張春輝
(中國石化潤滑油有限公司 北京 100085)
能源和環(huán)境問題是制約世界經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的2個突出問題,當今節(jié)能減排、綠色發(fā)展、開發(fā)利用各種可再生能源已成為世界各國的發(fā)展戰(zhàn)略。太陽能具有儲量大、永久性、清潔無污染、可再生、就地可取等特點,是目前地球上可以開發(fā)的最大可再生綠色能源。利用太陽能,推動太陽能發(fā)電發(fā)展,成為世界各國的共識。2020 年中國確定了“雙碳”目標,新能源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展階段, 太陽能發(fā)電迎來發(fā)展黃金期。
關(guān)鍵設(shè)備的可靠性是太陽能發(fā)電技術(shù)先進性、安全性、高效性實施的基礎(chǔ),而動設(shè)備良好潤滑及傳熱設(shè)施介質(zhì)正確選擇對設(shè)備的可靠運行起到至關(guān)重要的作用。本文作者對太陽能發(fā)電裝備潤滑及熱傳遞關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析,指出現(xiàn)用產(chǎn)品存在的問題,提出開發(fā)長壽命專用油品并建立針對性評價手段,確保太陽能發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)安全運行。
2020年全球太陽能發(fā)電達127 GW,已占到全球發(fā)電量的 27%。根據(jù)國際能源署(IEA)預(yù)測,2020—2025年全球?qū)⑿略龀^900 GW的太陽能發(fā)電量,太陽能發(fā)電量將占到新增清潔能源產(chǎn)能的60%。
我國可再生能源利用規(guī)模占世界首位,占全球的30%。截至2020年底,累計裝機容量達253 GW。根據(jù)“十四五”規(guī)劃,2030年中國太陽能的裝機容量將達到650 GW,占比可再生能源的55%。詳見表 1。
表1 2014—2020我國太陽能發(fā)電新增及總?cè)萘?單位:GWTable 1 Newly increased and total capacity of solar power generation in China from 2014 to 2020 Unit:GW
太陽能發(fā)電有2種方式,光伏發(fā)電與光熱發(fā)電。
光伏發(fā)電:是光-電直接轉(zhuǎn)換方式,太陽能電池板吸收太陽光中的可見光形成光電子,產(chǎn)生電流,進行發(fā)電。光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電技術(shù)的主力軍,占全部太陽能發(fā)電并網(wǎng)裝機容量的 99%以上。我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)占據(jù)全球主動地位,光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的自主可控[1]。
光熱發(fā)電:即太陽能熱發(fā)電,是光-熱-電的轉(zhuǎn)換方式,采用集熱系統(tǒng)采集匯聚太陽光,并利用吸熱器將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,再通過蒸汽動力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)化過程發(fā)電。我國太陽能光熱發(fā)電,還處于初期階段。光熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比,具有更好的調(diào)節(jié)和控制能力,可以與光伏、風(fēng)電及傳統(tǒng)電力能源相結(jié)合,有利于新能源電力系統(tǒng)的安全運行與新能源高效消納,發(fā)展前景廣闊。槽式和塔式是目前最為主流的2種光熱發(fā)電技術(shù)路線[2]。
可靠性和效率始終是太陽能規(guī)?;焖侔l(fā)展和利用的關(guān)鍵所在。由于太陽能資源的波動性和隨機性,尤其是光伏發(fā)電具有顯著的間隙性和隨機性,導(dǎo)致發(fā)電功率不平穩(wěn),太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行是長期面臨的重大挑戰(zhàn),太陽能發(fā)電技術(shù)的高可靠性成為關(guān)注的焦點;而依靠自身技術(shù)進步提高太陽能發(fā)電效率,持續(xù)降低發(fā)電成本是太陽能得以不斷擴大應(yīng)用的基礎(chǔ)之一。
