太陽能吸熱器性能分析與防護措施研究

許繼剛，肖 剛，徐志強

(1.中國能源建設集團有限公司工程研究院，北京 100022；2.浙江大學，浙江 杭州 310058)

0 引言

太陽能吸熱器是太陽能熱發電站的關鍵設備，負責吸收太陽熱能并傳遞給傳熱工質，其熱轉換效率直接影響整個太陽能熱發電系統的效率和穩定性。太陽能吸熱器常用的傳熱介質包括導熱油、水/水蒸氣、熔融鹽、空氣和金屬顆粒等，吸熱器不僅需要承受高溫高壓的復雜工作條件，而且還受到傳熱工質特性影響，因此運行中易出現腐蝕、熱應力、蠕變-疲勞等問題。

為了解決高溫熔鹽在光熱能利用中的金屬材料腐蝕問題，段洋[1]等研究了高溫靜態熔融鹽對吸熱器金屬材料的腐蝕情況，研究發現321不銹鋼、Inconel 600 和Incoloy825 等材料在不同氯化物質量分數下的耐蝕性。王金梁[2]等的研究結果揭示氯化物質量分數對熔鹽腐蝕速度的顯著影響。劉溫銳[3]研究發現特定條件下，特定材料與熔融鹽的混合物在耐腐蝕性上表現出可行性，這為實際應用中的材料選擇提供了參考。

吸熱器的性能還受熱應力分布的影響，何雅玲[4]研究發現使用高導熱性能管材和合理的流路設計能有效降低熱應力。張滄洪[5]等對水蒸汽吸熱器展開研究，發現沸騰管和過熱管的傳熱特性存在顯著差異。張媛[6]以超臨界二氧化碳吸熱器為研究對象，發現減小壁厚、增大管徑能有效降低壁面熱應力。牛樹群[7]研究了塔式太陽能熔鹽吸熱器，發現適當減小吸熱管內徑、吸熱管壁厚、入射熱流密度或適當增大入口熔鹽溫度或熔鹽入口流速,有利于提升吸熱器的力學性能。

吸熱器在高溫和高熱流密度工作條件下運行會導致復雜的熱應力和蠕變現象。劉敏[8]等研究了以超臨界二氧化碳為循環工質的螺旋管腔式太陽能吸熱器，發現能流越大，局部溫度越高，而局部能流梯度越大，其熱應力也越大，這些因素都加劇了局部蠕變，減少了使用壽命。黃凱欣[9]等發現溫度較低時，疲勞失效是主要破壞機制，而在較高溫度下，蠕變-疲勞相互作用導致了更復雜的破壞模式。

因此，需要對吸熱器的材料、結構、工藝等進行優化設計，提高其可靠性和耐久性。本文介紹了影響太陽能吸熱器性能和壽命的主要因素，分析了相應的評價方法，并針對各項因素提出了提高吸熱器性能和壽命的相應措施。

1 太陽能吸熱器耐腐蝕性

太陽能吸熱器的腐蝕是由于熱工質與管材之間的化學反應或物理作用而導致管材表面或內部的損壞，其原因主要有以下幾方面：1)不同的熱工質對管材的腐蝕性能有不同的影響，高溫下的熔鹽、顆粒和氣體都會對管材產生腐蝕或磨損作用，導致管材變形、開裂或泄漏；2)不同的管材材質對熱工質的耐受能力不同，鎳基合金、不銹鋼等材料具有較好的耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞特性，而普通碳鋼、低合金鋼等材料則容易被熱工質侵蝕或氧化；3)管材的結構設計也會影響其受力和變形情況，從而影響其抗腐蝕能力；4)太陽能吸熱器在運行過程中，可能會受到外界環境的影響，如空氣中的水分、氧氣、二氧化碳、硫化物等都會加速管材的腐蝕過程；5)吸熱器在日常運行中會經歷多次升溫和降溫過程，涉及到升溫速率、頻率以及高低溫差等參數；快速升溫可能導致吸熱器材料快速膨脹，增加材料的應力，從而加速熱工質與管材之間的化學反應；頻繁的溫度變化可能會引起吸熱器材料的疲勞，對吸熱器的壽命和耐久性產生顯著影響；大幅度溫度變化會導致吸熱器材料的膨脹或收縮，引起內部應力，加劇腐蝕和疲勞。

1.1 吸熱器耐腐蝕評價

1.1.1 金屬耐蝕性10級標準

金屬耐蝕性10 級標準是一種根據金屬的腐蝕速率大小來劃分金屬耐腐蝕性能的方法，以每年的腐蝕深度來表示。根據中國腐蝕與防護學會主編的《金屬防腐蝕手冊》將金屬材料耐腐蝕性分為10 級[10]，見表1 所列。

