4個長為150 m的集熱器(型號為歐洲槽ET-150)串聯組成，每個集熱器由12個長為12 m的集熱管單元連接構成。每個集熱器回路中包含144根集熱管單元和24個球連接組件。

在設計工況下，流經集熱管和球連接組件的導熱油(聯苯-聯苯醚混合物)的工作壓力為3.3 MPa；當導熱油的入口溫度為293 ℃時，其在流經1個集熱器回路后會被加熱到393 ℃。與常規火電廠熱源穩定、可控性強不同，由于太陽輻射是不可控的，其會隨季節、每天的日出日落及云層遮擋情況的變化而變化，因此以太陽輻射作為熱源的太陽能熱發電站需根據不同天氣情況采取靈活的運行策略，導致在實際運行過程中導熱油的工作壓力和溫度會存在較大波動。由于集熱管承受著不斷變化的熱應力，集熱器的跟蹤轉動還會使集熱管承受機械應力，且高溫導熱油對具有膨脹和旋轉功能的球連接組件的密封性有很高的要求，因此，集熱管和球連接組件的焊接質量尤為重要，需要在無損探傷試驗之后、注油之前對集熱器回路進行壓力試驗，以檢驗其結構強度和密封性。本文分別對采用不同介質的壓力試驗方法進行了分析和對比。

1 壓力試驗方法對比

集熱器回路的壓力試驗主要包括水壓試驗和氣壓試驗，至于采用何種方式，可依項目的具體情況來定。對于傳熱工質為導熱油的槽式太陽能熱發電站而言，目前普遍采用Schott PTR70集熱管，該類集熱管內部的吸熱管是由厚度為1.7 mm的不銹鋼板卷制焊接而成，所以可能會存在焊接質量缺陷；外層為真空玻璃管。但壓力試驗存在導致真空玻璃管爆裂或發生介質泄漏的風險，且事故發生后飛濺的玻璃碎片、高溫導熱油和高溫蒸汽均會造成集熱器反射鏡的破碎飛濺。

當采用除鹽水或導熱油作為介質進行水壓試驗時，均需配置專用的移動式試驗設備，此外還需配備泵送、過濾、計量、加熱、儲存及化驗等裝置，成本較高，不過目前國內還未生產出此類設備。當采用除鹽水時，不銹鋼吸熱管對除鹽水的氯離子等鹵素的濃度要求較高，且必須逐個集熱器回路進行試驗；而每個集熱器回路首次使用除鹽水時必須對水質進行重新化驗，在每次壓力試驗完成、除鹽水從回路中排出后需要立即烘干，以防止任何有害的含氯水殘留；在試驗后的48 h內要進行導熱油注入，否則需要使用惰性氣體氮氣進行密封[1]。而采用導熱油時，則不存在上述問題，但導熱油價格昂貴，且加熱溫度過高時會導致其氧化降解，因此在試驗過程中需嚴格控制導熱油溫度；此外，導熱油具有微毒性，若泄漏會危害環境。

考慮到集熱器回路的管路不僅長，而且彎道多，再加上球連接組件的結構特點，若采用水壓試驗，除鹽水的排放和吹干都較為困難，此外，除鹽水和導熱油的凝點(12 ℃)都較高，因此為了防止集熱管彎曲，除鹽水或導熱油被加熱時與不銹鋼吸熱管之間的溫差不能高于30 ℃。

國內適宜建造太陽能熱發電站且太陽直接法向輻射(DNI)較高的區域均在西北地區和內蒙古等高寒地區，但由于氣溫原因，這些地區1年中有很長時間不適于采用以除鹽水和導熱油為介質的水壓試驗。而采用氣體作為介質的氣壓試驗可避免上述情況，但由于氣體具有可壓縮性，氣壓試驗存在爆炸的潛在危險，因此通常不建議采用氣壓試驗，但由于吸熱管是壁厚較薄的不銹鋼管，避免了爆炸風險。對上述2種壓力試驗方法進行比較，對比結果如表1所示。根據表1的結果綜合考慮后發現，在保證安全的前提下，槽式太陽能熱發電站中太陽島的集熱器回路的壓力試驗采用氣壓試驗較為合適。

表1 2種壓力試驗方法的對比Table 1 Comparison of two pressure test methods

德令哈熱發電站在建設過程中，對集熱器回路的氣壓試驗采用何種介質進行了充分的論證和調研。摩洛哥NoorⅢ項目的氣壓試驗采用的是氮氣，同時，德令哈熱發電站的集熱管供貨商西班牙Rioglass公司也建議盡量采用氮氣進行氣壓試驗。但由于可供參考的采用氮氣進行氣壓試驗的實際案例很少，且國內對于液態氮的低溫和汽化裝置的操作、運行知識和經驗均較欠缺，因此，在對幾種介質進行了綜合分析對比后，最終以壓縮空氣作為氣壓試驗的介質。

