超聲波流量計(jì)在太陽能光熱電站的應(yīng)用

概述：
日常生活中，當(dāng)人們提到太陽能時(shí)，總是首先想到很可能是自家屋頂上的太陽能熱水器，然而家用的太陽能熱水器只是對太陽能的*簡單應(yīng)用。太陽能利用主要分為低溫?zé)崂?、中溫?zé)崂煤透邷責(zé)崂?。太陽能熱水器只是低溫利用，是太陽能熱利用的很小部分?br />
在太陽能利用中，太陽能發(fā)電是比較**的一種。但是在中國國內(nèi)提到太陽能發(fā)電時(shí)，對太陽能略有了解的人士可能*先想到的還是使用“太陽能硅板”或稱為“太陽能電池板”進(jìn)行發(fā)電，同時(shí)也可能聯(lián)想到“多晶硅”“單晶硅”“非晶硅”“產(chǎn)能過剩”“雙反調(diào)查”等關(guān)鍵詞。上述的發(fā)電方式稱為“光伏發(fā)電”，那么“光伏”和“光熱”各有什么特點(diǎn)呢。

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池板。它的優(yōu)點(diǎn)是對安裝場合限制小，分散性很大，只要有陽光資源的地方都可以安裝，然后再并入電網(wǎng)。但缺點(diǎn)是對電網(wǎng)沖擊比較大，在陽光燦爛和陰雨天時(shí)，發(fā)電量差異巨大。為了減少對電網(wǎng)沖擊，那么勢必需要帶儲能系統(tǒng)——即使用蓄電池進(jìn)行充放電實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，這就大大增加了光伏發(fā)電的成本，且蓄電池的使用壽命有待考驗(yàn)。另外光伏發(fā)電的原材料硅材，且不說現(xiàn)在紛紛擾擾的“產(chǎn)能過剩”“雙反調(diào)查”“破產(chǎn)停產(chǎn)”等問題，現(xiàn)在*熱門的多晶硅的生產(chǎn)就是一個(gè)高能耗高污染的行業(yè)。所以從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上來看光伏發(fā)電算不上是一個(gè)十分綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)。

而光熱發(fā)電是太陽能的高溫?zé)崂玫囊环N。光熱發(fā)電技術(shù)主要包括四種，槽式、塔式、菲涅爾式及碟式。其中，槽式和塔式太陽能光熱電站均已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，而碟式及菲涅爾式還處于小規(guī)模的試驗(yàn)階段。光熱發(fā)電主要是采用聚光器將太陽能聚集，形成高密度的能量，加熱工作介質(zhì)，如水、導(dǎo)熱油或熔鹽等介質(zhì)，*終產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。與常規(guī)火電站相比，光熱發(fā)電系統(tǒng)的“熱—功—電”轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)所采用的熱力循環(huán)模式及設(shè)備基本是相同的，不同的只是在于“熱”的獲取方式。在輻照連續(xù)的條件下，太陽能熱發(fā)電站可以直接產(chǎn)生與火電站完全相同的滿足電網(wǎng)品質(zhì)要求的交流電，保證電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定。但太陽輻照受季節(jié)、時(shí)間和天氣的影響較大，因此“儲熱”對于光熱電站的規(guī)模化穩(wěn)定運(yùn)行是非常重要的。

塔式光熱電站
塔式光熱電站的原理很容易理解，在鏡場中有數(shù)千塊的鏡子面對著中心的類似于燈塔一樣的建筑，這些鏡面反射太陽光線到塔頂上，以太陽光照射地球的千倍強(qiáng)度傳輸能量。低溫（近300攝氏度）的熔鹽被泵送到塔頂，吸收太陽的能量之后，達(dá)到500~600攝氏度的高溫，然后輸送回高溫的熔鹽罐，此高溫熔鹽就會用于產(chǎn)生蒸汽來轉(zhuǎn)動渦輪和發(fā)電。同時(shí)熔鹽也作為儲能介質(zhì)，保證電站在太陽落山之后以及陰雨天的連續(xù)運(yùn)行。

光熱電廠常用的熔鹽主要是硝酸鹽，或亞硝酸鹽，如硝酸鈉、硝酸鉀、亞硝酸鈉。純物質(zhì)熔鹽通常具有高熔點(diǎn), 隨之而來的熱不穩(wěn)定性和化學(xué)腐蝕性，限制了其作為傳熱蓄熱介質(zhì)的應(yīng)用。混合熔鹽相對于純物質(zhì)熔鹽具有顯著優(yōu)勢，改善了熔鹽的熱物性，適合太陽能熱發(fā)電的需要，其中兩元太陽鹽（Solar Salt）和三元傳熱鹽（HITEC：Heat Transfer Salt）的混合熔鹽使用較多，因?yàn)槠渚哂腥埸c(diǎn)低、價(jià)格低、蒸汽壓低、熱容高、腐蝕性小、黏度低和熱穩(wěn)定性好等一系列特點(diǎn)。兩元熔鹽通常是60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀，三元熔鹽配比為53%硝酸鉀、40%的亞硝酸鈉和7%硝酸鈉，有時(shí)候也會在三元熔鹽里面添加5%左右的添加劑。這些熔鹽的操作溫度可以在450~600攝氏度左右。