表1 金屬耐蝕性10級標準分類表

1.1.2 耐點蝕當量

耐點蝕當量(pitting resistance equivalent number，PREN)是一種以金屬中某些元素的質量分數為基礎的一套算法，數值常被用于耐點腐蝕比較的評定方法。一般來說，耐點蝕當量值越高，金屬對局部點腐蝕的抵抗能力越強。耐點蝕當量值可以根據合金的化學成分按照不同的公式算出。以鎳基合金為例，耐點蝕當量P經驗公式為：

式中：PCr、PMo、PW、PNb分別為材料中鉻、鉬、鎢、鈮元素耐點蝕當量，mm/a。

1.2 太陽能吸熱器耐腐蝕措施

為了解決太陽能吸熱器的腐蝕問題，可采取以下辦法：

1)選擇耐高溫、耐腐蝕和抗疲勞的管材材料，如鎳基合金、各類不銹鋼等。圖1 給出了2520、304、316L、321 四種材料腐蝕動力曲線[11]，因此，根據所使用的熱工質選擇適當的管材材料，可以保證在特定工作條件下能夠抵抗腐蝕影響。

2)采用合理的運行控制策略，加強吸熱器的運行和維護管理。

2 太陽能吸熱器熱應力

2.1 太陽能吸熱器熱應力影響因素

由于太陽能的間歇性和空間分布的不均勻性，會導致吸熱器壁面產生溫度梯度和熱應力，影響系統的安全性。熱應力產生的主要因素有：1)太陽光時間和空間的不均勻性，會導致吸熱器表面受到不同程度的熱沖擊，產生周期性的溫度波動和應力波動；聚光系統的設計和調節以及吸熱器的幾何形狀和位置，使得太陽輻射在吸熱器表面的分布是非均勻的，通常呈現出高斯分布或其他非對稱分布，導致吸熱器表面存在較大的溫度梯度和應力梯度；2)由于吸熱器由不同結構和材料的部件組成，部件之間存在不同的熱膨脹系數、彈性模量、泊松比等物理參數，當溫度變化時，會產生相互作用和變形不協調，從而引起內部應力；3)由于吸熱器內外部環境之間存在溫差和壓差，會導致吸熱器內外壁面產生不同程度的傳熱差異，從而引起內外壁面溫度和應力的差異。

2.2 太陽能吸熱器熱應力評價方法

線彈性斷裂準則是一種評價彈性條件下開裂結構斷裂安全性的方法。它主要有兩種形式：應力強度因子K和能量釋放率G，這兩種判據在線彈性條件下是等價的。當K或G達到材料的斷裂韌性時，裂紋就會擴展并引起斷裂。即

式中：K為應力強度因子，MPa/m2；KIc為斷裂韌性，MPa/m2。

式中：G為能量釋放率，MN/m；GIc為斷裂能，MN/m。

應力強度因子K的計算公式為：

式中：Y為幾何修正因子；σ為熱應力，MPa；a為裂紋長度，mm。

根據Qu J[12]等對斷裂力學理論的研究，裂紋長度一般達0.1 ～0.3 mm 時即可認為該部件應力斷裂失效。

能量釋放率G的計算公式一般為：

式中：E為材料的彈性模量，MPa。

線彈性斷裂準則可用于評估太陽能吸熱器中吸熱管的斷裂風險。通過計算吸熱管的K值或G值，并與材料的K或G值進行比較，可以判斷吸熱管是否達到臨界斷裂條件。如果是水/蒸汽吸熱器，過熱管的K或G值比沸騰管大，因為過熱管承受較大的圓周溫度梯度和彎曲應力。

2.3 太陽能吸熱器熱應力防護措施

針對太陽能吸熱器熱應力問題，主要有以下解決三種方法。

1)根據吸熱器的結構和性能，以及太陽能的聚光特性，選擇能夠在高溫高壓下穩定工作、具有較高比熱容和較低膨脹系數的工質，以及合理的流量、流速和流程等參數。

2)選擇具有相近膨脹系數和彈性模量的結構材料，或采用復合材料，減少當吸熱器受高溫高壓作用時，因膨脹或收縮導致的應力集中和不均勻現象，提高吸熱器的可靠性和耐久性。

3)優化吸熱器結構形式和尺寸，通過改變吸熱器管屏、集箱、管接頭等部件的形狀、大小和排列方式，可以改善吸熱器的受力狀態，減小應力梯度和應力集中區域，提高吸熱器的整體穩定性，降低吸熱器的材料成本。圖2 給出了不同吸熱管內徑對中間段熔鹽溫度的影響情況[11]，在其他條件相同的情況下，外置式熔鹽吸熱器的工質溫度受吸熱管內徑的影響，當管徑增大時，熔鹽溫度升高，同樣的吸熱管壁溫也會增加，因而要考慮到吸熱管材料的限制，適當增加吸熱管直徑。