2 氣壓試驗中的測試與計算

2.1 集熱管的結構耐壓測試和試驗壓力值

德令哈熱發電站采用的是Schott PTR70集熱管，其最大允許壓力為4.1 MPa。為了驗證集熱管內不銹鋼吸熱管的耐壓性，選用1根真空玻璃管破碎而吸熱管完好的報廢的集熱管進行破壞試驗。在空曠的戈壁灘上布置了一處安全的地下空間，在足夠遠的距離對集熱管進行了壓縮空氣加壓試驗，最終因空壓機的性能原因，僅加壓至7 MPa，但此時集熱管內的不銹鋼管完好無損。由此可知，此種集熱管的耐壓性很好。

對于本項目，多方專業人士均建議按照ASME B31.1: 2014[2]進行集熱器回路壓力試驗，而根據此規范中第137.5.5條的要求，集熱器回路的最大允許試驗壓力Pt應為設計最大工作壓力P的1.2～1.5倍，但西班牙Rioglass公司要求執行1.2倍(與摩洛哥NoorⅢ項目的回路壓力試驗值相同)。由于德令哈熱發電站中集熱器回路的設計最大工作壓力P=3.9 MPa，因此其最大允許試驗壓力Pt=3.9 ×1.2=4.68 MPa。

2.2 相關計算

2.2.1 壓縮空氣儲存能量的計算

空氣具有極大的可壓縮性，被壓縮時具有很高的勢能，即使微小的泄漏都可能導致集熱管破裂和爆炸，釋放出的能量會造成爆炸性沖擊，因此應進行壓縮空氣儲存的能量的計算。

根據 ASME PCC-2: 2015[3]的要求，在進行氣壓試驗時，設備或管道系統所儲存的能量應根據相應公式進行計算，并轉換成三硝基甲苯(TNT)當量。

當使用壓縮空氣進行氣壓試驗時，其儲存的能量E的計算式可表示為：

式中：Pa為絕對氣壓，kPa，此處取101；Pat為絕對試驗壓力，Pa，此處取4.78×106；V為試驗介質的體積，即壓縮空氣的體積，m3。

由于1個集熱器回路的容積約為2.3 m3，將相關數據代入式(1)，可得到每個集熱器回路的壓縮空氣儲存的能量E=1.84×107J。根據ASME PCC-2: 2015中第5.1 條強制性附錄II，將E換算成TNT當量的計算式為：

代入相關數據，可得到每個集熱器回路的TNT當量為4.31 kg。

2.2.2 沖擊波距離的計算

根據ASME PCC-2: 2015的要求，試驗過程中，所有人員與試驗設備之間應保持最小的安全距離，當E≤1.355×108J時，爆炸時沖擊波影響的最小安全距離R=30 m。但當一次試驗中選擇太多的集熱器回路時，將導致管路過長且接頭過多，因此每次氣壓試驗的集熱器回路數量不應超過5個，這樣可滿足E≤1.355×108J，則沖擊波的R確定為30 m。

2.2.3 易碎物拋射距離的計算

易碎物的拋射距離可根據ASME PCC-2:2015來確定，TNT當量在3～5 kg時，其最小安全距離R取60 m。由于太陽島的集熱器回路的結構布置特點，若5個集熱器回路一起試驗，所占用的面積非常大，各個集熱器之間也會相互遮擋，不能簡單地將5個回路的TNT當量累加在單個壓力管道或壓力容器中，只需考慮最外側的回路即可，因此將R考慮為5個回路構成的矩形區域邊線外的60 m。

2.2.4 試驗溫度的計算

集熱器回路中的導熱油管道包括連接冷熱母管的出入口支管、跨接互聯管道、球連接組件和閥門及集熱管等，其中，連接冷熱母管的出入口支管、跨接互聯管道、球連接組件和閥門的材質均為 ASTM A106 Gr.B碳鋼，集熱管內吸熱管的材質為DIN 1.4541不銹鋼。

對于DIN 1.4541不銹鋼管而言，其最低設計金屬溫度為-162.7 ℃，而試驗現場不可能達到最低允許試驗溫度-146 ℃，因此可不考慮此參數。對于ASTM A106 Gr.B碳鋼管而言，在環境溫度低于-12.2 ℃的情況下，若氣壓試驗產生的環向應力達到材料的極限強度41.37 N/mm2時，ASTM A106 Gr.B碳鋼管將會發生脆性斷裂。因此，在氣壓試驗過程中，必須考慮碳鋼管管道的溫度，此時集熱器回路的Pt的計算式可表示為[4]：

式中：S為ASTM A106 Gr.B碳鋼的強度極限，N/mm2，此處取41.37；D為碳鋼管管道的外徑，mm；t為碳鋼管管道壁厚，mm；y為與碳鋼管管道壁厚有關的系數，可從ASME B31.3:2018[5]的表304.1.1中選取，對于的情況，y=0.4。

