王 康,丁 路,臧平偉,孫登科
(東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001)
塔式熔鹽光熱發(fā)電技術(shù)以較高的聚光比、較高的光熱轉(zhuǎn)化效率和晚間持續(xù)發(fā)電、自主調(diào)峰的優(yōu)勢在中國已經(jīng)商業(yè)化。在國家首批光熱發(fā)電示范項目中,塔式熔鹽技術(shù)也占據(jù)了幾乎一半比例[1]。中電工程哈密熔鹽塔式50 MW光熱項目為國家首批光熱發(fā)電示范項目,為新疆首個光熱電站示范項目。該光熱電站于2019年年底實現(xiàn)了首次并網(wǎng)成功,也標(biāo)志著東方鍋爐自主設(shè)計、制造的熔鹽吸熱器系統(tǒng)的成功運行。東方鍋爐在該工程中采用了圓周式熔鹽工質(zhì)吸熱器技術(shù),由16片管屏拼成一個近似的圓柱體。吸熱器作為光熱電站的核心光熱轉(zhuǎn)換設(shè)備,其作用是將定日鏡所捕、反射、聚焦的太陽能直接轉(zhuǎn)化為熔鹽的熱能,提供最初的熱源或動力源,實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電[2]。
光熱電站一般選址在太陽能資源豐富的中國西北地區(qū),選址地方少雨、風(fēng)季長、冬季酷寒。每年可用于施工的時間比較受限,大風(fēng)天氣和嚴寒天氣均對施工進度有較大的影響。吸熱器管屏在吸熱塔鋼結(jié)構(gòu)上合攏成圓周形吸熱面。管屏的管子壁厚很薄,為1.2~1.8 mm,并且吸熱器有效受熱面區(qū)域的管子均不采用焊縫拼接形式,管子一旦被砸碰,形成不可逆損傷就很難修復(fù),因此管屏成品防護中要重點防止管屏受到砸碰。
對于50 MW容量的光熱電站而言,管屏長度較長,平放占地面積大,現(xiàn)場翻轉(zhuǎn)困難,施工過程中,要避免管屏有效受熱面區(qū)域的涂層受到玷污和破損。因為現(xiàn)場多風(fēng)沙,管屏相鄰管子理論間距為零,受熱面朝上平放時,小沙礫很容易聚集在管屏的相鄰管子之間?,F(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜,管屏表面的高溫涂層容易受到玷污,高溫涂層在制造車間經(jīng)過高溫固化處理,涂層受損后現(xiàn)場很難修補。而且,管屏一旦吊裝到200 m的就位高度,對管屏被污染部分的處理將變得困難,同時高溫涂層的沾污和受損也影響管屏的吸熱效率,因此成品防護要做好對涂層的保護。
管屏進入現(xiàn)場時,管屏吸熱面朝上,固定裝置和鋼結(jié)構(gòu)框架位置朝下,管屏的背光側(cè)布置測溫裝置和保溫模塊。管屏的壁溫測點、保溫框架和保溫材料等附件應(yīng)在制造廠內(nèi)組裝完畢,減少現(xiàn)場對管屏及其附件的安裝施工,以控制安裝質(zhì)量。因為風(fēng)沙的原因,管屏進場后,須盡快組織施吊。若短時間內(nèi)不能組織實施吊裝,需要做好管屏的成品防護工作。
本工程的吸熱器鋼架為非獨立式全鋼結(jié)構(gòu),鋼架整體結(jié)構(gòu)模型和施工安裝過程見圖1。鋼架下部支撐于離地高度約180 m的混凝土塔筒頂部,與混凝土塔筒頂部鋼梁采用螺栓連接。吸熱器鋼架外形為圓筒形結(jié)構(gòu),16根主承重柱呈圓形布置在熔鹽吸熱器內(nèi)側(cè),內(nèi)部另有4根鋼柱,作為電梯井道及支撐頂部旋轉(zhuǎn)起重機設(shè)備;吸熱器鋼架柱腳采用螺栓與混凝土塔筒頂部支撐鋼梁固定,現(xiàn)場在澆筑塔筒頂部樓板前,應(yīng)將吸熱器鋼架柱腳連接所用螺栓固定于支撐鋼梁上;在安裝吸熱器鋼架前,應(yīng)對螺栓予以保護,防止螺栓及螺紋損壞。安裝過程中,構(gòu)件必須牢固連接以確保在恒載、風(fēng)載、地震作用及安裝荷載條件下安全可靠,必須保證安裝荷載在任何情況下不使構(gòu)架遭到損害和變形。
