槽式太阳能热发电站中导热油的低温分步注油工艺流程介绍

刘大勇，谷文学，丁鸿良

(1.中国广核新能源控股有限公司，北京 100071；2.中广核太阳能德令哈有限公司，德令哈 817000)

0 引言

作为传统能源的替代品，太阳能热发电必将成为新能源利用的一个重要方向。太阳能热发电技术在我国正处于起步阶段，由于其具有可利用太阳能、储热成本低、储能规模大等优势，可实现24 h的低成本发电，研究并发展该技术对调整我国能源结构具有重大意义。随着太阳能热发电技术在我国能源结构中战略地位的提升，太阳热发电行业有望获得更多的政策倾斜，随之而来的会是太阳能热发电产业化进程的加快。

中国广核新能源控股有限公司投资建设并已投产的德令哈50 MW槽式太阳能热发电站(下文简称“德令哈热发电站”)是我国国内第1个开工建设、第1个投产运行的大型商业化太阳能热发电站，也是全球第1个建设在高寒地区的大型槽式太阳能热发电站。该热发电站以导热油(联笨-联笨醚混合物)作为传热工质，该导热油在12℃时即凝结，而该热发电站所在地仅7月和8月时的全天温度可基本维持在此温度以上。德令哈热发电站的主管道长度约为3万m，管道直径介于300～800 mm之间；回路的支管长度为13.3万m，直径为80 mm；这些管道需充满重量约为3120 t的导热油。

在低温条件下往这些管道中注入导热油时，管道极易凝结，存在安全风险，也会导致太阳能热发电系统无法运行。德令哈热发电站因前期建设时间的原因，导致导热油系统中的太阳岛系统必须在12月时注油，而德令哈市12月、1月、2月的气温一般在-20～5 ℃之间，即使白天的最高气温会略高，也仅在5 ℃左右。整个导热油系统要在冬季完成注油太难，但若不在此期间完成注油，最乐观也要等到下一年的6月才能开始注油，会导致热发电站的投产日期推后至少半年；并且未注入的导热油还会产生额外的存储费用。因此，研究如何在低温条件下完成导热油的注入非常有必要。

太阳能热发电站中的导热油系统包括传储热岛导热油系统和太阳岛系统，其中，传储热岛导热油系统包括传热岛导热油系统(下文简称“传热岛系统”)和储热岛导热油系统(下文简称“储热岛系统”)。整个导热油系统的示意图如图1所示。

图1 导热油系统示意图Fig.1 Schematic diagram of heat transfer oil system

整个导热油系统非常庞大，尤其是太阳岛系统，除了包括南、北区主管道外，还包括4个大区域及7个小区域的回路管道，若在低温条件下往这些管道一次性全部注油必然会产生凝结。为保证德令哈热发电站可以按期发电，通过对导热油系统进行分析、对导热油特性进行研究，以及多次的现场模拟试验和20多次的专题会进行方案讨论后，决定采取“提高导热油油温、分成9个步骤将导热油注入各系统中先形成小循环防止凝结，并逐步形成大循环”的方案，然后通过总结每一步的注油实践，为下一步注油形成优化方案，最终成功将导热油注入整个导热油系统中。下文对德令哈热发电站采用的低温分步注油工艺流程进行详细介绍。

1 低温分步注油工艺流程及要点

通过对整个导热油系统进行分析，最终将低温分步注油工艺流程分为9个注油步骤，具体如图2所示。

图2 低温分步注油工艺流程的总体步骤Fig.2 Overall steps of low-temperature step-by-step oil injection process

1)第1步：将导热油注入膨胀罐中。

2)第2步：将导热油注入高位罐，并从高位罐中溢流回膨胀罐，形成循环。

3)第3步：将高位罐中的导热油注入传热岛系统中，并在传热岛系统中形成循环。

4)第4步：将传热岛系统中的导热油注入太阳岛系统北区主管道，并形成循环。此处的主管道是指从传热岛系统管道与太阳岛系统北区的分区隔离阀门到WAA/WAB/WAE/WAF区域分区隔离阀门之间的主管道，简称“北区主管道”。