對于集熱回路中直徑為73 mm、厚度為7.01 mm的碳鋼管，Pt=8.59 MPa；對于直徑為88.9 mm、厚度為5.49 mm的碳鋼管，Pt=5.38 MPa；這2個值均大于4.68 MPa。因此，若要集熱器回路的Pt≥4.68 MPa，則氣壓試驗必須在不低于-12.2 ℃的環境溫度下進行。

3 氣壓試驗的實施

氣壓試驗裝置的布置方式如圖1所示。

圖1 氣壓試驗裝置的布置方式Fig. 1 Arrangement of pressure test apparatus

氣壓試驗裝置中安全閥的設定壓力要高于Pt的10%；此外，油水分離器的作用是分離壓縮空氣中的水分和油分等雜質，因為未經處理的水分對集熱管內部不銹鋼的危害很大，而且將來鏡場集熱系統運行時的工作介質是導熱油，試驗結束后管道內殘留的雜質將加速催化導熱油的氧化降解。

氣壓試驗流程示意圖如圖2所示[6]。其中，T為停滯時間，T≥10 min；d為肥皂水檢漏階段，對應的試驗壓力為0.4 MPa；SG為穩定壓力。

圖2 氣壓試驗流程示意圖Fig. 2 Flow schematic diagram of air pressure test

考慮到安全因素，壓力試驗應選擇在非工作時間的夜間進行。另外，考慮到集熱器回路的結構和布置特點，試驗壓力應逐步增加，每次停滯至少10 min，以穩定集熱器回路的壓力和噪聲，在達到Pt=4.68 MPa后停滯至少30 min，以觀測集熱器回路的情況，然后緩慢泄壓。采用肥皂水檢漏時，ASME B31.1: 2014要求的檢漏點壓力為0.175 MPa，而集熱管供貨方建議為0.4 MPa。由于集熱管與球連接組件的焊縫均非常多，而且集熱器的反射鏡和集熱管包含大量玻璃，若碎裂則危險性較大，因此，將肥皂水檢漏階段的常規泄壓至P改為泄壓至0.4 MPa，且該階段在夜間試驗完成后的白天進行。

4 試驗結果和建議

按照德令哈熱發電站的施工進度，采用壓縮空氣的氣壓試驗是在2017年11月進行的，根據當地的天氣預報，在夜間氣溫低于-12.2 ℃的4天時間內并未進行試驗，氣壓試驗初期時是逐個集熱器回路進行試驗，但在積累了一定經驗后，改為以5個集熱器回路為1組進行氣壓試驗，190個集熱器回路的氣壓試驗是在1個月內完成。整個試驗期間未出現任何一處泄露點，未發生任何潛在的危險，試驗結果令人滿意。

結合德令哈熱發電站的工程實踐，對集熱器回路的壓力試驗提出以下建議：1)壓力試驗是在100%的無損探傷試驗合格后進行的，鑒于集熱器回路氣壓試驗的危險性，禁止以壓力試驗代替無損探傷試驗；2)當空壓機與第1個集熱器回路之間的距離較遠時，壓縮空氣管道宜選用10 MPa以上的鋼絲層液壓膠管，以螺紋連接膠管接頭，避免使用快速接頭，嚴禁使用鐵絲綁扎連接，每隔5～8 m在集熱器、導熱油管道基礎或自行設置的固定點上固定一次壓縮空氣管道；3)雖然要求在非工作時間的夜間進行壓力試驗，但安全起見，需要在試驗期間，每天以公告的形式發布夜間要占用的試驗區域、時間和安全禁令；4)由于試驗壓力要將空氣的體積壓縮至其常壓時的約1/47，需要經過多級壓縮才能達到，因此若空壓機的排量偏小，將耗費很長時間。

5 結論

本文對槽式太陽能熱發電站中太陽島的集熱器回路使用除鹽水或導熱油的水壓試驗和使用氮氣或壓縮空氣的氣壓試驗進行了分析對比，在無類似經驗可直接借鑒的情況下，采用本文所述方案和工藝，成功完成了德令哈熱發電站中190個集熱器回路的壓力試驗，為同類項目的施工積累了可以參考的經驗。

但需要說明的是，氣壓試驗采用壓縮空氣的效果仍不如采用氮氣的效果好，這是因為壓縮空氣中含有水和油或其他雜質，水中可能攜帶的氯離子會引起不銹鋼吸熱管的點蝕及隨后的應力開裂，油和其他雜質的殘留會加速催化導熱油的氧化降解，對壓縮空氣進行油水分離極為重要，在具備條件時還是首選氮氣作為介質進行氣壓試驗。另外，集熱器兩端的球連接組件內部有用于密封高溫導熱油的粉狀石墨，由于氣體的分子遠小于液體的分子，在球連接組件中的氣體比導熱油更容易泄漏，因此進行氣壓試驗時可能會有輕微的空氣泄漏，導致試驗壓力下降非常緩慢，但球連接組件供貨商美國Hyspan公司認為這是允許的。