光熱發電安全風險及防控措施分析

李云松，范培培，燕 波，蘭穎彪，崔 健，李 翔，趙宇龍

(1.中國三峽新能源(集團)股份有限公司河北分公司，河北 石家莊 050011；2.三峽新能源尚義風電有限公司，河北 張家口 076750)

0 引言

光熱發電是利用大規模陣列拋物或碟形鏡面等反射太陽能，通過熱能轉化機械能驅動汽輪機組發電的技術，因其制造成本低、發電效率高、可利用時間長、清潔無污染等優勢受到廣泛關注，然而其推廣利用也伴隨著新的安全風險。國內外專家學者針對光熱發電聚光集熱系統、傳熱工質、發電設備結構、安全技術特點等進行了諸多研究。例如有學者提出光伏—光熱互補運行的雙層發輸電系統可靠性評估模型，可有效降低電網運行風險。有學者分析了塔式熔鹽光熱發電系統在環境端和負荷端雙重擾動條件下的熱輸運特性，為塔式熔鹽光熱發電系統的運行調控策略制定提供理論基礎。還有學者依據塔式光熱發電中熔融鹽熱能儲存的腐蝕機理，提出新型防腐蝕技術，可有效降低因熔融鹽泄漏發生的安全風險。

1 光熱發電系統形式

光熱發電系統主要形式分為碟式、槽式、塔式、線性菲涅爾式四種。碟式系統由聚光碟和斯特林發動機等組成，光線經聚光碟拋物面反射到斯特林機熱頭處，加熱內部氣體工質；塔式系統通過鏡場的多面定日鏡實時追蹤太陽，將具有高能流密度的太陽光聚集到塔頂的吸熱器；槽式光熱發電系統由槽型拋物面鏡、真空集熱管等組成，拋物柱面反射鏡將陽光聚集到集熱管壁下表面；線性菲涅爾式通過多面平放單軸轉動的反動鏡組成矩形鏡面反射陽光加熱集熱管內工質。

2 光熱電站安全風險點

在國內已經建成的光熱發電系統中，大約有60 %是塔式，28 %是槽式，12 %是線性菲涅爾式；碟式進入試驗示范階段較晚，在此不作探討。不同形式的光熱發電系統所伴隨的安全風險有所不同。

除光伏、風電等可再生能源發電系統常見的風險外，光熱電站還存在著其他易被忽視的運行風險，比如鏡面轉動過程中易受云霧遮擋，影響其對太陽移動的同步跟蹤；光熱電站的聚光光斑中心處熱流密度可達20～30 kW/m2，強光反射損壞視力甚至致盲；吸熱器內導熱油正常工作溫度遠高于燃點，一旦泄漏極易引發火災、釋放有毒氣體，給現場工作人員帶來高溫燙傷、刺激呼吸系統黏膜等危險。

2.1 塔式光熱電站

在塔式光熱發電系統運行中，定日鏡跟蹤太陽時易受風力影響發生偏移，吸熱器熱流密度分布不均，局部高溫灼壞吸熱器引起工質泄漏，對塔底作業人員造成灼燙傷害。當發現吸熱器內工質循環流動不暢時，應遠程操控定日鏡傾斜度來減少入射光線，避免吸熱器溫度過高。

目前塔式集熱系統內部工質為KNO3和NaNO3混合的高溫熔融鹽，屬于強氧化劑，與易燃物接觸易引發爆炸和火災，且燃燒時釋放的有毒氣體會危害人體安全。一旦出現泄漏應立即停運集熱系統，待溫度降至環境溫度后進行現場處置。

因塔式吸熱器高度遠高于其他光熱電站，100 m 以上的集熱塔采用混凝土澆筑。人員未嚴格按照工作規程進行施工作業時，存在高處墜落風險；如混凝土性能不達標，會因強度不足而引發集熱塔坍塌；交叉作業時面臨隔熱防護板掉落造成物體撞擊、電焊火星引發火災、鏡場反射溢出的高溫輻射光斑燙傷等風險。

2.2 槽式光熱電站

在槽式光熱發電系統中，槽型拋物面的大開口結構易受大風影響造成損傷；拋物面長時間暴露在外會累積灰塵，削弱其反射能力，影響吸熱管內加熱溫度，對設備長期安全運行帶來挑戰。

