槽式太阳能光热发电导热油劣化分析及对策探索

王自发，赵雄，尹航，宋熙俊，马峪波

（中广核太阳能德令哈有限公司，青海 德令哈 817000）

我国“十四五”规划明确要求经济高质量发展的同时，必须秉持绿色发展优先的理念。发展新能源是减少碳排放的有效手段，而槽式太阳能光热发电效率高、安全可靠，成为新能源领域发展的优选项目。槽式太阳能光热发电一般选用导热油为传热介质，导热油虽有稳定性好、导热系数大、自燃点高等优点，但使用不当会加速裂解、氧化，导致传热效率降低，严重者甚至会出现碳化物沉积堵塞通流截面，影响导热油系统的安全可持续运行。本文对导热油使用过程中劣化机理进行了分析，并探索制定了有效应对措施，以减缓导热油氧化、裂解，延长导热油使用寿命，提高设备可靠性。

1 导热油理化特性介绍

槽式太阳能光热发电项目采用导热油作为传热介质，主要成分为联苯醚和联苯。其最高油膜温度不超过420℃，凝点为12℃，常态沸点为257℃，闪点为124℃，自燃点为620℃，密度为1058kg/m³，凝固时体积收缩率为6.27%，融化时体积膨胀率为6.69%。最高允许使用温度400℃，最高允许液膜温度425℃。最佳使用温度：液相为12～400℃；汽相为260～400℃。其特点是：挥发分小、安全可靠；微毒、吸入有害；酸度低、PH基本近中性，对设备无腐蚀；溜程高，蒸发损耗小；热稳定性好，抗氧化性强。

热稳定性是导热油的关键性能，即导热油的组分在高温状态下抵抗受热分解的能力。热稳定性的测定方法：“有机热载体热稳定性测定法”GB/T 23800-2009 即“安瓿瓶法”。热稳定性和最高使用温度的关系是热稳定性高：最高使用温度高、补充量低、使用寿命长。最高允许使用温度：通过热稳定性测试，被测导热油的变质率不超过10%条件下的最高试验温度。

2 导热油品质劣化因素

导热油油品质劣化有三个因素：过热裂解、氧化、污染。

（1）导热油过热裂解的原因：集热器、加热炉局部管段的油温或油膜温度超过了最高允许温度范围。

（2）导热油氧化劣化的原因：高温导热油与空气接触，和氧气发生氧化反应，引起油品的品质劣化。

（3）导热油污染的原因：系统残留污染物，误加不同品质的油品及热交换过程中非同质泄漏污染。

3 导热油品劣化机理

3.1 过热裂解机理

导热油的液膜温度是指与集热管（加热炉换热管）接触的导热油边界层内的温度；最高允许液膜温度是导热油与集热管接触处的最高允许温度。处于最高允许液膜温度条件下导热油会承受一个最高温度应力并存在一个较高的变质率。因此，该温度是传热系统内任何一处的导热油都不应超过的温度。

如果导热油在加热过程中，油温超过其最高液膜温度，难免会出现结焦现象，结焦物主要是导热油裂解、聚合而成的胶状物、沥青质及稠环芳烃等。这些物质会黏附在集热管（加热炉换热管）上形成隔热层，使导热油在管中流速降低，传热膜温增加，使隔热层逐渐积聚，甚至堵塞集热管（加热炉换热管），造成集热管（加热炉换热管）局部高温过热，降低传热效率，严重时发生爆管，导致事故发生。

导热油在集热管中的结焦大致可分为两个阶段：第一阶段，导热油与集热管（加热炉换热管）表面接触，吸热过程中发生聚合和裂解反应，使导热油大分子物质缩合成大分子稠环芳烃、胶质及沥青质，造成导热油黏度、闪点、残碳等指标增高。第二阶段，导热油吸热裂解、聚合的产物向集热管（加热炉换热管）金属表面迁移并吸附在金属表面，吸附在金属表面的物质会日益增加，在集热管（加热炉换热管）表面继续受热会硬化形成结焦物。

导热油的热稳定性试验数据证明，在一个确定的温度下，所有导热油都会出现不同程度的因热裂解而变质的现象。导热油变质率的增加与所承受温度的增加表现出一种指数关系，当工作温度每上升10℃，导热油由于热裂解原因造成的变质率会在原有变质率的基础上增加1倍。因此，合理地控制导热油的加热温度，避免超温操作，是延长导热油使用寿命的主要措施之一。

