賈 超，王繼琳，曾 輝，張曉利，潘 建

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

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太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)初探

賈 超1，王繼琳1，曾 輝1，張曉利2，潘 建2

(1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；
2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

〔摘 要〕介紹了太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)分類，從集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等方面對(duì)其進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)分析，指出各種類型光熱發(fā)電系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)源，并提出了相關(guān)措施和建議，為太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行等提供了參考。

〔關(guān)鍵詞〕太陽能；光熱發(fā)電；安全評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)分析

0　引言

太陽能發(fā)電一般分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電2種類型。光熱發(fā)電也稱為聚焦型太陽能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，CSP)，其工作過程為:利用鏡面反射將太陽能的熱量聚集，吸熱器吸收熱量，產(chǎn)生水工質(zhì)的高溫高壓蒸汽或其他高品質(zhì)工質(zhì)，并按常規(guī)方式驅(qū)動(dòng)熱機(jī)裝置，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽能光熱發(fā)電，可以將多余的能量以熱量形式儲(chǔ)存，按照調(diào)度要求，調(diào)配熱量的儲(chǔ)存和釋放，在很大程度上解決了如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電類自然能源非穩(wěn)定、難預(yù)測的并網(wǎng)難題。此外，太陽能光熱發(fā)電站也可以和傳統(tǒng)的化石能源聯(lián)合循環(huán)而混合發(fā)電，既清潔又可實(shí)現(xiàn)調(diào)峰；和常規(guī)光伏電站相比，其供電質(zhì)量、供電時(shí)長及發(fā)電效率都有明顯優(yōu)勢。

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)一般由集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、輔熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。隨著我國光熱電價(jià)制度的落實(shí)和建設(shè)成本的降低，光熱發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)會(huì)逐步加快。光熱發(fā)電形式的多樣性、復(fù)雜性以及發(fā)電過程多處于高溫高壓的運(yùn)行環(huán)境等因素，決定了其安全問題必須受到重視。另外，采用槽式導(dǎo)熱油介質(zhì)的太陽能光熱發(fā)電站，其導(dǎo)熱油系統(tǒng)遍布整個(gè)廠區(qū)，潛在危險(xiǎn)性比火電站大很多。

1　集熱系統(tǒng)

按集熱系統(tǒng)的不同，太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式等類型。

1.1塔式集熱系統(tǒng)

塔式集熱系統(tǒng)又稱集中型系統(tǒng)，其集熱系統(tǒng)由數(shù)以千計(jì)帶有雙軸太陽追蹤系統(tǒng)的平面鏡(稱為定日鏡)和1座(或數(shù)座)中央集熱塔構(gòu)成。每個(gè)定日鏡都有獨(dú)立的跟蹤系統(tǒng)，可單軸跟蹤也可雙軸跟蹤，可開環(huán)控制也可閉環(huán)控制；但都需要將太陽光反射到集熱塔的接收器上，如圖1所示。定日鏡的遠(yuǎn)距離跟蹤是個(gè)技術(shù)難題，定日鏡的任何微小傳動(dòng)間隙都將造成反射光線不能照到集熱器上；尤其在風(fēng)力的推動(dòng)下，光斑的晃動(dòng)會(huì)造成聚焦點(diǎn)溫度嚴(yán)重不均勻。

圖1　塔式集熱系統(tǒng)

集熱塔上的接收器相當(dāng)于火電廠的鍋爐，可接收來自鏡場的熱量；接收器分為間接照射和直接照射2種。間接照射接收器先利用太陽能加熱受熱面，再通過受熱壁面將熱量向介質(zhì)傳遞。管狀接收器就屬于這一種類型，其工作溫度一般在500 ℃以上；由于光斑的晃動(dòng)和其他外力的干擾，會(huì)造成溫度場的非均勻，導(dǎo)致加熱介質(zhì)泄漏及吸熱器燒毀。

集熱塔上的接收器一般設(shè)置預(yù)熱器、蒸發(fā)器及再熱器，以提高工作效率。接收器對(duì)介質(zhì)的流動(dòng)性要求較高，如發(fā)現(xiàn)介質(zhì)缺少或介質(zhì)未循環(huán)流動(dòng)，應(yīng)立即啟動(dòng)保護(hù)措施，調(diào)整鏡場角度或隔離接收器，避免接收器過熱，造成熱介質(zhì)泄漏和吸熱器燒毀。