圖2 不同吸熱管內徑對中間段熔鹽溫度的影響

3 太陽能吸熱器蠕變-疲勞

太陽能吸熱器蠕變-疲勞是指太陽能吸熱器在高溫下同時承受蠕變和疲勞載荷作用時，發生的失效現象。蠕變-疲勞是一種復雜的損傷機制，涉及到蠕變、疲勞、氧化、腐蝕等多種因素的相互作用。太陽能吸熱器在工作過程中，需要承受高溫、高壓和高循環的載荷，因此容易發生蠕變-疲勞現象。其主要影響因素有工質溫度、工質壓力、工質流量、工質循環次數、吸熱器結構形式、吸熱器材料性能等。

3.1 太陽能吸熱器蠕變-疲勞評價方法

美國機械工程師協會制定的鍋爐和壓力容器規范規定了用于高溫下工作的核設施構件的蠕變-疲勞評價方法，稱為線彈性方法。線彈性方法是一種基于彈性應力分析和蠕變-疲勞損傷參數的評價方法，適用于在高溫下工作的金屬材料，如奧氏體不銹鋼、鎳基合金等。其基本步驟：1)確定構件的安全分類、設計條件、材料特性和載荷譜；2)對構件進行彈性應力分析，計算各個位置的應力幅值和平均應力；3)根據材料特性和應力狀態，選擇適當的蠕變-疲勞損傷參數，如C、F、Cr等；4)根據載荷譜，計算各個位置的蠕變-疲勞損傷累積值；5)將蠕變-疲勞損傷累積值與允許值進行比較，判斷構件是否滿足設計壽命要求。

C是一種基于蠕變裂紋擴展速率的損傷參數，它反映了裂紋尖端的應力強度因子和蠕變區尺寸的綜合效應，其定義為：

式中：C為損傷參數，MPa；U為裂紋尖端的能量釋放率，MN/m；a為裂紋長度，m。

F是一種基于蠕變-疲勞裂紋擴展速率的損傷參數，它反映了裂紋尖端的應力強度因子、蠕變區尺寸和循環載荷幅值的綜合效應，其定義為：

式中：F為損傷參數，MPa；ΔK為應力強度因子幅值，MPa/m2；E為有效彈性模量，MPa；a為裂紋長度，m。

Cr為一種基于蠕變-疲勞損傷累積值的損傷參數，反映了材料在高溫下經歷多個循環載荷后，發生的總損傷程度，其定義為：

式中：Cr為損傷參數，MPa；n為循環次數；Nf是疲勞壽命，次；t為保載時間，s；tR為持久強度，s；B為交互作用系數。

3.2 太陽能吸熱器蠕變-疲勞防護措施

為了解決太陽能吸熱器蠕變-疲勞問題，可采取的防護措施包括：

1)材料受到其微觀結構和缺陷的影響，因此應該選擇具有較高的蠕變強度、較低的蠕變速率、較高的斷裂韌性和較好的抗氧化性能的材料，如奧氏體不銹鋼、鎳基合金等。同時，應該避免使用含有易形成脆性相或沉淀物的元素，如碳、硫、磷等，以減少材料的敏感性。

2)吸熱器結構設計應該考慮到其受力狀態和溫度分布，盡可能減小應力梯度和應力集中區域，提高吸熱器的整體穩定性。同時，應該避免使用過于復雜或細長的結構形式，以減少局部變形和裂紋萌生的可能性。

3)吸熱器工作參數包括工質流量、流速、流程、溫度、壓力等，這些參數會影響吸熱器的傳熱效率和受力情況，因此，應該根據吸熱器的類型和性能，選擇合理的工作參數，以保證吸熱器的安全運行和高效發電。同時，應該避免出現過大或過快的溫度或壓力波動，以減少循環載荷對吸熱器的影響。

4)采用有效的評價方法。常用的評價方法包括有線彈性斷裂準則、非線彈性斷裂準則和損傷機理模型等。

4 結語

本文針對影響太陽能吸熱器性能和壽命的主要因素進行研究，分析了國內外相關研究成果及影響因素，介紹了對于太陽能吸熱器腐蝕、熱應力、蠕變-疲勞的評價方法，并給出相應的防護措施：

1)針對太陽能吸熱器腐蝕問題，建議采用高抗腐蝕性能的材料，如鎳基合金或不銹鋼，并控制熱工質的化學成分，以維護合適的腐蝕環境。此外，通過優化吸熱器的結構設計，選擇合適的管道材料，采用智能控制系統，以及實施定期的檢查和維護措施。

2)針對太陽能吸熱器熱應力問題，建議選擇適應吸熱器運行狀態的工質參數，如控制工質溫度和流速，以減輕吸熱器的熱應力負荷；采用隔熱材料或空氣層可以有效降低外部環境溫度對吸熱器的影響；優化吸熱器的結構形式和尺寸，以減少熱應力的集中和最大值。

3)針對太陽能吸熱器蠕變-疲勞問題，建議選擇適應工作條件的材料特性，以滿足吸熱器在特定溫度和工作條件下的需求。