圖1 吸熱器鋼架整體布置
吸熱器鋼架在安裝驗收后應(yīng)進行補噴鋅或油漆涂刷。總體上,下列部分將在安裝后進行補噴鋅或油漆防腐。其他工廠沒有油漆的部分,現(xiàn)場應(yīng)均勻地刷漆,以形成光滑、連續(xù)、無破損的且無凹陷、斑點、針孔等缺陷的漆膜層。
主要分為3個階段:水平起吊、管屏翻轉(zhuǎn)和豎直上升階段。其中,豎直上升階段的吊裝過程見圖2。管屏安裝在吸熱器鋼架上,就位高度在200 m左右,16個管屏在就位高度上組成一個圓周形受熱面,每個管屏長約18 m,寬約3 m。每個管屏最外側(cè)管子容易在吊裝過程中受到吊繩、尖銳物體的破壞導(dǎo)致受損,在吊裝過程中要采取一定的保護措施。管屏成圓周形布置,設(shè)計時要控制管屏之間的間隙,防止太陽光溢出,也要滿足管屏的安裝條件。隨著每個管屏逐片就位,管屏吊裝過程中會受到已就位管屏的影響,施工時應(yīng)按順序依次安裝,最后形成合攏。
圖2 管屏吊裝
因為組成的吸熱器管屏相鄰管子理論間距為零,接受太陽光照的管屏吸熱面上沒有位置布置吊點。管屏的吊點一般設(shè)置在管屏背光側(cè),利用管屏的固定與導(dǎo)向裝置設(shè)置吊點。吊點位置應(yīng)與管屏中心對稱,與管屏的重心位置匹配,保證吊裝過程中的豎直上升階段,管屏處于一個合適的傾斜角。布置吊點時,要核算管屏的重心位置、吊點附近相關(guān)梁、槽鋼等固定裝置的應(yīng)力計算、相關(guān)焊縫計算以及水平起吊和豎直上升兩種狀態(tài)下管屏的受力情況。
另外,吊裝前要對吸熱器管屏進行清洗,確認天氣狀況,就位后管屏的水平方向和豎直方向上尺寸偏差和間隙應(yīng)嚴格控制。
吸熱器的隔熱防護區(qū)域位于吸熱器有效受熱面上部和下部,其作用是保護吸熱器內(nèi)部系統(tǒng)、設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)不受溢出太陽光的傷害。隔熱防護板施工完畢后的情況見圖3。隔熱防護板高空露天安裝,材料必須采用白色的高反射材料,具有耐強紫外線照射能力,耐室外雨、雪、強風(fēng)、暴曬等交替天氣的能力,并具有耐高熱流密度干燒的能力,在溫差應(yīng)力下不會開裂和損傷。本工程的吸熱器隔熱防護板整體上選用硅酸鋁陶瓷纖維板,表面涂刷高反射涂料,兼具良好的防水性能。
吸熱器隔熱防護區(qū)域一般分為上部防護區(qū)、下部防護區(qū)和吸熱器集箱防護區(qū)??紤]到光熱電站后期維修等因素,隔熱防護板必須模塊化設(shè)計,方便拆卸和吊裝,需要經(jīng)常維修的部位,采用快速可拆卸的結(jié)構(gòu)。
圖3 吸熱器管屏和隔熱防護
由于熔鹽的低溫凝結(jié)性,吸熱器熔鹽管道均敷設(shè)電伴熱帶系統(tǒng),以維護系統(tǒng)的正常運行。電伴熱帶根據(jù)所需功率和被加熱設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)采用不同的敷設(shè)方案,電伴熱帶有Y形接法、U形接法等,接線盒的位置也根據(jù)伴熱帶的敷設(shè)方式調(diào)整和變化。電伴熱帶的熱電偶測量端與被測裝置的固定形式應(yīng)方便牢靠。備用熱電偶和備用電源接線盒等與運行熱電偶和電源接線盒距離應(yīng)盡量近些,并考慮切換時供電電纜的余量??紤]到管道上電伴熱帶的敷設(shè)方式導(dǎo)致管道上部的溫度略高于管道下部溫度,豎直管路每一個回路的電伴熱帶長度不宜過長,水平管道上熱電偶盡量安裝在管道上方。敷設(shè)電伴熱帶,同一回路的電伴熱帶不可以重疊和交叉,電伴熱帶的冷端焊接頭要在管道保溫棉之外,接線盒要合理布置在附近結(jié)構(gòu)平臺。