5)第5步：将传热岛系统中的导热油注入太阳岛系统南区主管道，并形成循环。此处的主管道是指从传热岛系统管道与太阳岛系统南区的分区隔离阀门到WAC/WAD/WAG区域分区隔离阀门之间的主管道，简称“南区主管道”。

6)第6步：将导热油注入太阳岛系统EF区主管道及该区所有回路中，并形成循环。

7)第7步：将导热油注入太阳岛系统AB区主管道及该区所有回路中，并形成循环。

8)第8步：将导热油注入太阳岛系统G区主管道及该区所有回路中，并形成循环。

9)第9步：将导热油注入太阳岛系统CD区主管道及该区所有回路中，并形成循环。

由于往储热岛系统的管道注油过程较为简单，在此不作赘述。

1.1 向膨胀罐注油

导热油注入膨胀罐的工艺较为容易，利用1台潜水泵作为临时注油泵，通过临时管道将槽车中的导热油注入1个膨胀罐中。

由于冬季的气温较低，在此步骤开始前，可用现场的热蒸汽对槽车内的导热油进行加热化冻，只要保证导热油油温在30℃左右即可；而各导热油管道则按设计时的要求利用伴热系统保温即可。导热油化冻后再泵入膨胀罐中，可大幅提高注油速度。注油过程中一定要检查相应的伴热系统是否能正常使用，避免发生导热油凝结现象。

1.2 向高位罐注油

将膨胀罐底部的阀门打开，通过地面上的注油泵将膨胀罐中的导热油泵入高位罐中，再从高位罐溢流回膨胀罐中，形成循环。这一系列操作除了完成注油外，还可以检验此段管道的畅通性及安全性。膨胀罐和高位罐的实物图如图3所示。

图3 膨胀罐和高位罐的实物图Fig.3 Photo of expansion tank and high-level tank

1.3 向传热岛系统注油

传热岛系统涉及的区域包括导热油循环泵区和从导热油加热炉区注油管道到太阳岛系统进回油主管道的分区隔离阀门之间的区域。向传热岛系统注油会成为导热油循环开始后向太阳岛系统注油的连接条件。

由于导热油温度超过60 ℃时会在空气中发生氧化，因此在此步骤中通过膨胀罐的伴热系统将导热油的初始注油温度提高到55 ℃左右，此处的热源采用蒸汽加热。导热油通过导热油加热炉区时，启用导热油加热炉对其进行加热，一是可以检验导热油加热炉的工作状态，二是可为后续的注油升温提供保障。

在导热油充满导热油循环泵及与其相连的低位管道后要及时启动导热油循环泵，以检验循环泵的运行状态，确保其可以正常运行，并利用循环泵加快注油速度。

在向传热岛系统注油期间，高位油槽的排空阀需要打开，以保证空气尽可能从高位油槽排走；而且在此期间，在传热岛系统与储热岛系统的分区隔离阀门处和传热岛系统与太阳岛的分区隔离阀门处各有一段未能形成循环的管道，这段管道需增设临时电伴热(电阻丝)，以避免此段管道内的导热油凝结。

1.4 向太阳岛系统北区主管道注油

在向太阳岛系统北区的主管道注油之前，AB区分区隔离阀门外侧的一段正式管道暂时先不安装，而是利用临时连通管连通北区主管道，并确保北区主管道在分区隔离阀门开启时能与传热岛系统形成闭环循环。临时连通管的直径应根据循环泵注油时可形成的最小循环压力及相应的流量来确定，本工程采用的是DN300临时连通管。在后续EF区注油结束并形成循环后，关闭AB区的分区隔离阀门，并拆除临时连通管，然后安装预留的那段正式主管道。

查看EF区的主管道(见图4)长度(即图4中垂直方向油管与分区隔离阀门WAP12、WAM12之间的距离)及其直径，由于此段管道很长且端头位置的主管道的直径较小，因此可以在端头一定范围内加装电伴热装置，避免盲端部分的导热油凝结。

