槽式太陽能光熱發(fā)電導(dǎo)熱油劣化分析及對策探索

王自發(fā)，趙雄，尹航，宋熙俊，馬峪波

（中廣核太陽能德令哈有限公司，青海 德令哈 817000）

我國“十四五”規(guī)劃明確要求經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的同時，必須秉持綠色發(fā)展優(yōu)先的理念。發(fā)展新能源是減少碳排放的有效手段，而槽式太陽能光熱發(fā)電效率高、安全可靠，成為新能源領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)選項目。槽式太陽能光熱發(fā)電一般選用導(dǎo)熱油為傳熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油雖有穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱系數(shù)大、自燃點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，但使用不當(dāng)會加速裂解、氧化，導(dǎo)致傳熱效率降低，嚴(yán)重者甚至?xí)霈F(xiàn)碳化物沉積堵塞通流截面，影響導(dǎo)熱油系統(tǒng)的安全可持續(xù)運(yùn)行。本文對導(dǎo)熱油使用過程中劣化機(jī)理進(jìn)行了分析，并探索制定了有效應(yīng)對措施，以減緩導(dǎo)熱油氧化、裂解，延長導(dǎo)熱油使用壽命，提高設(shè)備可靠性。

1 導(dǎo)熱油理化特性介紹

槽式太陽能光熱發(fā)電項目采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，主要成分為聯(lián)苯醚和聯(lián)苯。其最高油膜溫度不超過420℃，凝點(diǎn)為12℃，常態(tài)沸點(diǎn)為257℃，閃點(diǎn)為124℃，自燃點(diǎn)為620℃，密度為1058kg/m3，凝固時體積收縮率為6.27%，融化時體積膨脹率為6.69%。最高允許使用溫度400℃，最高允許液膜溫度425℃。最佳使用溫度：液相為12～400℃；汽相為260～400℃。其特點(diǎn)是：揮發(fā)分小、安全可靠；微毒、吸入有害；酸度低、PH基本近中性，對設(shè)備無腐蝕；溜程高，蒸發(fā)損耗?。粺岱€(wěn)定性好，抗氧化性強(qiáng)。

熱穩(wěn)定性是導(dǎo)熱油的關(guān)鍵性能，即導(dǎo)熱油的組分在高溫狀態(tài)下抵抗受熱分解的能力。熱穩(wěn)定性的測定方法：“有機(jī)熱載體熱穩(wěn)定性測定法”GB/T 23800-2009 即“安瓿瓶法”。熱穩(wěn)定性和最高使用溫度的關(guān)系是熱穩(wěn)定性高：最高使用溫度高、補(bǔ)充量低、使用壽命長。最高允許使用溫度：通過熱穩(wěn)定性測試，被測導(dǎo)熱油的變質(zhì)率不超過10%條件下的最高試驗溫度。

2 導(dǎo)熱油品質(zhì)劣化因素

導(dǎo)熱油油品質(zhì)劣化有三個因素：過熱裂解、氧化、污染。

（1）導(dǎo)熱油過熱裂解的原因：集熱器、加熱爐局部管段的油溫或油膜溫度超過了最高允許溫度范圍。

（2）導(dǎo)熱油氧化劣化的原因：高溫導(dǎo)熱油與空氣接觸，和氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，引起油品的品質(zhì)劣化。

（3）導(dǎo)熱油污染的原因：系統(tǒng)殘留污染物，誤加不同品質(zhì)的油品及熱交換過程中非同質(zhì)泄漏污染。

3 導(dǎo)熱油品劣化機(jī)理

3.1 過熱裂解機(jī)理

導(dǎo)熱油的液膜溫度是指與集熱管（加熱爐換熱管）接觸的導(dǎo)熱油邊界層內(nèi)的溫度；最高允許液膜溫度是導(dǎo)熱油與集熱管接觸處的最高允許溫度。處于最高允許液膜溫度條件下導(dǎo)熱油會承受一個最高溫度應(yīng)力并存在一個較高的變質(zhì)率。因此，該溫度是傳熱系統(tǒng)內(nèi)任何一處的導(dǎo)熱油都不應(yīng)超過的溫度。

如果導(dǎo)熱油在加熱過程中，油溫超過其最高液膜溫度，難免會出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，結(jié)焦物主要是導(dǎo)熱油裂解、聚合而成的膠狀物、瀝青質(zhì)及稠環(huán)芳烴等。這些物質(zhì)會黏附在集熱管（加熱爐換熱管）上形成隔熱層，使導(dǎo)熱油在管中流速降低，傳熱膜溫增加，使隔熱層逐漸積聚，甚至堵塞集熱管（加熱爐換熱管），造成集熱管（加熱爐換熱管）局部高溫過熱，降低傳熱效率，嚴(yán)重時發(fā)生爆管，導(dǎo)致事故發(fā)生。