集熱塔上部的工作溫度較高，應(yīng)制定嚴(yán)格的操作規(guī)范，禁止在接收器工作時(shí)登塔。塔式集熱系統(tǒng)對(duì)供電的可靠性要求很高，一旦定日鏡失電，其形成的光斑將不再受控，產(chǎn)生的高溫足以給塔架及其他受熱物帶來致命傷害。另外，成千上萬面鏡子也容易使人產(chǎn)生光盲等傷害。

1.2槽式集熱系統(tǒng)

槽式集熱系統(tǒng)(見圖2)由多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)串并聯(lián)組合而成，槽型拋物面焦點(diǎn)即為集熱管所在位置。槽型拋物面也需跟蹤系統(tǒng)，隨太陽轉(zhuǎn)動(dòng)；槽式集熱系統(tǒng)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和抗風(fēng)性有很高的要求。

圖2　槽式集熱系統(tǒng)

槽式集熱系統(tǒng)的危險(xiǎn)點(diǎn)在于吸熱管的破碎以及集熱管兩邊的轉(zhuǎn)軸處，前者由于熱流密度的非均勻性造成非均勻的溫度場，從而會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力；后者由于吸熱管需要隨拋物面旋轉(zhuǎn)，集熱管中的高溫傳導(dǎo)物質(zhì)一旦泄漏，其自身溫度即可引燃造成火災(zāi)。槽式集熱系統(tǒng)一旦失電，將會(huì)造成集熱管超溫，其介質(zhì)可能發(fā)生化學(xué)分解等反應(yīng)，影響安全運(yùn)行。

1.3碟式集熱系統(tǒng)

碟式集熱系統(tǒng)(見圖3)由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，是相互獨(dú)立的拋物面反射結(jié)構(gòu)，其聚光比可達(dá)3 000以上，發(fā)電效率高，但單機(jī)容量小、造價(jià)高；聚光比較高，存在超溫的可能性。

圖3　碟式集熱系統(tǒng)

1.4菲涅爾式集熱系統(tǒng)

菲涅爾式集熱系統(tǒng)(見圖4)由槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)衍生而來，由2組對(duì)稱的菲涅爾結(jié)構(gòu)的鏡面及固定的集熱管組成，鏡面結(jié)構(gòu)的控制相對(duì)簡單，集熱管的安裝與維護(hù)相比槽式簡單，效率略低。由于該系統(tǒng)熱流密度的非均勻性會(huì)造成溫度場的非均勻性，可能造成較大的應(yīng)力損傷，易引發(fā)吸熱管破碎。

圖4　菲涅爾式集熱系統(tǒng)

2　蓄熱系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于可儲(chǔ)存熱能，把太陽能發(fā)電系統(tǒng)的間歇性變平滑，并能參與電力系統(tǒng)的調(diào)峰。太陽能蓄熱技術(shù)按照儲(chǔ)能方式的不同，可分為潛熱蓄熱、化學(xué)反應(yīng)蓄熱和顯熱蓄熱3種。前2種還處于中試或?qū)嶒?yàn)室階段，而顯熱蓄熱，尤其是液體顯熱蓄熱已被廣泛應(yīng)用，如二元熔鹽和三元熔鹽等，合成油由于比熱容小、存儲(chǔ)熱量少，應(yīng)用不多。

熔融鹽是鹽的熔融態(tài)液體，導(dǎo)熱系數(shù)大、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較好，與金屬容器的相容性好，溫度在300-1 000 ℃，與高溫高壓蒸汽輪機(jī)的工作溫度相匹配；在常壓下是液態(tài)，不易燃燒，價(jià)格較低；但熔鹽凝固點(diǎn)太高，在130-230 ℃，所以必須對(duì)相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行保溫、預(yù)熱和伴熱等操作。

高溫分解和腐蝕問題是熔鹽的主要缺點(diǎn)。三元鹽的凝固點(diǎn)相對(duì)較低，但當(dāng)溫度高于540 ℃時(shí)，熱分解、氧化會(huì)引起三元鹽中亞硝酸鹽組分含量降低，從而使得熔鹽熔點(diǎn)上升，易引起各種運(yùn)行故障。多元鹽腐蝕性嚴(yán)重，會(huì)在容器表面結(jié)殼，給穩(wěn)定運(yùn)行帶來困難。熔鹽中的KNO3是制作炸藥的原料之一，應(yīng)加強(qiáng)備料管理。