關(guān)鍵設(shè)備的可靠性是太陽能發(fā)電技術(shù)先進性、安全性、高效性實施的基礎(chǔ)。設(shè)備可靠性需要從設(shè)備硬件、工況、動設(shè)備潤滑、傳熱設(shè)施介質(zhì)選擇幾方面綜合保障,需重點考察環(huán)境、特殊工況等多維度影響因素;而相關(guān)配套潤滑、傳熱介質(zhì)的研究,是提升設(shè)備效率、延長設(shè)備壽命、達到系統(tǒng)設(shè)計要求、實現(xiàn)安全運行的前提。
光伏發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備組件包括太陽能追蹤器、硅晶板、電器開關(guān)及逆變器。太陽能追蹤器對光照的有效采集起著重要作用,追蹤器穩(wěn)定、可靠運行是確保光能采集率最大的前提,而可靠的抗風(fēng)能力是太陽能跟蹤器的基本要求。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)核心關(guān)鍵部件,逆變器將系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電供應(yīng)給電網(wǎng)或者用于驅(qū)動電器等負載,其性能直接關(guān)系到整個電站的發(fā)電效率以及運行安全[3]。
太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分別由集熱系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲熱與換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)組成。發(fā)電部分與常規(guī)熱力發(fā)電廠相同或相近,汽輪機作為核心設(shè)備需要重點關(guān)注。熱能部分中,聚光集熱技術(shù)是太陽能熱利用的專有技術(shù),其技術(shù)要求高,而關(guān)鍵動設(shè)備轉(zhuǎn)動裝置的精準性和可靠性直接影響聚光系統(tǒng)的安全性及工作效率。儲熱、換熱系統(tǒng)是驅(qū)動蒸汽動力系統(tǒng)運行的動力,其可靠性直接關(guān)乎光熱發(fā)電站能否正常運行[4]。
潤滑對保證設(shè)備“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的重要性不言而喻。廣義上講太陽能發(fā)電的潤滑主要包含兩方面功能,一是運動部件的潤滑,二是熱傳導(dǎo)作用(包含冷卻)。
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,需要潤滑及冷卻的裝置主要有2個:一是太陽能接收系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動裝置,二是電流轉(zhuǎn)化及輸出系統(tǒng)的變壓器及液冷逆變器。
在光熱發(fā)電系統(tǒng)中,需要潤滑的裝置主要包括集熱系統(tǒng)傳動裝置及發(fā)電系統(tǒng)汽輪機。除此之外,傳熱介質(zhì)在熱存儲及熱交換系統(tǒng)中承擔(dān)熱量傳遞作用,其正確選擇和使用過程監(jiān)控需要重點關(guān)注,以提升熱效率和使用安全性。
無論是光伏還是光熱,其太陽光接收系統(tǒng)都需要跟隨太陽轉(zhuǎn)動的傳動機構(gòu),蝸輪蝸桿減速機由于其具有自鎖性、大傳動比及定位精準性的特點,在太陽能發(fā)電行業(yè)被廣泛應(yīng)用。回轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿減速器被業(yè)界譽為地面跟蹤的“心臟”。以塔式光熱發(fā)電的定日鏡為例,一般50 MW的光熱發(fā)電項目需要約3 萬面定日鏡,每面鏡子都需要一個蝸輪蝸桿減速機,以保證定日鏡與太陽光照射角度的精準吻合。
相比于一般蝸輪蝸桿傳動裝置,用于光伏光熱領(lǐng)域的回轉(zhuǎn)減速器——蝸輪蝸桿裝置有著自己鮮明的特殊性:
(1)配副材質(zhì)不同于傳統(tǒng)蝸輪蝸桿的“鋼對銅”, 一般為“鋼對鑄鐵或其他合金”。
(2)轉(zhuǎn)速很慢。為保持實時跟蹤太陽位置, 傳動機構(gòu)每3~5 s轉(zhuǎn)動一次,蝸輪蝸桿輸入端的轉(zhuǎn)速為0.3 r/s,輸出端只有0.01 r/s。
(3)承受較大負荷及傾覆力矩。風(fēng)對傳動裝置的沖擊負荷很大,可達13 000 N/m2,且由于風(fēng)力不平穩(wěn),產(chǎn)生的沖擊震動使得磨損較大,同時如果載荷產(chǎn)生的力矩大于裝置的傾覆力矩時,會產(chǎn)生傾覆失穩(wěn)。