图4 EF区主管道图Fig.4 Main pipeline in zone EF

开始注油前，应先确认本次注油时管道上的阀门的开闭状态，保证传热岛系统的传热区与太阳岛系统南北两区之间的分区隔离阀门全部关闭，连接太阳岛系统南区主管道的阀门应关闭，连接太阳岛系统北区主管道与AB区的分区隔离阀门开启，连接EF区的分区隔离阀门关闭。开始注油时，开启传热岛系统传热区进油管道与太阳岛系统北区进油主管道之间的分区隔离阀门，最后等到导热油通过最后1个排气孔后，根据管道内的压力变化及时开启传热岛系统与太阳岛系统北区内回油主管道之间的分区隔离阀门，使导热油形成循环，并通过导热油加热炉维持系统的导热油油温。

虽然此步骤涉及的管道相对较长，但管道较粗，因此注油时的初始温度仍可设置为55 ℃左右，该初始油温通过膨胀罐的蒸汽伴热系统来实现；注油过程中整个导热油系统的导热油温度通过导热油加热炉进行温度提升及维持。

注油过程中将太阳岛系统北区内的排空阀全部打开，用软管将导热油导入预先摆放在此处的水桶中，并在出油时用温度计检测油温。通过此方法可监测导热油流经此处时的油温，若油温过低，需及时采取措施，防止导热油凝结。

1.5 向太阳岛系统南区主管道注油

向太阳岛系统南区主管道注油时的操作要点及注意事项与向太阳岛系统北区主管道注油时的类似。若南区的管道安装进度滞后，为了保证太阳能热发电站可按计划发电，可以将此步骤放在太阳岛系统内的EF区和AB区都完成注油后，再根据实际情况择机注油。

1.6 向太阳岛系统EF区主管及所有回路支管注油

此部分注油是在低温条件下最难的注油过程，因为每个分区的回路的支管量都很大。每个回路的支管长度约为700 m，而直径仅为80 mm，利用钢管将4列每列长度为150 m的真空集热管与分区主管道相连形成畅通管路(具体可参考图4)。电站所在地的白天气温最高约为5 ℃，而管道内的温度约为-10 ℃，导热油在通过此种又细又长的管道时肯定会凝结。为此，经过20多次的专题方案研讨及多次的现场模拟试验，最终确定了EF区、AB区、G区及CD区的导热油注油流程及相应的注油措施。

1.6.1 单区域注油流程

本文以EF区为例进行介绍，其他区域的导热油注油方式相同。

EF区的注油流程为：利用伴热系统对EF区主管道及回路进行加热→从EF区主管道末端(即图4中的2′′NPD处)向回油主管道注油→开启分区隔离阀门使导热油流入EF区回油主管道→向EF区进油主管道注油→导热油循环→向WAF区域回路注油→向WAE区域回路注油。

1.6.2 单区域低温注油的可行性分析

对于上述注油流程需要特别说明的是，为了加快主管道的注油速度，并避免注油管道中前端部分的导热油因气温太低而凝结，需要在EF回油主管道的两端都进行注油，以保证导热油向回油主管道推进时前端部分的油温尽可能高。向导热油回油主管道注油是在主管道中的导热油未注满的情况下，应避免管道中的空气进入导热油泵产生气蚀现象。在向回油主管道注油时，为控制注油速度以保护高位罐的液位，通常利用高位罐中导热油的自重来注油。EF区主管道的注油总量约在100～150 t之间，根据测算，可在EF区的主管道末端先注2辆槽车(50 t)的导热油，因主管道末端外接的是功率较小的潜水泵作为注油泵进行注油，因此主管道末端的注油要提前进行。

注油时一定要选择阳光充足的天气，而且真正的注油时间要尽可能选择从中午到太阳落山前的这段时间，因为这段时间的气温较高。

因EF区回路的支管直径很小，若依然选择55 ℃的初始注油温度不能保证导热油在回路中不凝结。经过大致的计算和试验后，以80 ℃左右作为EF区主管道和回路的初始注油温度。在此温度下，导热油仅会在管道前端部分与空气接触的位置缓慢发生氧化，损失的导热油量很少，属于可接受范围。不过，在后续的煮油和再生系统进行导热油净化时，可将此部分氧化的导热油去除。

