CN106918621B - 一种槽式高温集热管真空寿命预测方法及其测试系统 - Google Patents

Abstract

一种槽式高温集热管真空寿命预测方法及其测试系统。预测方法包括：(1)测试高温集热管用材料体系的真空放气行为；(2)测试高温真空集热管的真空失效标准；(3)量化研究高温集热管的真空失效因素；(4)计算高温集热管的整管压升率；(5)预测高温集热管整管的真空寿命。该预测方法涵盖全面，参数可实现较好量化。测试系统包括：抽气系统、测量系统、压控系统、补气系统、内置加热系统，内置加热系统置于被测集热管内，其他各系统分别通过设置在被测集热管的外玻管内的气嘴连接至被测集热管；压控系统、测量系统和内置加热系统通过数据采集系统连接至上位机。该测试系统可测定同一被测样品在不同真空度下的热损数值，操作简便，可靠性强。

Description

一种槽式高温集热管真空寿命预测方法及其测试系统

技术领域

本发明涉及一种槽式高温集热管真空寿命预测方法及其测试系统，属于槽式高温集热管的性能检测技术领域。

背景技术

太阳能热发电技术是新能源应用领域的重要分支，槽式热发电技术是利用槽式聚光镜汇聚太阳光于焦平面处，在焦平面处安装的集热管(根据电厂要求以及日照条件等分为高温真空集热管及中温管等)收集热量并传热给集热管内流动的热工质(导热油，熔盐，水蒸气等)，加热后的热工质经过管路后和低温工质进行换热，进而通过一系列机械过程推动发电机发电。

自从上世纪80年代实现了太阳能槽式热发电的电站运行，槽式技术经历了众多的研发改进。近些年来在国内外地区槽式电站的规划、建设均有较快增长，其中部分国外电站已经实现平稳运行，即将或已经取得经济效益。我国进入高温热发电领域时间不长，在早期同德国、美国、西班牙等光热技术先进国家存在较大技术差距，近些年在槽式热发电核心设备(如高温真空集热管，反射镜，储热系统等)的制造以及应用领域取得较快进展，涌现出一批优秀的核心设备提供商。正是由于我国在槽式热发电核心设备的高速发展以及广阔前景对于集热管的研发、改进提出了更高的要求，相应的对于掌握集热管性能的测试技术和装备也提出了更高要求。

在槽式光热电站中，集热管属于批量应用，集热管的性能出现问题会影响集热回路的整体运行效率。在研制及应用中发现真空以及涂层的衰退导致整管性能变差等问题，最终导致终端用户的成本上升、系统不稳定等弊端，所以在研发过程中需要掌握集热管在工作温度下的稳定性。需要确定集热管用材料在高低温循环条件下的真空放气参数，并确定集热管用材料体系长时间放气的累积对于真空的影响。还需要利用一系列实验确定高温集热管所能承受的最低真空度，此最低限度的真空级别/标准作为判断集热管真空寿命的重要判据。还需要掌握其他影响真空的因素，如氢渗透、机械渗漏等。在各部分内容基础上分别建立相应的时间和气体分压的关系，从而建立集热管真空寿命评价模型。并根据此模型外推预测相应规格的集热管在相应工作条件下以及初始真空条件下的真空寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种槽式高温集热管真空寿命预测方法，用以评价高温真空集热管的核心指标-真空寿命，该预测方法涵盖全面，参数可实现较好量化，具有易重复、易操作的特性。

本发明的另一目的在于提供一种用于所述预测方法的槽式高温集热管热损-真空度测试系统，该测试系统可测定同一被测样品在不同真空度下的热损数值，操作简便，可靠性强。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种槽式高温集热管真空寿命预测方法，包括以下步骤：

(1)测试高温集热管用材料体系的真空放气行为；

(2)测试高温真空集热管的真空失效标准；

(3)量化研究高温集热管的真空失效因素；

(4)计算高温集热管的整管压升率；

(5)预测高温集热管整管的真空寿命。

在步骤(1)中，采用高低温交变循环方式测试集热管用材料体系的真空放气行为，因集热管所处的使用环境要求其具有长时间的高温稳定性，所以集热管用材料体系经历清洗、抛光、高温除气等前处理工艺减少材料内部气体，具体放气情况需要用实验数据给出具体结论。

在步骤(2)中，所述集热管的真空失效标准为集热管的真空失效阈值，通过测试集热管的热损与真空度的关系曲线，结合实际运行情况判断集热管的真空失效阈值。在此实验中，针对同一测试样管利用同一套设备(加热设备、测量设备、气压控制设备)测试在不同气压下的热损，由此确定集热管的热损突变的真空阈值。