(4)環(huán)境惡劣。很多大型集中式發(fā)電場在4 000 m以上高海拔地區(qū),四季、晝夜溫差大,對油品黏溫性能要求高。
(5)超長壽命。由于更換過程復(fù)雜,太陽能跟蹤裝置設(shè)計壽命一般要求超過25年。
基于太陽能蝸輪蝸桿傳動裝置的特殊性,配套的潤滑劑也須滿足長壽命、適應(yīng)惡劣工況要求,終極目標是潤滑油達到和裝置同壽命25年。因此潤滑劑應(yīng)具備如下特征:
(1)優(yōu)異低溫性能。太陽能傳動機構(gòu)完全暴露于室外,加之光資源豐富地區(qū)所處環(huán)境工況苛刻,如沙漠環(huán)境的溫度范圍為-20~50 ℃,油品應(yīng)具有優(yōu)異的低溫流動性和黏溫特性。
(2)良好的密封橡膠相容性。用戶對油品泄漏非常關(guān)注,不同于一般的工業(yè)裝置,太陽能傳動機構(gòu)暴露在室外空間,油品稍有泄漏都會造成電池板及定日鏡等外觀污染,用戶無法接受。也正是該原因最初用戶選用半流體潤滑脂以期解決泄漏問題,但如果油品不具備良好的橡膠相容性能,并不能從根本上解決。
(3)優(yōu)秀減摩性能、低摩擦因數(shù)。該特性是蝸輪蝸桿油相對于一般工業(yè)齒輪潤滑油最大的特點之一。蝸輪蝸桿主要用于兩交錯軸間的動力傳遞,具有傳動速比大、結(jié)構(gòu)緊湊、蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩大等特點。蝸輪蝸桿的傳動方式以滑動為主,且相對滑動速度大、滑動距離大,不易實現(xiàn)良好的潤滑;另外,齒面溫度高、油膜易破壞,容易引起發(fā)熱,傳動效率低、蝸輪易磨損[5]。加之太陽能傳動裝置所承受的沖擊負荷較大,潤滑條件苛刻,油品應(yīng)具有更優(yōu)異的抗磨、抗擦傷能力,以及適宜的低摩擦因數(shù)以保證蝸輪蝸桿減速機的傳動效率并降低溫升。針對上述性能要求,蝸輪蝸桿減速器生產(chǎn)商都會采用蝸輪蝸桿臺架考察配套油品的傳動效率、溫升等表現(xiàn),以確定油品綜合性能是否滿足要求。如 Flender公司的G722蝸輪蝸桿油測試方法《Oil Test with Cylindrical Worm Gear Drives》中重點對點蝕、溫升和傳動效率幾個重要性能進行考察。
(4)優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性。用戶希望配套的油品能達到與裝置同壽命,即超過25年,因此潤滑劑要求有優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性。
蝸輪蝸桿齒面嚙合效率低,齒面間磨損大,工作時易發(fā)熱,加之結(jié)構(gòu)造成不易潤滑等原因,易發(fā)生失效[6]。潤滑油性能對蝸輪蝸桿減速器裝置的有效運轉(zhuǎn)起著重要作用,高機械效率、低摩擦是對蝸輪蝸桿潤滑劑的基本要求。
傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)均采用油潤滑, 但如前所述考慮到泄漏等原因,目前太陽能領(lǐng)域使用的蝸輪蝸桿減速箱,大多數(shù)采用了OEM推薦的半流體潤滑脂潤滑。但一方面由于應(yīng)用環(huán)境惡劣,潤滑脂經(jīng)反復(fù)輻射高溫暴曬后,也會造成溢脂泄漏問題;另一方面因現(xiàn)有潤滑脂無法達到太陽能領(lǐng)域長壽的需求,許多OEM規(guī)定5~6年應(yīng)補充或更換潤滑脂。現(xiàn)場調(diào)研反饋現(xiàn)有潤滑脂潤滑存在振動磨損過大,7~8年后蝸輪蝸桿傳動裝置間隙變大,發(fā)生磨損問題,影響定日鏡系統(tǒng)對太陽的精準跟蹤。
相比于脂潤滑,油潤滑在冷卻效果、傳動效率等方面都更有優(yōu)勢。我國現(xiàn)行的行業(yè)標準 SH0094(詳見表2)規(guī)定了蝸輪蝸桿油技術(shù)規(guī)范,但該規(guī)格對油品密封相容性、抗氧化、抗磨損等性能要求,與太陽能傳動裝置要求都有一定的差別。如對油品的氧化安定性要求,標準GB/T 12581(等效ASTM D943)要求潤滑油氧化壽命僅為350 h,顯然不能滿足太陽能傳動系統(tǒng)長壽命的需求。同時該規(guī)格中也未對油品的密封性能提出任何約束指標要求。
表2 SH0094 L-CKE/P重負荷蝸輪蝸桿油規(guī)格Table 2 SH0094 L-CKE/P heavy duty worm gear oil specification
從前述太陽能傳動機構(gòu)特點及苛刻要求,可知用于太陽能傳動機構(gòu)的專用油品,既要滿足在密封性、抗沖擊能力、減摩能力方面的特殊要求,還要保證油品至少10年使用壽命,并最終實現(xiàn)與回轉(zhuǎn)減速機同壽命。表3給出了專用油品參考的性能指標要求,建議采用臺架模擬實際工況來評價油品綜合性能。