蓄熱系統(tǒng)又分單罐和雙罐蓄熱系統(tǒng)。由于單罐蓄熱系統(tǒng)注入和出料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳熱、隔熱措施復(fù)雜，未廣泛采用。雙罐蓄熱系統(tǒng)一般由冷鹽罐、熱鹽罐、預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、蒸汽過熱器等組成。熔融鹽的致命缺點(diǎn)是熔點(diǎn)高、運(yùn)行溫度高、腐蝕性大，由此帶來爆炸、凍堵等一系列安全問題。因此在系統(tǒng)運(yùn)行中，必須重點(diǎn)關(guān)注防凍堵及輔助設(shè)備加熱等問題。

3　 換熱系統(tǒng)

太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的換熱系統(tǒng)主要涉及換熱介質(zhì)的選擇，不同的換熱介質(zhì)，其工作原理大不相同。換熱介質(zhì)主要包括水、導(dǎo)熱油、熔融鹽、空氣等。

(1)作為可靠的換熱工作介質(zhì)，水在集熱管中直接轉(zhuǎn)變?yōu)檫^熱蒸汽(500 ℃以上)進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。因不需要熱交換設(shè)備，不僅減少了換熱損失，且可簡化系統(tǒng)；但需解決水在蒸發(fā)段中存在汽水兩相流等技術(shù)問題。

(2)導(dǎo)熱油作為換熱介質(zhì)，在高于沸騰溫度運(yùn)行時(shí)，因?yàn)楦邷馗邏河挽F與空氣形成爆炸性混合物，易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)，故需用氮、氬等惰性氣體加壓，即必須用無氧氣層包覆。導(dǎo)熱油VP-1工作溫度不得超過395 ℃，否則將產(chǎn)生裂解，使其工作性能迅速降低。導(dǎo)熱油的比熱容小，用于儲(chǔ)熱需大量的導(dǎo)熱油，要建設(shè)相當(dāng)體積的壓力罐，建設(shè)成本較高。采用導(dǎo)熱油做換熱介質(zhì)，一般用熔融鹽來蓄熱；但蓄熱系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性和安全性低，換熱效率下降，且油溫上限為400 ℃，難以發(fā)揮熔融鹽高溫儲(chǔ)熱的優(yōu)勢。

(3)采用熔融鹽為傳熱介質(zhì)，并兼作蓄熱介質(zhì)，取消了導(dǎo)熱油系統(tǒng)，且可以把蒸汽溫度從350 ℃提高至510 ℃以上。但熔融鹽的凝固點(diǎn)很高，使融熔鹽在裝料、流動(dòng)和切換過程存在溫度下降凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。在運(yùn)行過程中，一旦設(shè)備失去動(dòng)力，熔液冷卻凝固后將會(huì)導(dǎo)致重大事故。

(4)以空氣為介質(zhì)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，吸熱器可采用多孔陶瓷；陶瓷介質(zhì)吸收聚集的太陽能，并通過抽吸周圍的空氣，從而帶走熱量?？諝饪杀患訜嶂?00 ℃以上再進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，在燃?xì)馊紵龝r(shí)放熱；或者進(jìn)入鍋爐加熱水，形成蒸汽發(fā)電。空氣加熱的溫度高，電站效率也較高；但空氣換熱器難以做大，蓄熱量少，維護(hù)困難。

4　 輔熱系統(tǒng)

在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，輔熱系統(tǒng)是普遍存在的。輔熱系統(tǒng)可給水蒸氣輔助加熱，提高發(fā)電效率；可在陽光不足的情況下，為系統(tǒng)提供備用能源；可對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱和補(bǔ)熱，預(yù)防熔融鹽凝固；可對(duì)熔融鹽罐循環(huán)加熱，避免罐內(nèi)熔融鹽凝固。輔熱系統(tǒng)對(duì)于太陽能光熱發(fā)電的安全十分重要。