在步骤(3)中，考虑真空失效因素如高温下的氢渗透和漏率对于集热管环境下真空度的影响。在集热管用材料体系放气实验中，确定了放气的主要成分是氢元素，考虑由于管壁渗透导致的真空退化因素；考虑制造过程中机械漏率对于真空的影响。

在步骤(4)中，综合考虑步骤(1)、(2)、(3)得出的结论进行整管压升率计算。根据前面实验的结论得到集热管内压强和时间的关系，进行整管压升率的计算。

在步骤(5)中，根据步骤(4)中的结论，结合真空维持技术评价高温集热管整管的真空寿命。维持集热管内的真空级别是另一种重要技术，这里评估应用吸氢材料后系统压强的改变情况，以及得到整体压强和时间的关系。

本发明还提供一种槽式高温集热管热损-真空度测试系统，用来实现真空寿命预测中所涉及的关键实验，该测试系统包括：抽气系统、测量系统、压控系统、补气系统、内置加热系统，其中，内置加热系统置于被测集热管内，其他各系统分别通过设置在被测集热管的外玻管内的气嘴连接至被测集热管；压控系统、测量系统和内置加热系统通过数据采集系统连接至上位机。

其中，抽气系统连接在集热管的一端，测量系统连接在集热管的中间部位，补气系统及压控系统连接在集热管的另一端。

其中，所述压控系统由真空计、比例控制阀门及相应控制电路组成，通过测量系统的真空规测量出来的信号传输到真空计上经过放大处理显示出被测真空环境的真空度，通过开闭比例控制阀门来控制集热管内的真空度。

所述内置加热系统由阻性电加热棒和均温管、传感器、控制端组成，由于测试数据不用于热损数据精确分析，所以采用简化的加热棒进行系统加热。

本发明的有益效果在于：

本发明采用多种实验方法确定了影响高温真空集热管管内真空的因素，进而预测高温真空集热管的核心指标-真空寿命，具有覆盖全面、易操作、数据重复性好等优点。

附图说明

图1为槽式高温集热管热损-真空度测试系统的结构示意图。

图2为模拟工况高低温循环条件下集热管材料放气曲线，上半部分表示温度循环曲线，下半部分表示集热管材料放气率。

图3为高温条件下可伐合金、3号玻璃样品、4号玻璃样品的放气率曲线。

图4为低温条件下可伐合金、3号玻璃样品、4号玻璃样品的放气率曲线。

图5为热损-真空度关系曲线。

图6为经过不同时间后由于氢渗透造成的压力上升曲线。

图7为在无吸氢材料作用下的集热管内压强随时间变化关系曲线。

图8为吸氢动力学曲线：(左)吸氢速度曲线，(右)局部放大及拟合曲线。

图9为管内压强随时间变化的关系以及在吸氢材料作用下系统压强降低的曲线。

图10为在吸氢材料作用下集热管内压强在一年内随时间变化关系：计算值。

图11为在吸氢材料作用下集热管内压强在一年内随时间变化关系：测试值。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1给出了本发明的槽式高温集热管热损-真空度测试系统的设计方案。该测试系统包括：抽气系统1、测量系统4、压控系统5、补气系统(未图示)、内置加热系统6；其中，内置加热系统置于集热管内，抽气系统、测量系统、压控系统及补气系统分别通过设置在被测集热管的外玻管内的气嘴连接至被测集热管3，其中抽气系统1连接在集热管3的一端，测量系统4连接在集热管的中间部位，补气系统及压控系统5连接在集热管的另一端。抽气系统连接机械泵2，且压控系统5、测量系统4和内置加热系6统通过数据采集系统连接至上位机。

在这种方案中补气和抽气贯穿整个集热管内部真空系统空间，中部的真空度能够有效的反映管内真空度的变化，且测量系统对于补气系统的反馈距离也不大，不至于造成管内真空度剧烈变化，实现稳定的真空控制。

实施例

(a)确定集热管用材料体系的真空放气情况

对于集热管内的封闭真空系统而言，真空系统的动态平衡方程：

其中P表示系统压强，描述系统真空度的高低，s为有效抽速，Q是气源的综合出气量，V表示真空系统的体积。若系统处于动态平衡状态时，则系统的真空度由气源放气量和抽速决定，这种情况适用于有固定泵组的真空系统。对于的非平衡状态，压升率表示其和系统放气正相关，和系统的吸气剂等造成的有效抽气呈负相关。气源Q的来源为以下几类：漏孔；压差造成的渗透；材料体系的出气量；材料蒸发以及分解。