EF区回路注油的顺序是从管道末端按分组逐个向回路注油。

由于每个回路的支管又细又长，往回路注油时即使初始注油温度为80℃，导热油也很有可能会凝结，因此经过多次讨论后，决定将该部分真空集热管的保护膜撕开，使其在集热器不运行时自然集热，并观察记录每根真空集热管在各时间点的温度。通常白天阳光充足时，真空集热管的最高温度可达到80 ℃左右，晚上则会逐渐下降，最终在后半夜降至环境温度。由此可知，撕开真空集热管的保护膜，在白天时可利用其集热，使真空集热管维持在较高的温度，而与真空集热管相连的温度较低的连接管的长度最长的也就是管道进出口处跨接的30 m左右，避免了管道太长使导热油凝结。

通过调研发现，在EF区主管道南侧场区，即EF区主管道到WAF平台之间的回路进出口部分中跨越道路的跨接管最易出现导热油凝结的情况，此连接段的长度约为30 m。WAF平台进出口跨接管图如图5所示。只有保证这段管道中的导热油不凝结，低温分步注油方案才有实现的可能。因此，首先猜测导热油在主管道中以80℃的温度循环，在进入回路部分的导热油温度应能超过30 ℃。为证实此猜测，在已注完油的主管道排放阀上接入1路与上文所述跨接管形式相近、长度一样的临时管道，观察这段管道端部导热油的温度变化情况。在测得即使主管道中导热油初始温度仅为50 ℃左右时主管道排放阀门处导热油的温度也能超过30 ℃后，为进一步确认可行性，当排放阀门处的导热油温度降到30 ℃左右时打开排放阀门，观察这样的导热油温度是否能顺利通过这段管道而不凝结；结果发现导热油可顺利通过，试验成功，说明该方案是可行的。

图5 WAF平台进出口跨接管图Fig.5 Photo of inlet and outlet jumper pipe of WAF platform

为了进一步避免导热油凝结，在EF区主管道上均匀布置4台功率较大的空压机对太阳岛系统EF区内的空气进行循环，在白天利用真空集热管的升温提高整体管道内的温度。根据当地天气、注油量及注油时间等因素，这个循环可在白天09:00～13:00进行。对管道进行加热(下文称为“暖管”)时，EF区内进油时的截止阀、调节阀和回油时的截止阀、安全阀全部完全打开；再根据空压机布置情况将离空压机较远的几个排污阀打开，作为空气排放阀。

1.6.3 暖管后主管道注油前的阀门开闭状态

暖管后主管道注油前的阀门开闭状态为：太阳岛系统北区主管道的EF区分区隔离阀门关闭；进油主管道在端头的DN150阀门(即图4中右上侧的DN150阀门)关闭，当往管道两端注完2辆槽车的导热油后，此阀门开启；进回油主管道的排气阀打开；WAF区域回路进出口处的进回油管道(见图6)为跨路管道，这段管道的位置较高，在主管道注油过程中管道内的压力较低且在稳定时导热油一般不会注入，为避免后续突然打开回路的截止阀时泄压导致导热油通过高点而在排放阀处凝结的情况发生，因此将WAF区域的回路进油管到主管道的排放阀(即图7中的排放阀1)打开，截止阀(见图8)关闭、调节阀(见图7)打开；回路进油管调节阀往回路方向去的排放阀(图7中的排放阀2)关闭，回路回油管截止阀往回路方向去的排放阀(图8中的排放阀4)打开，往主管道方向去的排放阀(图8中的排放阀3)适当打开，直到导热油能以线状排出，回路回油管截止阀(见图8)关闭。因WAE区域回路进出口处的进回油连接管的位置比主管道略高，而且管道较短，故图9中WAE区域所有的回路排放阀、调节阀、截止阀及图10中的排放阀6和截止阀全都关严，避免导热油流到排放阀处时出现凝结；由于在截止阀处的导热油因管道长度很短，通过管道时的油温较高，一般不会凝固。

图6 WAE区域和WAF区域回路的进出口处进回油管道Fig.6 Oil inlet and return pipelines at the inlet and outlet of circuit in zone WAE and zone WAF