表3 太陽能蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)潤滑油參考技術(shù)要求Table 3 Technical requirements for lubricating oil of solar worm gear transmission system
值得注意的是,用于光伏光熱領(lǐng)域的蝸輪蝸桿裝置沒有采用傳統(tǒng)蝸輪蝸桿的“鋼對銅”摩擦副,在油品開發(fā)過程中極壓抗磨劑的選擇與傳統(tǒng)蝸輪蝸桿潤滑劑中的單劑選擇可以有所不同。
與傳統(tǒng)的火力發(fā)電基本相同,汽輪機作為太陽能熱發(fā)電站中的關(guān)鍵設(shè)備,用于實現(xiàn)熱能和機械能的轉(zhuǎn)換[7]。然而,由于太陽能熱發(fā)電站受太陽光照等因素的影響,能量來源具有不穩(wěn)定性,電站存在負荷變化及啟停頻繁的特點[8]。負荷波動增加及多次啟停,會導(dǎo)致閥門和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較高熱應(yīng)力,汽輪機處于疲勞運行狀態(tài),最終影響使用壽命[9]。
汽輪機油在長周期運行過程中,不斷氧化降解,而高溫、水分、金屬顆粒(如銅或鐵)、細小氣泡都會催化氧化過程。研究表明:溫度每升高10 ℃ ,潤滑油油品氧化的速度增加一倍[10]。加速氧化使低溫氧化生成的過氧化物、醇、醛和酮等縮合物聚合形成羧酸、金屬羧酸鹽等,進一步反應(yīng)生成納米級別顆粒。當這些顆粒的數(shù)量不斷增加,濃度超過油品溶解度時,就會在潤滑系統(tǒng)表面析出不溶物,這些吸附在設(shè)備表面的不溶物,即為油泥[11]。太陽能熱發(fā)電汽輪機組的頻繁啟停引起的高溫,加重了油品漆膜及油泥的產(chǎn)生。因此,需要格外關(guān)注汽輪機油的抗氧化性能及油泥生成趨勢。氧化安定性試驗D943超過10 000 h的長壽命汽輪機油,可推薦應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電機組。
不同于光伏能直接發(fā)電,光熱發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)化成熱能再發(fā)電,因此對于光熱發(fā)電而言,熱系統(tǒng)(包括熱交換系統(tǒng)及儲熱)介質(zhì)對整個系統(tǒng)的運行起著至關(guān)重要的作用。熱介質(zhì)主要有兩類:合成導(dǎo)熱油和熔鹽。
國標GB 23791規(guī)定了有機熱載體(導(dǎo)熱油)的技術(shù)指標要求。與大多數(shù)潤滑油、液標準為推薦性標準不同的是,由于導(dǎo)熱油用于高溫傳熱,涉及安全性,GB 23791標準為強制標準。該標準按照使用狀態(tài)及最高的允許使用溫度劃分產(chǎn)品類別,其中L-QD型產(chǎn)品為具有特殊高熱穩(wěn)定性的合成型產(chǎn)品。表 4 列出了L-QD型產(chǎn)品部分關(guān)鍵性能指標要求。太陽能熱電系統(tǒng)導(dǎo)熱油的選擇除了考慮油品的自燃點(最高允許使用溫度)等指標外,更需要關(guān)注油品在最高使用溫度下的熱穩(wěn)定性指標,該指標體現(xiàn)的是油品在高溫下的長周期熱穩(wěn)定性能(1 000 h),也是重要的安全性能指標。
太陽能發(fā)電熱交換系統(tǒng)一般高于300 ℃,聯(lián)苯- 聯(lián)苯醚型合成導(dǎo)熱油是目前較為適宜的熱交換介質(zhì),使用溫度范圍為 120~400 ℃。表4給出了中石化的QD400聯(lián)苯-聯(lián)苯醚合成導(dǎo)熱油的典型數(shù)據(jù)。
表4 QD400聯(lián)苯-聯(lián)苯醚的典型數(shù)據(jù)Table 4 Typical data of QD400 biphenyl,mixed with biphenyl oxide
導(dǎo)熱油在使用過程中要確保其適當?shù)牧魉?≥2 m/s),避免過熱運行,同時還需按照有機熱載體安全技術(shù)條件 GB 24747進行油品監(jiān)測,主要監(jiān)控項目見表5,根據(jù)檢測指標及時采取適當?shù)拇胧?/p>
表5 運行中導(dǎo)熱油重點監(jiān)測項目Table 5 Key monitoring items of thermal conduction oil in operation
由于聯(lián)苯、聯(lián)苯醚使用的最高溫度為400 ℃ , 研究開發(fā)合成高溫硅油導(dǎo)熱油成為新的需求。