導(dǎo)熱油在集熱管中的結(jié)焦大致可分為兩個階段：第一階段，導(dǎo)熱油與集熱管（加熱爐換熱管）表面接觸，吸熱過程中發(fā)生聚合和裂解反應(yīng)，使導(dǎo)熱油大分子物質(zhì)縮合成大分子稠環(huán)芳烴、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)，造成導(dǎo)熱油黏度、閃點(diǎn)、殘?zhí)嫉戎笜?biāo)增高。第二階段，導(dǎo)熱油吸熱裂解、聚合的產(chǎn)物向集熱管（加熱爐換熱管）金屬表面遷移并吸附在金屬表面，吸附在金屬表面的物質(zhì)會日益增加，在集熱管（加熱爐換熱管）表面繼續(xù)受熱會硬化形成結(jié)焦物。

導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)證明，在一個確定的溫度下，所有導(dǎo)熱油都會出現(xiàn)不同程度的因熱裂解而變質(zhì)的現(xiàn)象。導(dǎo)熱油變質(zhì)率的增加與所承受溫度的增加表現(xiàn)出一種指數(shù)關(guān)系，當(dāng)工作溫度每上升10℃，導(dǎo)熱油由于熱裂解原因造成的變質(zhì)率會在原有變質(zhì)率的基礎(chǔ)上增加1倍。因此，合理地控制導(dǎo)熱油的加熱溫度，避免超溫操作，是延長導(dǎo)熱油使用壽命的主要措施之一。

3.2 氧化劣化機(jī)理

導(dǎo)熱油氧化劣化是指導(dǎo)熱油和空氣接觸后氧化反應(yīng)的程度和趨勢。氧化反應(yīng)產(chǎn)物為酸性腐蝕性污泥，導(dǎo)致傳熱效率降低和管道腐蝕；在大多數(shù)熱傳導(dǎo)系統(tǒng)中，導(dǎo)熱油不直接接觸氧氣，但在導(dǎo)熱油補(bǔ)油、設(shè)備檢修及過濾器清理等過程中，難以避免導(dǎo)熱油與空氣接觸，或高溫與低溫導(dǎo)熱油混合，發(fā)生氧化。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，油溫越高，氧化變質(zhì)的速度越快。油溫較低時，也有氧化反應(yīng)，但速度較慢；當(dāng)導(dǎo)熱油溫度較高時（大于60℃），或冷、熱油混合過程（溫差大于50℃）時，氧化速度會明顯加快。導(dǎo)熱油發(fā)生氧化后，生成有機(jī)酸、固體顆粒，引起油品的物性發(fā)生變化，繼而縮短導(dǎo)熱油的使用壽命。

3.3 導(dǎo)熱油污染機(jī)理

導(dǎo)熱油初次注入系統(tǒng)時，由于管道系統(tǒng)清理不干凈或吹管后存留水分等低沸雜質(zhì)，會造成新導(dǎo)熱油的污染，加速低沸物的生成速率，導(dǎo)致導(dǎo)熱油的老化。

新舊導(dǎo)熱油混用或不同型號的油品注入等，均會造成導(dǎo)熱油的污染，該過程主要與油品管理關(guān)系密切，需嚴(yán)格執(zhí)行混油試驗，以延長導(dǎo)熱油的使用壽命。

4 防止導(dǎo)熱油劣化措施

4.1 防止導(dǎo)熱油過熱裂解

（1）槽式太陽能光熱電站交付生產(chǎn)運(yùn)營時，必須嚴(yán)格執(zhí)行導(dǎo)熱油系統(tǒng)流量平衡指標(biāo)驗收，尤其各鏡場支管流量平衡指標(biāo)測試驗收。交付生產(chǎn)后，應(yīng)每年進(jìn)行一次流量平衡測定，確保各鏡場支管為湍流狀態(tài)，以避免導(dǎo)熱油油品劣化，碳化物等重組分沉積集熱管中形成堵塞，造成局部超溫，加速導(dǎo)熱油的老化。

（2）健全導(dǎo)熱油油品化學(xué)監(jiān)督機(jī)制。定期開展導(dǎo)熱油殘?zhí)?、黏度及水分等成分的化驗，?dǎo)熱油的黏度和流速隨溫度變化：當(dāng)溫度升高時，油的黏度降低，導(dǎo)熱油流速增加。有效的傳熱系統(tǒng)需要足夠的流量以確保加熱管中的湍流。油層和管壁之間的接觸局限于表面；流速的增加會引起湍流，排出更多的熱量，提高傳熱效率。良好的導(dǎo)熱油應(yīng)具有氧化穩(wěn)定性和一定的清洗溶解能力，能有效減少和延緩各種不溶物的形成。避免導(dǎo)熱油流道堵塞，造成局部超溫現(xiàn)象。

