CN102225850A - 太阳能槽式热发电真空集热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种太阳能槽式热发电真空集热管及其制备方法，所述集热管的可伐金属与内管之间设置环形圆管，应用凝结水泵出来的冷却水通过环形圆管，冷却内管端部与外管的连接部件，同时把温度升高的冷却水输送到除氧器；在可伐合金的外表面设置环形的遮热罩对可伐合金进行保护；采用在内管中间部位设置膨胀节，膨胀节表面也涂上选择性涂层。所述方法包括：波纹管、可伐合金、冷却套管、内管、外管的制作，内管的焊接，冷却水管与内管之间的焊接，可伐金属封接，对封接处进行退火处理，遮热环的固定，真空排气。本发明能够很好的解决高温太阳能集热管玻璃与金属封接的问题，并且工艺简单可靠，实用性强。

Description

太阳能槽式热发电真空集热管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能槽式热发电真空集热管及其制备方法，属于热能与动力工程领域的问题。

背景技术

高温真空集热管是太阳能槽式热发电的核心部件，太阳能槽式热发电真空集热管一般由内管和外管组成，内管是在表面喷涂多层选择性涂层的耐热钢管，外管是太阳能透过率高而吸收率低的玻璃管，内外管之间被要求抽成真空，以减少对流传热损失，内外管之间采用可伐合金(一种既可与金属焊接又可以和玻璃匹配溶接的特殊合金)封接，在工作状态，内层钢管的温度比外层的玻璃温度高得多，膨胀量也大，为了消除这种膨胀差，通常在外管或者内管设置膨胀节。在玻璃与可伐合金之间的封接由于热应力原因(高温时可以达到高于200℃)，容易引起玻璃破裂导致真空实效，这也是限制太阳能槽式热发电大规模商业化的瓶颈技术之一，为此，一些发明专利对常规的高温太阳能真空集热管作出了改进，如专利号为200610037883.9的专利在集热金属管的端部附近直接与波纹管的一端密封焊接或通过与之密封焊接的过渡金属件与波纹管的一端密封焊接，另一端与过渡金属管端部密封焊接，过渡金属管与玻璃套管相套贴合并密封粘接；专利号为200610041393.6的专利在内管金属管的中间分断，通过波形膨胀节密封连接，玻璃管的两端通过可伐合金过渡件分别与两段金属管的外伸端封接；专利号为200810019644.x的专利提出在太阳能真空集热管的玻璃管与吸收管的过渡连接部件的接缝外设有防护罩，以便更好的保护接缝不受太阳光照射，延长管子的寿命；专利号为200810019647.3的专利公开在真空套管上设有波纹管并且可以在所述的真空套管的玻璃外管上设有一个或者两个波纹管，也可以在所述的玻璃内管上设有一个或者两个波纹管；专利号为200810019641.6的专利公开在玻璃管与金属管之间的真空层内放置吸气剂以保持真空度，在玻璃管的至少一端设有波纹管，并且波纹管一端与玻璃管直接封接，波纹管的另一端与金属管连接，在波纹管与金属管以及波纹管与玻璃管的接口处分别外设防护罩，以更好的保护连接缝，波纹管采用线膨胀系数在3×10^-6m/m.℃至5×10^-6m/m.℃的材料制成，这样因为线膨胀系数与玻璃接近可以直接与外设的玻璃管封接，不需要通过可伐合金连接了。

现有的发明专利试图通过采用波纹管来消除胀差，通过可伐金属来承受内外管之间由于温度差造成的热应力，或者通过防护装置防止太阳的辐射热，这些方法都可一定程度的减少热应力和热胀，在中低温太阳能槽式热利用中非常可靠，但是在槽式高温热发电中，如果主蒸汽温度超过400℃，现有的可伐合金的承受能力往往不能达到要求，另外可伐金属可成为热桥，把内管的热量迅速传递，导致较大的热损失，不能满足商业上有竞争力的高可靠性的高温高压力槽式热发电工况的要求。

发明内容

技术问题

目前，针对槽式热发电真空集热管，为了消除内外管温度和材质不同所造成的膨胀差，所采用的技术是通过在内管或者外管设置波纹管实现消除胀差，而对内管温度较高，热量通过连接件传递，造成连接件温度较高，所采用的技术是开发可伐合金来承受这种由于温度差造成的热应力，也有通过防护装置阻止聚光槽聚集的辐射热，这些方法都可一定程度的减少热应力或热胀，在中低温太阳能槽式热利用中非常可靠，但是在槽式热发电中，如果主蒸汽温度超过400℃，现有的可伐合金的承受能力往往达不到要求，另外可伐金属可成为热桥，把内管的热量迅速传递，导致了一定的热损失，不能满足商业上有竞争力的高可靠性的高温高压力槽式热发电并且变工况的要求，本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种太阳能槽式热发电系统和集热管及其制备方法。