所謂熔鹽是指無機物熔融鹽 (簡稱為熔鹽),熔融鹽使用溫度為300~1 000 ℃,具有相對的熱穩(wěn)定性及低蒸氣壓。對于溫度超過450 ℃的熱交換系統(tǒng)需采用熔鹽進行熱量傳遞,如塔式光熱發(fā)電熱交換系統(tǒng)(最高溫度550 ℃)以及光熱系統(tǒng)的儲熱介質(zhì)均采用熔鹽。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的熔鹽多為硝酸鹽,如SolarSalt和Hitec等。但這種以多種硝酸鹽混合而成的高溫熔鹽的熱導(dǎo)率較低,有的僅為2.93×10-3J/(m·h·℃),故在使用過程中容易引起局部過熱[12]。熔鹽具有較高的凝固點,為130~230 ℃,容易發(fā)生凝固。太陽島系統(tǒng)回路分布廣闊, 系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜,一旦溫度低于傳熱工質(zhì)凝固點,極易造成管路凍堵,甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)陷入癱瘓,且會引起集熱管爆管、集熱器鏡片破壞等一些列問題[13-14]。同時熔鹽融化需要單獨加熱熱源。而聯(lián)苯-聯(lián)苯醚型合成導(dǎo)熱油的凝固點一般在10 ℃以下,氫化三聯(lián)苯型合成導(dǎo)熱油(QD340)的凝固點一般在-25 ℃以下。
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中還會使用到普通工業(yè)齒輪裝置及液壓裝置等,如一些槽式太陽能發(fā)電的太陽能接收板使用推桿式傳動機構(gòu)等,這些可根據(jù)實際應(yīng)用的環(huán)境等情況進行相關(guān)油品的配套。
目前光伏發(fā)電逆變器基本采用風(fēng)冷模式,隨著光伏發(fā)電并網(wǎng)容量的增大,并網(wǎng)電壓等級的增高, 逆變器的功率也越來越大,液冷卻技術(shù)將成為光伏發(fā)電機組冷卻技術(shù)的主流[15]。GE公司在2012年發(fā)布的2 MW光伏逆變器及2014年發(fā)布的4 MW光伏逆變器均采用液冷系統(tǒng)。對于逆變器冷卻液,冷卻性與防凍性是其最基本要求,更重要的是冷卻液對冷卻系統(tǒng)金屬材料的保護性能,防止腐蝕,避免結(jié)垢, 堵塞流道。
太陽能利用技術(shù)是一種低碳、高效和可持續(xù)的能源供給方式,隨著全球環(huán)保要求日益嚴格,特別是中國“雙碳”目標戰(zhàn)略實施,太陽能成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇,我國太陽能利用技術(shù)必將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。潤滑劑及熱能介質(zhì)對于保障太陽能發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。不同的太陽能發(fā)電技術(shù)路線對相關(guān)潤滑及熱能介質(zhì)有著不同的需求,相對于一般工業(yè)應(yīng)用場合, 太陽能發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備涉及的油、液有著自己鮮明的特點和特殊需求,但目前關(guān)鍵設(shè)備制造商在選擇配套的潤滑油、液一般延續(xù)傳統(tǒng)工業(yè)行業(yè)習(xí)慣。以太陽能回轉(zhuǎn)減速機構(gòu)的潤滑為例,它與與傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿減速機的潤滑要求差別很大,現(xiàn)用產(chǎn)品存在磨損、泄漏、無法達到長壽命要求等突出問題,目前市場上尚無有針對性的專用油品。
我國太陽能發(fā)電行業(yè)經(jīng)過近十年的發(fā)展,關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備已實現(xiàn)自主,太陽能利用技術(shù)作為系統(tǒng)工程,需要相關(guān)多領(lǐng)域的協(xié)同進步與發(fā)展。專業(yè)的潤滑油公司應(yīng)盡快聯(lián)合關(guān)鍵設(shè)備制造商,關(guān)注行業(yè)痛點,開展相關(guān)潤滑技術(shù)研究,結(jié)合零部件特性、工況及環(huán)境特點,探究建立針對性評價手段,開展功能設(shè)計,開發(fā)系列專用油品,重點關(guān)注產(chǎn)品壽命特性,達到與關(guān)鍵設(shè)備同壽命;同時根據(jù)設(shè)備應(yīng)用工況提供專業(yè)的用油指導(dǎo),為太陽能發(fā)電系統(tǒng)提供更安全、高效的油、液保證,共同推進綠色能源的高效利用,實現(xiàn)“雙碳”目標。