3.2 氧化劣化机理

导热油氧化劣化是指导热油和空气接触后氧化反应的程度和趋势。氧化反应产物为酸性腐蚀性污泥，导致传热效率降低和管道腐蚀；在大多数热传导系统中，导热油不直接接触氧气，但在导热油补油、设备检修及过滤器清理等过程中，难以避免导热油与空气接触，或高温与低温导热油混合，发生氧化。经研究发现，油温越高，氧化变质的速度越快。油温较低时，也有氧化反应，但速度较慢；当导热油温度较高时（大于60℃），或冷、热油混合过程（温差大于50℃）时，氧化速度会明显加快。导热油发生氧化后，生成有机酸、固体颗粒，引起油品的物性发生变化，继而缩短导热油的使用寿命。

3.3 导热油污染机理

导热油初次注入系统时，由于管道系统清理不干净或吹管后存留水分等低沸杂质，会造成新导热油的污染，加速低沸物的生成速率，导致导热油的老化。

新旧导热油混用或不同型号的油品注入等，均会造成导热油的污染，该过程主要与油品管理关系密切，需严格执行混油试验，以延长导热油的使用寿命。

4 防止导热油劣化措施

4.1 防止导热油过热裂解

（1）槽式太阳能光热电站交付生产运营时，必须严格执行导热油系统流量平衡指标验收，尤其各镜场支管流量平衡指标测试验收。交付生产后，应每年进行一次流量平衡测定，确保各镜场支管为湍流状态，以避免导热油油品劣化，碳化物等重组分沉积集热管中形成堵塞，造成局部超温，加速导热油的老化。

（2）健全导热油油品化学监督机制。定期开展导热油残碳、黏度及水分等成分的化验，导热油的黏度和流速随温度变化：当温度升高时，油的黏度降低，导热油流速增加。有效的传热系统需要足够的流量以确保加热管中的湍流。油层和管壁之间的接触局限于表面；流速的增加会引起湍流，排出更多的热量，提高传热效率。良好的导热油应具有氧化稳定性和一定的清洗溶解能力，能有效减少和延缓各种不溶物的形成。避免导热油流道堵塞，造成局部超温现象。

（3）导热油系统设备的维护规范化。及时清理导热油循环泵及防凝泵入口过滤器，减少导热油循环泵出力不足引起导热油流量减小造成的超温；加强集热器驱动装置液压油品管理，定期化验，降低液压油品超标，引起的集热管拒动或频动引起的集热管长期聚焦造成导热油超温。

（4）集热器出口导热油超温逻辑保护修订完善，严格执行超温逻辑保护的判断逻辑，未经生产总工（生产副总）批准，严禁解列超温保护。并定期校验测温元件，避免测温误差过大引起的导热油超温发生。

（5）导热油温度调整精细管理。将导热油温度调整区间细化，开展运行全员参与的导热油温度小指标值际劳动竞赛，导热油温度控制先进值际和个人进行奖励、落后值际和个人考核，评选导热油温度控制岗位能手，推动导热油温度控制经济性和安全性兼顾持续进行。

4.2 防止导热油氧化劣化

（1）定期开展制氮系统的设备维护。导热油气相均采取氮气密封和充压作用，氮气是与导热油直接接触的介质，氮气系统压力是导热油气相联通的保障。导热油系统保持一定气相（氮气）压力是减少轻组分从高温导热油中逃逸造成损失的保障，保持设计要求的压力是导热油的最基本要求——安全性。它有助于减少循环泵气塞，减少真空涡流引起的泵内叶片损坏。导热油可防止封闭系统中的额外压力和严重冲击引起的超压。氮气纯度降低后，氮气携带的氧气和水分占比势必将增加，水分与导热油相比属于低沸物的有害物质，造成导热油污染，氧气直接与系统中的高温导热油接触，导热油将发生氧化劣化，酸性增加，造成导热油老化。

（2）导热油系统设备检修前的退油氮封防氧化措施执行监督。从上文可知，导热油的氧化速率与温度成正比关系，导热油排油必须待温度降低后方可执行，避免高温导热油的剧烈氧化。排油过程中，必须执行可靠氮封，一般采用具有氮封能力的退油罐车或全程密封的退油管线进行排油。避免导热油与空气接触发生氧化劣化，造成导热油二次污染和老化。

（3）保障导热油净化装置的稳定投运。通过高温导热油处理，可去除油品中的硫、氧和氮等有害杂质，分解成相应的硫化氢、水和氨，并使烯烃和二烯烃高温饱和，使芳烃部分高温饱和，提高油品质量。通过再生扩容罐的扩容降压，将重组分分离出来，进一步提高油品质量。故加大导热油再生系统盘管清理，轻重组分及时排出系统，能有效降低导热油劣化速率，减缓导热油老化。

5 结语

本文通过对导热油理化特性、劣化因素及劣化机理进行分析，结合生产实际探索性地提出了导热油减缓高温裂解，防止氧化劣化和污染的技术措施，以期提高槽式光热电站导热油的使用寿命，降低设备的故障率，提高设备的可靠性，达到全厂热效率提升，提高企业的经济性。