輔熱系統(tǒng)一般分為電加熱、天然氣加熱和油加熱等方式。電加熱相對(duì)安全，但耗電量大而不經(jīng)濟(jì)，且易引起局部超溫，使熔融鹽起化學(xué)分解反應(yīng)而失效；天然氣加熱需貯存大量天然氣(有天然氣管道的除外)，其儲(chǔ)罐對(duì)電站而言是較大危險(xiǎn)源；而油加熱時(shí)，油同樣是一種危險(xiǎn)源。

5　 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電系統(tǒng)由熱機(jī)和發(fā)電機(jī)等設(shè)備組成。熱機(jī)有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等。大型光熱發(fā)電系統(tǒng)的溫度等級(jí)與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可使用常規(guī)汽輪機(jī)；當(dāng)工作溫度在800 ℃以上時(shí)，可選用燃?xì)廨啓C(jī)；對(duì)于小功率或低溫光熱發(fā)電系統(tǒng)，則選用低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)或斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

采用汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)作為熱機(jī)，其安全風(fēng)險(xiǎn)與常規(guī)火電和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電類似；斯特林機(jī)在運(yùn)行期間，氫氣損耗較多(氫氣是重大危險(xiǎn)源)。

6　 其他風(fēng)險(xiǎn)防范

(1)選址。目前，我國已建和規(guī)劃的太陽能光熱發(fā)電站大多位于西部陽光充裕地區(qū)，能滿足電站對(duì)占地的要求，但所處區(qū)域自然條件惡劣，大多風(fēng)沙較大、海拔較高，周邊配套設(shè)施不完善。為保障光熱電站的長期、安全運(yùn)行，在工程選址上應(yīng)關(guān)注地形、地貌、供水、交通等條件，重視工程的防洪防澇、防震及防地質(zhì)災(zāi)害等措施。

(2)危險(xiǎn)源辨識(shí)。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的介質(zhì)對(duì)太陽能光熱發(fā)電站的安全性有著重要影響，導(dǎo)熱油、熔融鹽等重大危險(xiǎn)源給廠區(qū)帶來巨大安全隱患。一旦高溫高壓介質(zhì)發(fā)生泄漏，不僅損害設(shè)備，還對(duì)人員和環(huán)境帶來巨大的危害。因此，必須根據(jù)GB18218—2009《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》進(jìn)行辨識(shí)與防范。

(3)可靠的備用電源。鑒于太陽能光熱發(fā)電站獨(dú)特運(yùn)行方式對(duì)供電可靠性的極高要求，塔式集熱系統(tǒng)、熔融鹽防凝固系統(tǒng)均需要可靠的備用電源。但光熱電站一般位于網(wǎng)架末端，電網(wǎng)較脆弱、供電可靠性不高，故應(yīng)配備可靠的備用電源，以防突然失電造成重大損失。

7　 結(jié)束語

太陽能光熱發(fā)電站占地面積大，危險(xiǎn)源多，集熱、傳熱、蓄熱系統(tǒng)控制復(fù)雜，對(duì)現(xiàn)場維護(hù)人員提出了極高的要求。發(fā)電站應(yīng)做好運(yùn)維人員的安全培訓(xùn)和管理工作，按質(zhì)按量發(fā)放勞動(dòng)防護(hù)用品，做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。建設(shè)單位應(yīng)遵守相關(guān)安全法律法規(guī)，按時(shí)開展安全設(shè)施“三同時(shí)”工作，重視安全預(yù)評(píng)價(jià)、安全設(shè)施設(shè)計(jì)專篇、安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)的相關(guān)建議和結(jié)論，排查安全隱患，建設(shè)本質(zhì)型安全工程。

隨著光熱電價(jià)的出臺(tái)和建設(shè)成本的不斷下降，我國電力市場必將迎來光熱發(fā)電大的發(fā)展。為此，應(yīng)開展充分調(diào)研，深入了解不同光熱發(fā)電形式的風(fēng)險(xiǎn)及安全要求，做好光熱發(fā)電的安全工作。

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賈 超(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運(yùn)行工作，email：125798722@qq.com。

王繼琳(1982-)，女，高級(jí)工程師，主要從事可再生能源安全運(yùn)行。

曾 輝(1987-)，男，工程師，主要從事可再生能源安全運(yùn)行。

張曉利(1979-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水電安全評(píng)價(jià)工作。

潘 建(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水電安全評(píng)價(jià)工作。

作者簡介：

收稿日期：2015-09-28。