图7 回路进口处阀门图Fig.7 Photo of valve at the inlet of circuit

图8 回路出口处阀门图Fig.8 Photo of valve at the outlet of circuit

图9 WAE区域回路进口处阀门图Fig.9 Photo of valve at the inlet of circuit in zone WAE

图10 WAE区域回路出口处阀门图Fig.10 Photo of valve at the outlet of circuit in zone WAE

因真空集热管技术要求进入其内的导热油温度与其之间的温差不超过30 ℃，若超过可能会损坏真空集热管，而每个回路进油管道前端的导热油温度很难自然达到要求的温度。因此在研讨后，决定在导热油进入真空集热管前的连接管的排放阀(图7中排放阀1，图8中排放阀3，图9中排放阀5)处进行放油，将进入回路的前端低温导热油放到临时收集桶里，并安排专人与集控室联系，以确保导热油温度满足真空集热管的要求后再进入真空集热管，并对温度数据做好记录。

1.6.4 各注油步骤中的注意事项

1)负责人的选取。由于EF区注油范围包括主管道及57个回路的支管，每个回路均需放油测温，涉及工作人员100多人，且工作人员的组织分工非常重要，必须将工作人员分成若干个小组对回路放油点专门负责。由于WAF区域难度较大，每个小组看护的回路个数不得超过5个，且每个回路进出口处的放油都必须专门安排1个人看护；WAE区域注油较为容易，可由2个小组进行回路注油，回路进出口处不必再专门安排人员看护；末端注油点、主管道注油时的排空阀的看护分别安排1个小组负责。看护时保证不能遗漏，并严格按操作规程进行；每个小组的负责人是关键人员，要求既要有责任心，又能灵活变通，通常由管理人员来担任。

2)温度监测。在主管道上每隔50 m分别在管的底部、中部、顶部设置温度计，用于观察导热油通过时的温度变化，以便于在出现异常情况时能及时采取相应的措施。在距离EF区主管道末端端头直径最小处50 m范围内设置临时电伴热，保障往回油主管道注油时端部的导热油温度尽可能高一些，但不能超过初始注油温度。

3)主管道注油。进油主管道总注油量约为150 t左右，其中注入EF区主管道末端端头的导热油量预计为50 t。首先在EF区主管道末端端头利用临时接的潜水泵向回油主管道注油；30 min后打开EF区的回油主管道分区隔离阀门，利用高位油罐中导热油的自重往回油主管道注油。此时阀门的开度必须掌握好，一是避免太小会导致注油进度过慢，二是避免太快使高位油罐的液位无法维持，从而造成事故。经过实际注油测试发现，此阀门的开度在8%～10%较为合适，注油过程中可根据高位罐的液位变化情况对此阀门的开度进行调整。尽可能在这2段导热油快汇合前(观察泵的压力变化判断)结束末端端头的注油，在末端端头注油完成后立即关闭回油主管道的注油阀门，并开启向进油主管道注油的阀门，然后向进油主管道注油。注油过程中应注意监测导热油温度及导热油到达端头处的位置。一旦靠近进油主管道分区隔离阀门处的排气阀有油排出，则表示主管道已基本注满；此时开启进油主管道EF区的分区隔离阀门，关闭所有位于低处的(低点)排气阀，并将2个分区隔离阀门的开度开到100%，打开回路中位置最高的(高点)排气阀开始导热油循环，尽可能多排出空气，直至将导热油温度提高到80 ℃左右；此过程耗时约为30 min。

在导热油循环过程中，一定要保证主管道内的压力尽可能小且稳定，避免压力突变造成少量导热油冒过高点而进入排放阀处从而造成凝结。

在主管道中的导热油循环过程中，对注油泵前的滤网至少清理1次，避免在回路注油过程中出现堵塞再清理的现象，这样既保证了回路注油的连续性，又可避免在回路注油过程中压力突变导致排放阀处的导热油不能持续流淌而凝结。

主管道中的导热油温度提升到80 ℃左右后，各个小组开始根据分配的区域逐个向回路中注油，回路注油期间进、回油主管道的压差要始终维持在0.3～0.5 MPa之间，且整个导热油系统的油压不得超过设计运行压力。

4)回路注油。在WAF区域内为避免导热油在排放阀处凝结，所有进出口处进回油管道排放阀(图7中的排放阀1和图8中的排放阀3)都可适当开启，因为在往回路注油过程中，WAF区域内所有回路的这2个排放阀都可能有导热油流出。在有导热油流出时调整这2个排放阀的开度，既能保证一直有少量导热油流出而不凝结，又可避免开度过大造成导热油流出太多而来不及收集。