槽式光熱發電系統中主要導熱介質為導熱油，其主要成份為二苯醚和聯二苯。導熱油對設備無腐蝕、導熱率大，但其長期使用不當會使熱導率降低；導熱油高溫工況下可能產生熱裂解，裂解產物在集熱管內凝結成塊，會堵塞集熱管，導致管壁局部溫度過高而引發爆管。

2.3 線性菲涅爾式光熱電站

線性菲涅爾式光熱發電系統采用導熱油作為導熱介質，熔鹽作為儲熱介質。同槽式系統類似，其集熱系統預熱、循環、防凝、熔解等同樣伴隨著安全隱患，比如吸熱管表面能流分布不均勻會造成吸熱管外壁溫度分布不均使吸熱管破碎；吸熱管的旋轉接頭等連接部件在高溫長期運行下，由于閥門、旋轉接頭的密封填料發生損耗或者熱應力拉裂管道焊口使管內導熱油泄漏，導致高溫導熱油汽化揮發引發火災、爆炸事故。

由此可見，德國法院認為對于“專門用于執行專利方法的產品”，適用默示許可理論而非權利用盡理論，因此專利權人可以在售出該產品時將這種默示許可通過許可協議的方式“明示化”。這樣在買方違反許可協議后，專利權人可主張其未獲得許可或撤銷專利許可而構成專利侵權。

3 安全風險防范對策

3.1 合理選址

需從源頭做好場站選址工作，在保證年日照小時數和場址DNI 值等光熱發電因素前提下，宜選擇非地震帶、巖土條件較好、暴雨等極端天氣少的地區，以減少環境對設備的污損及防止巡檢時遭遇自然災害；應避開草木生長茂盛選擇地勢平坦開闊的地域，便于快速運輸消防物資、防控火災風險。

3.2 遵守光熱安全工作規程

在進行集熱塔相關作業時，禁止在塔式吸熱器高溫運行時登塔；在開展站內設備巡視時，不可直視聚光光斑中心處；注重設備的日常維護，以減弱導熱油、熔鹽對電力生產設備造成的危害。

3.3 配備防護裝備

光熱電站要配齊作業防護裝備，增強風險管控和事故防范能力。應在鏡場安裝遮光屏障等防眩光裝置，同時人員應配備穿戴護目鏡、偏光鏡等；應配備傳熱系數較低、能減弱熱輻射的主動式降溫服、防腐蝕手套、隔熱面罩、阻燃隔熱服等以防高溫燙傷；塔式電站應配備防墜落相關裝置，如五點式安全帶、導向型防墜器、導軌、6×19-17.0 及以上型號的吊裝鋼絲繩等。

3.4 嚴格按規程使用導熱介質

導熱油在使用過程中，為了保證其氧化穩定性，應定期化驗油體成分，重點關注水分等低沸雜質，純度較低時應更換新油；禁止不同型號導熱油互相摻雜，以延長其使用時間；確保導熱油與空氣不進行直接接觸，可利用氮封裝置來避免導熱油氧化；遇到熱鹽罐中熔鹽泄漏問題時，需佩戴能防高溫腐蝕的面罩及防護服等，泄漏熔鹽用沙土掩埋。

3.5 利用遠程監控設備

利用紅外熱成像視頻監控設備可以在夜晚及陰雨天氣實施設備監控，并實時監測熔鹽罐溫度波動情況，有利于場站人員快速診斷并有效預控泄漏。光熱發電站可結合無人機遠程監測技術對塔式、槽式系統定期巡檢，利用其自帶紅外熱成像功能，實時監控鏡場鏡面潔凈度、集熱管有無破損等情況。

3.6 優化聚光集熱系統

優化主反射鏡和二次反射鏡的結構設計或跟蹤控制系統，降低局部高溫，解決吸熱管表面能流分布不均的問題，可在集熱管能流密度高的一側布置微肋片、渦流發生器等，以增強集熱管的綜合傳熱性能。

4 結束語

安全管理是光熱發電站的基礎工作，結合光熱發電系統的特性進行針對性風險識別與管控，才能有效保障人員和設備的安全，提高發電效益，更好地發揮光熱發電系統的優勢。