技术方案：

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于为了减少可伐合金的热应力和热损失，在集热管的端部，在可伐合金与内管之间设置环形圆管和，圆管为中空的，利用槽式热发电系统凝结水泵出来的冷却水通过设置的圆管，减少可伐合金的温度和热应力，通过圆管的冷却水直接输送到除氧器中，减少了热损失，在可伐合金的外表面设置环形的遮热罩和对可伐金属进行保护，降低可伐合金接收的经聚光槽聚集的辐射热，减少可伐金属的温度和热应力，为了减少内管与外管的胀差，采用在内管中间部位设置膨胀节，把内管中的膨胀量尽量消除在内管以内。

在集热管的端部，在可伐金属与内管之间设置环形圆管和，圆管为中空的，利用槽式热发电系统凝结水泵出来的冷却水通过设置的圆管。

在集热管应用了可伐金属过渡，可伐金属采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度必须高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟。

在集热管采用设置环形冷却水管冷却，设置可伐金属同时还在设置遮热罩，减少接受的辐射热量。

在集热管的冷却套管的内径比集热管外径稍大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢即可，每个冷却水套管都制作有进出水口，冷却套管与内管之间通过亚弧焊连接。

根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管及其制备，其特征在于在集热管的内管在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层。

太阳能槽式集热管的制备方法过程如下：

1)波纹管的制作：按照内管的管径，制作波纹管，波间凸起10-20mm，凹下5-10mm，按照每厘米1-2波的数量配置，材质采用与内管相同的材质，在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢；

2)可伐合金(40)的制作：可伐环采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟；

3)冷却套管的制作：冷却套管的内径比集热管外径稍大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢，每个冷却水套都制作有进出水口；

4)内管的制作：在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层；

5)外管制作：外管采用DM320钼组玻璃，管径比内管大60-100mm，厚度为0.6-1mm；

6)内管的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊；

7)冷却水管与内管之间的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊；

8)可伐金属封接：将可伐金属与外管在玻璃床上利用火焰在氮气保护气保护下加热熔封，封接温度为950-1020℃，时间为15-60秒；

9)对封接处进行退火处理；

10)遮热环的固定：采用亚弧焊方式把遮热环固定在冷却管的外围，尽量减少焊接处的热应力；

11)真空排气：排气温度要求在470-520℃之间，保温时间为50-80分钟，当压力低于10^-3Pa时逐渐降温，当温度低于100℃时封接。

有益效果：

本发明的优点与功能：

(1)通过利用槽式热发电系统凝结水泵出来的冷却水通过设置的圆管集热管外表面的冷却水管，降低了可伐金属的温度；

(2)通过设置在可伐合金的外表面设置环形的遮热罩对可伐金属进行保护，减少可伐合金接收的经聚光槽聚集的辐射热，减少可伐金属的温度；

(3)在过热段蒸汽温度为400℃时，可伐金属的温度小于60℃；

(4)通过圆管的冷却水直接输送到凝汽器，减少热损失；

(5)在内管中间部位设置膨胀节，把内管中的膨胀量消除在内管中，也减少了膨胀应力。

附图说明

图1集热管结构；

图2A-A视图；

图3太阳能直截蒸汽发生器热发电系统。

1，11.冷却水进口；

2.内管；

3，10.冷却水出口；

4.可伐金属；

5.外管；

6.内管外表面吸收涂层；

7.膨胀节；

8，12.护板；

9，13.冷却水套管；

14.太阳能预热器；

15.太阳能过热器；

16.喷水减温器；

17.汽水分离器；

18.主蒸汽阀门；

19.太阳能蒸发器；

20.汽轮发电机组；

21.凝汽器；

22.凝汽器冷却水管道；

23.凝结水泵；

24.太阳能低压加热器；

25.除氧器；

26.给水泵；

27.太阳能高压加热器；

28.循环水泵；

29，31.电动阀；

30.给水调节阀。

具体实施方式

如图1和2所示，太阳能槽式集热管，包括内管2、外管(5)，其特征在于在集热管的端部，在可伐合金40与内管2之间设置环形圆管，圆管为中空的，在可伐合金的外表面设置环形的遮热罩，采用在内管2中间部位设置膨胀节7，膨胀节为矩形截面。

可伐合金40采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟。

在集热管的冷却套管的内径比集热管外径大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢，每个冷却水套管都制作有进出水口，冷却套管与内管之间通过亚弧焊连接。

在集热管的内管在热发电的过热段采用Cr18Ni9Ti，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层。集热管的加工工艺：

1)波纹管的制作：按照内管的管径，制作波纹管，波间凸起10-20mm，凹下5-10mm，按照每厘米1-2波的数量配置，正常工作需要在10年以上，材质采用与内管相同的材质，在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢；

2)可伐金属环的制作：可伐合金环采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度必须高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟；

3)冷却套管的制作：冷却套管的内径比集热管外径稍大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢即可，每个冷却水套都制作有进出水口；