逐个往WAF区域回路注油时，先将进油管道的截止阀前面的排放阀全打开，将冷的导热油放掉，直到温差达到30 ℃后再打开图7中的截止阀、关闭排放阀1往回路中注油；负责该区域的工作人员应立即前往出口回油管道处，当看到图8中排放阀4有导热油排出时，立即打开图8中的截止阀，关闭排放阀3，听到水流声即表示回路的导热油循环已畅通。然后进行WAF区域下一个回路的注油工作，其操作流程与上述完全一样。

WAE区域回路注油时，先将图9中的进油管道截止阀完全打开，调节阀微开，将导热油通过排放阀5排到收集桶里，但一定要注意调节阀的开度不要太大，要慢慢打开，避免导热油直接进入回路中。同样测量排出的导热油温度，达到温差不超过30 ℃的注油条件后，立即关闭排放阀5，全开调节阀后往回路中注油。负责该区域的工作人员前往出口回油管道处，当有导热油从回油管道的排放阀6流出时，立即打开截止阀，关闭排放阀6，听到有水流声后即表示已形成循环，注油成功。工作人员往WAE区域下一个回路注油，其操作流程与上述完全一样。

回路注油过程中要至少安排3台车对回路排出的导热油进行回收，并注入膨胀罐中，既要避免排出的导热油凝结，又要避免收集桶满后无法继续放油。根据实际注油经验，每个回路进口处的放油点最好放1只小桶和2只以上的大桶，每个回路出口处的放油点放1个小桶和1个大桶即可。

1.6.5 低温注油注意事项

若排放阀或截止阀处有导热油凝结现象，可采用碳晶加热板进行加热化冻。前期通过在常温下用明火对导热油进行着火试验后发现，导热油不能被点燃，故在EF区和CD区注油时采用喷灯对排放阀和其他阀门处的导热油进行了化冻；但在G区进行注油时却出现了异常情况，在排放阀处化冻过程中因突然泄压，导热油呈雾化状态被点燃，发生了着火事件，虽然抢救及时未产生较大损失，但也警示了采用明火化冻的危险性。因此后期注油化冻时选择采用碳晶加热板进行化冻，不过这种化冻方式的速度较为缓慢。但只要严格按照上述注油过程进行注油，阀门处导热油凝结的现象出现较少，尤其注油不是在最冷的季节进行时，碳晶加热板完全可满足要求。

低温注油还有一个难点在于注油前为确认管道的安装质量，需进行管道的压力试验，由于集热回路中真空集热管对水质的要求较高，不能用普通自来水，而采用除盐水成本又较高，故采用气压，但需提前做好充足的安全措施才能进行试验。利用西北地区冬天时中午和下午的最高温度一般能在5 ℃左右且阳光照射到铁质主管道时其温度升高的特点，通常在这段时间进行主管道内水压试验，但需做到当天灌水试压、当天放水，并将管道吹扫干净，避免管道内积水；在吹扫完后还要敲击管道底部查看是否有积水结冻现象，如有，则应及时处理，以避免注油过程中因管道内有冰而使导热油被冻堵塞管道或油温下降过快导致注油失败。

由于WAF平台及其类似的几个平台的跨路管道较长，导热油易凝结，在注油过程中难度最大，通过总结此次的注油经验，在今后其他类似工程中，可以考虑在设计阶段就将此类平台的进出口处截止阀和排放阀(图7中的排放阀1和截止阀及图8中的排放阀3及截止阀)安装在靠近进回油主管道处，如图11示意的排放阀处。这样能减少导热油在这种跨接管道内和阀门处凝结的风险，使低温注油的难度大幅降低。

图11 回路进出口处跨接管排放阀安装位置图Fig.11 installation position of drain valve at inlet and outlet of loop

2 结论

本文对大型槽式太阳能热发电站的导热油系统注油的步骤和分步注油的操作方法进行了论述，形成了一套成熟的低温分步注油工艺流程。该工艺流程开创了全球首个高寒地区冬季注油成功的先例，并从设计上提出了后续工程注油的优化措施，为全国广大西北地区大型槽式太阳能热发电站建设的工期安排提供了更大的灵活性，能广泛应用于类似工程的建设中，对后续大型槽式太阳能热发电站低温注油提供了借鉴。