對這些熔鹽測量的*佳流量計(jì)可以說是高溫超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)采用時(shí)差法的原理，測量管內(nèi)沒有阻流或可動部件，不會產(chǎn)生壓損和磨損，測量精度高，維護(hù)量小。從200多度開始融化流動到四五百度的工作溫度的范圍內(nèi)，熔鹽的粘度會隨著溫度的上升而降低，溫度較低時(shí)粘度不會超過10cp，高溫工作時(shí)粘度僅1~3cp左右，完全在超聲波流量計(jì)可測的范圍之內(nèi)。而一些傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表，如孔板、橢圓齒輪、刮板等流量計(jì)，有的無法應(yīng)用于如此高的溫度，有的因?yàn)榇嬖诳蓜硬考S護(hù)量大，非常不適合用于如此苛刻的工況，這種高溫的熔鹽管道一旦停工維護(hù)，那么將帶來非常大的損失。

另外還需要說明的是，超聲波流量計(jì)分為管道式和外夾式兩種，推薦用于測量熔鹽的**是管道式流量計(jì)。外夾式超聲波流量計(jì)是在工廠生產(chǎn)完成之后再夾裝到現(xiàn)場的管道上的，也就是說它在出廠時(shí)是沒有經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定的，測量精度無法保證，安裝的水平會很大程度上影響測量精度。在如此重要的測量環(huán)節(jié)，沒有經(jīng)過實(shí)流標(biāo)定保證精度的儀表是無法令人信服的。況且外夾式超聲波流量計(jì)需要定期在超聲波換能器上涂抹耦合劑幫助超聲波透過管道，在如此高溫的管道上經(jīng)常需要人工操作本身就是非常危險(xiǎn)的工作。而且所有的熔鹽管道都需要進(jìn)行保溫，外夾式超聲波流量計(jì)的安裝形式會對保溫層的鋪設(shè)造成極大的困擾，如果將儀表包裹在保溫材料內(nèi)，會因?yàn)楦邷氐木奂瘜x表造成損壞，如果儀表安裝的管段不鋪設(shè)保溫材料，會造成能量極大的浪費(fèi)。而管道式超聲波流量計(jì)可以完全采用不銹鋼或者耐高溫不銹鋼打造，可以與管道焊接成一體，不影響保溫材料的鋪設(shè)，是測量熔鹽的理想選擇。

位于西班牙的世界上**個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的塔式光熱電站GEMASOLAR就是使用的德國科隆公司的高溫型超聲波流量計(jì)UFM530 HT來測量熔鹽的。在世界范圍內(nèi)塔式的太陽能電廠遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于下面章節(jié)要說的拋物面槽式太陽能電廠，這個(gè)可能與塔式的技術(shù)含量更高，建設(shè)難度更大及投資金額更多有關(guān)。但是因?yàn)槿埯}可以達(dá)到的溫度比下面槽式中的導(dǎo)熱油更高，因此塔式光熱電站的工作能效會更高，雖然前期的建設(shè)難度大，但是建成后的效率會很高。除了GEMASOLAR，在意大利的ENEA Priolio和ENEA Casaccia（ENEA: European Nuclear Energy Agency 歐洲核能機(jī)構(gòu)）都采用了科隆的超聲波流量計(jì)做為熔鹽流量計(jì)，用于他們研究機(jī)構(gòu)的新能源研究裝置。另外中國國內(nèi)某個(gè)在建的一期10MW塔式光熱電站也采用了科隆的超聲波流量計(jì)，建成之后將成為中國**個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的塔式太陽能電廠。

槽式光熱電站
槽式光熱電站的工作原理如下：利用拋物面形狀的鏡子對陽光進(jìn)行聚焦，根據(jù)電站的功率不同，通常會有幾百到幾千片拋物面式的鏡子組成鏡場。真空集熱管就恰好位于拋物面槽的焦點(diǎn)的位置，管中的導(dǎo)熱介質(zhì)是一種特殊的合成導(dǎo)熱油——聯(lián)苯聯(lián)苯醚導(dǎo)熱油。在集熱管中導(dǎo)熱油*高可能被加熱到400攝氏度左右，然后從收集能量的鏡場泵送到釋放能量的熱交換器，將水加熱成水蒸汽，從而推動汽輪機(jī)發(fā)電。