4)内管的制作：在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层；

5)外管制作：外管采用DM320钼组玻璃，管径比内管大60-100mm，厚度为0.6-1mm；

6)内管的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊，尽量减少焊接处的热应力；

7)冷却水管与内管之间的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊，尽量减少焊接处的热应力；

8)可伐金属封接：将可伐金属与外管在玻璃床上利用火焰在氮气保护气保护下加热熔封，封接温度为950-1020℃，时间为15-60秒；

9)对封接处进行退火处理；

10)遮热环的固定：采用亚弧焊方式把遮热环固定在冷却管的外围，尽量减少焊接处的热应力；

11)真空排气：排气温度要求在470-520℃之间，保温时间为50-80分钟，当压力低于10^-3Pa时逐渐降温，当温度低于100℃时封接；

热发电系统：

热发电系统如图3所示，系统中多处使用太阳能槽式集热管加热给水或者过热，系统的汽水流程是这样的：给水经太阳能预热器14被预热，设计的预热器功率为使给定压力给水达到饱和温度以下30-50℃，经预热器的给水送向汽包17，给水在太阳能蒸发器19内完成蒸发，其中蒸发过程中通过循环泵28完成强制循环，经汽包17分离的饱和蒸汽送至太阳能过热器15进行过热，其中过热的蒸汽应用给水和喷水减温阀喷水减温，使出太阳能过热器的蒸汽品质达到送入汽轮机的要求，蒸汽经主蒸汽调节阀18调节后进入汽轮发电机组20进行膨胀做功，而从汽轮发电机组出来的乏汽经凝汽器21后，经凝结水泵23和太阳能低压加热器24后进入除氧器25，除氧器25采用汽轮机的抽汽来进行热力除氧，除氧器的水经给水泵26和太阳能高压加热器27后，经给水调节阀30进入太阳能预热器，完成整个热力循环，在给水调节阀30前后设置电动阀29和31，供给水调节阀维修用，本发明的创新之处是在凝结水泵出口设置引水管，引水分别至太阳能预热器14、太阳能蒸发器19、太阳能过热器15、太阳能低压加热器24和太阳能高压加热器27的槽式集热管端部冷却管，冷却后的水排入除氧器25进行热力循环。

Claims (7)

1.一种太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于为了减少可伐合金的热应力和热损失，在集热管的端部，在可伐合金(4)与内管(2)之间设置环形圆管(9)和(13)，圆管为中空的，利用槽式热发电系统凝结水泵(23)出来的冷却水通过设置的圆管，减少可伐合金(4)的温度和热应力，通过圆管的冷却水直接输送到除氧器(25)中，减少了热损失，在可伐合金的外表面设置环形的遮热罩(8)和(12)对可伐金属进行保护，降低可伐合金接收的经聚光槽聚集的辐射热，减少可伐金属的温度和热应力，为了减少内管与外管的胀差，采用在内管中间部位设置膨胀节(7)，把内管中的膨胀量尽量消除在内管以内。

2.根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于在集热管的端部，在可伐金属(4)与内管(2)之间设置环形圆管(9)和(13)，圆管为中空的，利用槽式热发电系统凝结水泵(23)出来的冷却水通过设置的圆管。

3.根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于在集热管应用了可伐金属过渡，可伐金属采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度必须高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟。

4.根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于在集热管采用设置环形冷却水管冷却，设置可伐金属同时还在设置遮热罩，减少接受的辐射热量。

5.根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管，其特征在于在集热管的冷却套管的内径比集热管外径稍大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢即可，每个冷却水套管都制作有进出水口，冷却套管与内管之间通过亚弧焊连接。

6.根据权利要求1所述的太阳能槽式热发电真空集热管及其制备，其特征在于在集热管的内管在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层。

7.一种太阳能槽式热发电真空集热管的制备方法，其特征在于集热管的制作过程如下：

1)波纹管的制作：按照内管的管径，制作波纹管，波间凸起10-20mm，凹下5-10mm，按照每厘米1-2波的数量配置，正常工作需要在10年以上，材质采用与内管相同的材质，在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢；

2)可伐环的制作：可伐环采用4j44铁镍钴低膨胀合金，厚度为0.6-0.8mm，由互成直角的圆环焊接而成，而在退火时，温度必须高于工作温度，范围为970-1050摄氏度，时间不少于15分钟；

3)冷却套管的制作：冷却套管的内径比集热管外径稍大1mm，冷却套管的直径为10-15mm，材质为普碳钢即可，每个冷却水套都制作有进出水口；

4)内管的制作：在热发电的过热段采用15CrMo9，其余部分采用的是20号的锅炉钢，管径50-80mm，壁厚5-8mm，内管表面喷涂耐高温三氧化二铝选择性吸收涂层；

5)外管制作：外管采用DM320钼组玻璃，管径比内管大60-100mm，厚度为0.6-1mm；

6)内管的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊，尽量减少焊接处的热应力；

7)冷却水管与内管之间的焊接：对波纹管与钢管进行亚弧焊，尽量减少焊接处的热应力；

8)可伐金属封接：将可伐金属与外管在玻璃床上利用火焰在氮气保护气保护下加热熔封，封接温度为950-1020℃，时间为15-60秒；

9)对封接处进行退火处理；

10)遮热环的固定：采用亚弧焊方式把遮热环固定在冷却管的外围，尽量减少焊接处的热应力；

11)真空排气：排气温度要求在470-520℃之间，保温时间为50-80分钟，当压力低于10^-3Pa时逐渐降温，当温度低于100℃时封接。

Images