集箱電加熱器采用遠紅外輻射加熱,加熱結(jié)構(gòu)形式為管式,用于集箱保溫箱的預(yù)熱和維持溫度。電加熱器總的來說,要具有體積小、功率大、熱響應(yīng)快、控溫精度高、加熱溫度高、熱效率高、較強的耐冷熱交變性、溫度可調(diào)以及受熱溫度均勻等特點。
吸熱器系統(tǒng)的管道介質(zhì)是熔鹽,因熔鹽具有低溫凝結(jié)性,管道布置時要考慮一定的傾斜角度,防止熔鹽凝結(jié)堵塞管道。與熔鹽出口罐體連接的下降管分界處固定裝置受力復(fù)雜,此區(qū)域的受力情況要進行核算,進行強度評定和疲勞強度評定。
在光熱電站系統(tǒng)中,管道的固定結(jié)構(gòu)一般形式為彈簧支架和導(dǎo)向裝置等。管道的支吊架選型可以參考電站鍋爐管道的固定結(jié)構(gòu)裝置選型。在考慮熔鹽側(cè)管道的固定裝置選型時,因為電伴熱帶敷設(shè)在管道上,要注意固定裝置和電伴熱帶的敷設(shè)順序??紤]到纏有電伴熱帶的管道和固定裝置直接接觸,熱量會通過固定裝置散失,管道和固定裝置之間最好布置定制的帶孔硬質(zhì)保溫隔熱材料,電伴熱帶穿過孔道對管道進行加熱。
管道上的儀器儀表主要包括閥門、流量計、壓力表等。熔鹽對各類型的儀器儀表等的特性提出了較高要求。閥門要具有耐腐蝕、耐高溫、密封性、流動性和防結(jié)晶等特性。在閥門結(jié)構(gòu)方面,閥體流道結(jié)構(gòu)要利于熔鹽的流動并避免熔鹽的截留,材質(zhì)要滿足熔鹽工作溫度,體蓋密封和閥蓋密封要保證密封質(zhì)量以防熔鹽泄漏[3]。
由于熔鹽的高溫和凝固特性導(dǎo)致常規(guī)性儀表不能滿足熔鹽工況對壓力表的特殊需求,熔鹽側(cè)壓力表一般采用隔膜式壓力表,隔膜材料采用耐高溫、耐腐蝕的金屬材料,導(dǎo)壓介質(zhì)通常使用硅油,而導(dǎo)壓介質(zhì)的耐溫能力決定了壓力表是否能夠滿足使用條件[4]。目前,熔鹽側(cè)管道的流量計一般采用非直接接觸的超聲波流量計,布置在吸熱器入口管道監(jiān)測流量。
塔頂?shù)踉O(shè)置于聚光吸熱系統(tǒng)的頂部,布置高度約為220 m,用于吸熱器系統(tǒng)后期的檢修起吊。塔頂?shù)踹x型的時候要計算塔頂?shù)醯牡蹀D(zhuǎn)半徑和吊裝載荷,提供設(shè)備外形尺寸圖、底座連接形式及基礎(chǔ)負荷、設(shè)備總電機功率等。塔頂?shù)醯牡蹀D(zhuǎn)臂長要與混凝土塔的外徑相匹配,滿足后期維修和吊裝需求。
自中標(biāo)中電工程哈密50 MW光熱項目,東方鍋爐自主研發(fā)的熔鹽吸熱器本體設(shè)備和輔助系統(tǒng)經(jīng)過2年的設(shè)計、制造和安裝階段,于2019年年底投運。適用于50 MW容量等級的熔鹽吸熱器首次在工程上得以應(yīng)用,前期設(shè)計和后期安裝階段均遇到一些挑戰(zhàn)。本文結(jié)合設(shè)計階段和吸熱器安裝階段遇到的問題,對熔鹽吸熱器相關(guān)設(shè)備選型、安裝要點以及一些結(jié)構(gòu)特點進行了闡述。希望對后續(xù)塔式熔鹽吸熱器設(shè)計和安裝有一定借鑒意義,并推動熔鹽塔式光熱發(fā)電技術(shù)日益進步。