槽式太陽能熱發(fā)電站中的太陽島是由多個集熱器回路構(gòu)成，這些回路以相互平行的并聯(lián)方式布置，并通過導(dǎo)熱油母管連接。國內(nèi)首個槽式太陽能熱發(fā)電項目——中廣核德令哈50 MW槽式太陽能熱發(fā)電站(下文簡稱為“德令哈熱發(fā)電站”)中的太陽島由190個集熱器回路構(gòu)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(lián)組成，每個集熱器由12個長為12 m的集熱管單元連接構(gòu)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(shè)計工況下，流經(jīng)集熱管和球連接組件的導(dǎo)熱油(聯(lián)苯-聯(lián)苯醚混合物)的工作壓力為3.3MPa；當(dāng)導(dǎo)熱油的入口溫度為293℃時，其在流經(jīng)1個集熱器回路后會被加熱到393℃。與常規(guī)火電廠熱源穩(wěn)定、可控性強不同，由于太陽輻射是不可控的，其會隨季節(jié)、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(fā)電站需根據(jù)不同天氣情況采取靈活的運行策略，導(dǎo)致在實際運行過程中導(dǎo)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(yīng)力，集熱器的跟蹤轉(zhuǎn)動還會使集熱管承受機械應(yīng)力，且高溫導(dǎo)熱油對具有膨脹和旋轉(zhuǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)強度和密封性。本文分別對采用不同介質(zhì)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(zhì)為導(dǎo)熱油的槽式太陽能熱發(fā)電站而言，目前普遍采用Schott PTR70集熱管，該類集熱管內(nèi)部的吸熱管是由厚度為1.7mm的不銹鋼板卷制焊接而成，所以可能會存在焊接質(zhì)量缺陷；外層為真空玻璃管。但壓力試驗存在導(dǎo)致真空玻璃管爆裂或發(fā)生介質(zhì)泄漏的風(fēng)險，且事故發(fā)生后飛濺的玻璃碎片、高溫導(dǎo)熱油和高溫蒸汽均會造成集熱器反射鏡的破碎飛濺。

當(dāng)采用除鹽水或?qū)嵊妥鳛榻橘|(zhì)進行水壓試驗時，均需配置專用的移動式試驗設(shè)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(nèi)還未生產(chǎn)出此類設(shè)備。當(dāng)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(zhì)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(nèi)要進行導(dǎo)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(dǎo)熱油時，則不存在上述問題，但導(dǎo)熱油價格昂貴，且加熱溫度過高時會導(dǎo)致其氧化降解，因此在試驗過程中需嚴(yán)格控制導(dǎo)熱油溫度；此外，導(dǎo)熱油具有微毒性，若泄漏會危害環(huán)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(jié)構(gòu)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(dǎo)熱油的凝點(12℃)都較高，因此為了防止集熱管彎曲，除鹽水或?qū)嵊捅患訜釙r與不銹鋼吸熱管之間的溫差不能高于30℃。

國內(nèi)適宜建造太陽能熱發(fā)電站且太陽直接法向輻射(DNI)較高的區(qū)域均在西北地區(qū)和內(nèi)蒙古等高寒地區(qū)，但由于氣溫原因，這些地區(qū)1年中有很長時間不適于采用以除鹽水和導(dǎo)熱油為介質(zhì)的水壓試驗。而采用氣體作為介質(zhì)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(fēng)險。對上述2種壓力試驗方法進行比較，對比結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的結(jié)果綜合考慮后發(fā)現(xiàn)，在保證安全的前提下，槽式太陽能熱發(fā)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。

德令哈熱發(fā)電站在建設(shè)過程中，對集熱器回路的氣壓試驗采用何種介質(zhì)進行了充分的論證和調(diào)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(fā)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(nèi)對于液態(tài)氮的低溫和汽化裝置的操作、運行知識和經(jīng)驗均較欠缺，因此，在對幾種介質(zhì)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(zhì)。

2、氣壓試驗中的測試與計算

2.1集熱管的結(jié)構(gòu)耐壓測試和試驗壓力值

德令哈熱發(fā)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(nèi)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(nèi)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(yè)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(jù)此規(guī)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(yīng)為設(shè)計最大工作壓力P的1.2～1.5倍，但西班牙Rioglass公司要這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(huán)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。

氣壓試驗裝置中安全閥的設(shè)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(zhì)，因為未經(jīng)處理的水分對集熱管內(nèi)部不銹鋼的危害很大，而且將來鏡場集熱系統(tǒng)運行時的工作介質(zhì)是導(dǎo)熱油，試驗結(jié)束后管道內(nèi)殘留的雜質(zhì)將加速催化導(dǎo)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(yīng)的試驗壓力為0.4 MPa；SG為穩(wěn)定壓力。

考慮到安全因素，壓力試驗應(yīng)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(jié)構(gòu)和布置特點，試驗壓力應(yīng)逐步增加，每次停滯至少10 min，以穩(wěn)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0.4MPa。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(guī)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(jié)果和建議

按照德令哈熱發(fā)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(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報，在夜間氣溫低于-12.2℃的4天時間內(nèi)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(jīng)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(nèi)完成。整個試驗期間未出現(xiàn)任何一處泄露點，未發(fā)生任何潛在的危險，試驗結(jié)果令人滿意。

結(jié)合德令哈熱發(fā)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(dāng)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10MPa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(yán)禁使用鐵絲綁扎連接，每隔5～8 m在集熱器、導(dǎo)熱油管道基礎(chǔ)或自行設(shè)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(fā)布夜間要占用的試驗區(qū)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(jīng)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(jié)論

本文對槽式太陽能熱發(fā)電站中太陽島的集熱器回路使用除鹽水或?qū)嵊偷乃畨涸囼灪褪褂玫獨饣驂嚎s空氣的氣壓試驗進行了分析對比，在無類似經(jīng)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(fā)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(jīng)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(zhì)，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(yīng)力開裂，油和其他雜質(zhì)的殘留會加速催化導(dǎo)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(zhì)進行氣壓試驗。另外，集熱器兩端的球連接組件內(nèi)部有用于密封高溫導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(rèn)為這是允許的。

注：本文轉(zhuǎn)自《太陽能》雜志2022年第1期P72—P76，作者：程興利，供職于中國電建集團核電工程公司。