（3）導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)規(guī)范化。及時清理導(dǎo)熱油循環(huán)泵及防凝泵入口過濾器，減少導(dǎo)熱油循環(huán)泵出力不足引起導(dǎo)熱油流量減小造成的超溫；加強(qiáng)集熱器驅(qū)動裝置液壓油品管理，定期化驗，降低液壓油品超標(biāo)，引起的集熱管拒動或頻動引起的集熱管長期聚焦造成導(dǎo)熱油超溫。

（4）集熱器出口導(dǎo)熱油超溫邏輯保護(hù)修訂完善，嚴(yán)格執(zhí)行超溫邏輯保護(hù)的判斷邏輯，未經(jīng)生產(chǎn)總工（生產(chǎn)副總）批準(zhǔn)，嚴(yán)禁解列超溫保護(hù)。并定期校驗測溫元件，避免測溫誤差過大引起的導(dǎo)熱油超溫發(fā)生。

（5）導(dǎo)熱油溫度調(diào)整精細(xì)管理。將導(dǎo)熱油溫度調(diào)整區(qū)間細(xì)化，開展運(yùn)行全員參與的導(dǎo)熱油溫度小指標(biāo)值際勞動競賽，導(dǎo)熱油溫度控制先進(jìn)值際和個人進(jìn)行獎勵、落后值際和個人考核，評選導(dǎo)熱油溫度控制崗位能手，推動導(dǎo)熱油溫度控制經(jīng)濟(jì)性和安全性兼顧持續(xù)進(jìn)行。

4.2 防止導(dǎo)熱油氧化劣化

（1）定期開展制氮系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)。導(dǎo)熱油氣相均采取氮?dú)饷芊夂统鋲鹤饔?，氮?dú)馐桥c導(dǎo)熱油直接接觸的介質(zhì)，氮?dú)庀到y(tǒng)壓力是導(dǎo)熱油氣相聯(lián)通的保障。導(dǎo)熱油系統(tǒng)保持一定氣相（氮?dú)猓毫κ菧p少輕組分從高溫導(dǎo)熱油中逃逸造成損失的保障，保持設(shè)計要求的壓力是導(dǎo)熱油的最基本要求——安全性。它有助于減少循環(huán)泵氣塞，減少真空渦流引起的泵內(nèi)葉片損壞。導(dǎo)熱油可防止封閉系統(tǒng)中的額外壓力和嚴(yán)重沖擊引起的超壓。氮?dú)饧兌冉档秃螅獨(dú)鈹y帶的氧氣和水分占比勢必將增加，水分與導(dǎo)熱油相比屬于低沸物的有害物質(zhì)，造成導(dǎo)熱油污染，氧氣直接與系統(tǒng)中的高溫導(dǎo)熱油接觸，導(dǎo)熱油將發(fā)生氧化劣化，酸性增加，造成導(dǎo)熱油老化。

（2）導(dǎo)熱油系統(tǒng)設(shè)備檢修前的退油氮封防氧化措施執(zhí)行監(jiān)督。從上文可知，導(dǎo)熱油的氧化速率與溫度成正比關(guān)系，導(dǎo)熱油排油必須待溫度降低后方可執(zhí)行，避免高溫導(dǎo)熱油的劇烈氧化。排油過程中，必須執(zhí)行可靠氮封，一般采用具有氮封能力的退油罐車或全程密封的退油管線進(jìn)行排油。避免導(dǎo)熱油與空氣接觸發(fā)生氧化劣化，造成導(dǎo)熱油二次污染和老化。

（3）保障導(dǎo)熱油凈化裝置的穩(wěn)定投運(yùn)。通過高溫導(dǎo)熱油處理，可去除油品中的硫、氧和氮等有害雜質(zhì)，分解成相應(yīng)的硫化氫、水和氨，并使烯烴和二烯烴高溫飽和，使芳烴部分高溫飽和，提高油品質(zhì)量。通過再生擴(kuò)容罐的擴(kuò)容降壓，將重組分分離出來，進(jìn)一步提高油品質(zhì)量。故加大導(dǎo)熱油再生系統(tǒng)盤管清理，輕重組分及時排出系統(tǒng)，能有效降低導(dǎo)熱油劣化速率，減緩導(dǎo)熱油老化。

5 結(jié)語

本文通過對導(dǎo)熱油理化特性、劣化因素及劣化機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合生產(chǎn)實際探索性地提出了導(dǎo)熱油減緩高溫裂解，防止氧化劣化和污染的技術(shù)措施，以期提高槽式光熱電站導(dǎo)熱油的使用壽命，降低設(shè)備的故障率，提高設(shè)備的可靠性，達(dá)到全廠熱效率提升，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。