導(dǎo)熱油在太陽能光熱發(fā)電中作為儲熱介質(zhì)，需在高溫300～400℃之間長期穩(wěn)定運(yùn)行。聯(lián)苯聯(lián)苯醚導(dǎo)熱油是一種共熔共沸混合物，因苯環(huán)上沒有烷基側(cè)鏈連接，在導(dǎo)熱油中耐熱性*佳，積碳傾向小，使用壽命長，因此是槽式光熱電站中**適用的導(dǎo)熱油。它*突出的特性是熱穩(wěn)定性優(yōu)良、使用溫度高，以保證在槽式光熱電站設(shè)計(jì)使用壽命（25年或更久）內(nèi)，所用的導(dǎo)熱油不需進(jìn)行更換。在世界范圍內(nèi)主要還是使用美國陶氏化學(xué)生產(chǎn)的Dowtherm A和美國首諾生產(chǎn)的Therminol VP-1聯(lián)苯聯(lián)苯醚導(dǎo)熱油，這兩個(gè)品牌長期在市場上占據(jù)壟斷性地位。另外國內(nèi)也有一些廠家可以生產(chǎn)，比如江蘇中能化學(xué)有限公司。

鑒于上述的導(dǎo)熱油的重要性，選擇合適的導(dǎo)熱油流量計(jì)就成了計(jì)量的關(guān)鍵。首先導(dǎo)熱油的高溫限制了很多流量計(jì)的應(yīng)用，其次導(dǎo)熱油隨著溫度的變化，其密度、粘度、聲速等數(shù)據(jù)都會隨之發(fā)生變化，一些測量會受密度等物理參數(shù)影響的流量計(jì)也無法使用。經(jīng)過很多現(xiàn)場的實(shí)際使用證明，科隆的高溫型超聲波流量計(jì)UFM530 HT是測量這種導(dǎo)熱油的*佳選擇。從歐洲**個(gè)商業(yè)化運(yùn)行的槽式光熱電站ANDASOL一期二期三期，到位于美國的去年剛剛投運(yùn)的世界*大槽式光熱電站SOLANA電站，全球多達(dá)20多個(gè)槽式光熱電站都使用了科隆的高溫型超聲波流量計(jì)UFM530 HT來測量高溫導(dǎo)熱油，幾乎涵蓋了世界上所有的商業(yè)化運(yùn)行的槽式光熱電站。針對這種導(dǎo)熱油的應(yīng)用，科隆特殊設(shè)計(jì)了焊接式的結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對白天到夜晚導(dǎo)熱油巨大的溫差變化。同時(shí)轉(zhuǎn)換器有特殊的高能設(shè)計(jì)，應(yīng)對導(dǎo)熱油的特殊工況。在這些電廠的實(shí)際安裝應(yīng)用中，科隆公司累積了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

在槽式光熱電站中除了導(dǎo)熱油作為導(dǎo)熱介質(zhì)外，往往還有熔鹽介質(zhì)做為儲熱材料，熔鹽的熱容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于導(dǎo)熱油，因此可以維持太陽落山后電站的運(yùn)行。熔鹽的測量與之前所述的塔式光熱電站是相同的，這里就不做累述了。

總結(jié)
太陽能光熱電站做為綠色環(huán)保的新能源，比其他幾種可再生能源及燃煤、天然氣電廠，其單位容量電站在其生命周期內(nèi)所排放的溫室氣體CO2量是*低的，因此相對來說是*綠色環(huán)保的能源。幾年前，光熱電站在國內(nèi)就有熱議，但是因?yàn)榉N種原因，比如技術(shù)和政策等，現(xiàn)在在國內(nèi)還沒有**展開建設(shè)。但是可以預(yù)見的是，在中國西北部光照資源豐富的地區(qū)，光熱電廠的發(fā)展前景是非常廣闊的，一方面可以獲得綠色環(huán)保的能源，另一方面在光熱電廠建設(shè)的區(qū)域有助于減少土地的熱吸收量，起到給地表遮陽的功能，對防治土地沙漠化有重要的意義。另外據(jù)2014年3月*新的報(bào)道來看，光熱發(fā)電的上網(wǎng)電價(jià)有望在*近確定，這也將大大推動光熱發(fā)電的發(fā)展。

根據(jù)上文分析在光熱電站中會使用到的兩種重要介質(zhì)，熔鹽和導(dǎo)熱油，采用超聲波流量計(jì)測量是*佳的解決方案。德國科隆公司做為專業(yè)的儀表供應(yīng)商，在光熱電廠中有著豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，除了本文詳細(xì)介紹的超聲波流量計(jì)為首的流量系列產(chǎn)品之外，還可以提供物位測量儀表，分析儀表和溫度儀表等產(chǎn)品，如在世界*大槽式光熱電站SOLANA電站中科隆就提供了1000多塊溫度變送器和傳感器用于全廠的溫度測量。所以在太陽能光熱電廠中，科隆是值得信賴的專業(yè)合作伙伴。