通常情况下，固体材料放气速率和时间相关，同时也和温度相关，对应关系如下：

q＝q₁·t^-a (2)

其中，q为放气速率，q₁和q₀为两个常数，t表示放气时间，T表示温度，E表示放气活化能，指数a为放气速率的衰减系数，0＜a＜1，且金属趋向于1，R表示摩尔气体常数。从式(2)、(3)可以看到放气速率随时间和温度均呈现衰减关系，但渐进行为又有所不同，q₀可以看作当温度足够高条件下材料的放气率。为实验数据分析简便，式(2)可以改写为：

logq＝logq_l-alogt (4)

图2给出了几种不同材料在高低温循环条件下测得的真空放气曲线。

利用不锈钢测试数据可以得到关系：

logq＝-5.776-logt (5)

用于真空部件的玻璃类材料本身放气率很小。石英玻璃还经常用做测试的真空室构成材料，目前来看构成集热管外玻管的硼硅玻璃在各温度条件下的放气率数据并不完整，由于在集热管工作条件下外玻管玻璃的温度略低(＜100℃)，此处采用室温下的放气数据，采用文献报道的同数量级数据：1×10^-12PaL/(sec.cm²)。最终放气量表示为：Q＝∫A·q(t)dt。

图3和图4分别为高温下可伐合金(Kovar)、3号玻璃样品(glass3)、4号玻璃样品(glass4)的放气率曲线；以及低温条件下可伐合金、3号玻璃样品、4号玻璃样品的放气率曲线；对于三种不同样品拟合参数分别如下：

高温：

logq＝-2.99-0.681logt (Kovar) (6)

logq＝-4.08-0.568logt (glass3) (7)

logq＝-3.97-0.48logt (glass4) (8)

低温：

logq＝-4.29-0.687logt (kovar) (9)

logq＝-5.99-0.448logt (glass3) (10)

logq＝-4.98-0.674logt (glass4) (11)

(b)测试高温真空集热管真空失效标准

图5给出了热损-真空度关系，从图中可以看到从0.5Pa开始热损数值有较大的突变，真空度越低(压强数值越高)，热损数值变化越平缓。针对自制集热管的几何尺度以及结构存在一个压强台阶，此台阶定义了真空寿命失效的临界值，即若管内真空度在此数值之上，则热损数值会急剧升高从而造成集热管不能完成预定的吸热-传热过程。

(c)量化研究高温集热管真空失效因素

根据集热管的实际情况，真空维持系统可以看作是复合系统，例如对于不锈钢管以及涂层的二元系统而言，总的渗透率可以表示为：

其中l_ab＝l_s+l_c为总的渗透厚度。但在涂层相对于系统尺寸而言很薄的情况下(尺寸比＜＜10^4)，此渗透率表述无意义，所以需要了解渗透的量。

根据Richardson定律：

可以求得渗透流，渗透流可以通过计算得到或者直接测试得到，通过系统的渗透气体量可以表示为：

根据这一系列的条件和关系，可以推测得到渗透进系统的气体量，反映出由于真空度下降集热管的总的吸热性能下降，损耗增大，最终定量推理出集热管的使用寿命。

图6给出了经过不同时间后由于氢渗透造成的压力上升曲线，此处假设入口压强为0.5pa和0.1Pa。此处数据给出了一天、3个月、6个月、1年、5年、10年以后的管内压强和温度的关系。从图中可以看出在200℃以下的中低温范围内，经过5年甚至10年时间都没有达到0.1Pa的饱和状态，但在250℃以上的温度区间三个月即可达到和入口一样的气压，达到气压饱和状态。这也强调了吸氢材料性能的稳定，才能保证长效的真空度不被氢渗透破坏。

真空系统的最大容许漏率：

其中q_Lmax为系统最大容许漏率，V为容积，压力由P升至P_t。对于高温真空集热管，估算其最大容许漏率为(如假设20年为计算基准，升压后压强设置为1Pa，基准压强为0.01Pa)：

根据计算可以看出，最严格的漏率要求在20年时间内，漏率不大于5×10^-11Pa·m³/s，对于实际制造来说采用的检漏标准为机器的极限漏率10^-12Pa·m³/s，因此可以认为满足20年产品应用要求，所以在后续的模拟计算中忽略由于漏孔造成的真空失效等。

(d)高温集热管整管压升率计算。

系统总的压强随时间变化最终可以表示为：

P＝P₀+P_渗透+P_渗漏+P_放气 (17)

其中P₀表示系统基准压强，也就是集热管内本身的背底压强，而其中的放气部分又可以表示为：

P_放气＝P_不锈钢+P_玻璃+P_可伐 (18)

综合集热管系统内各材料体系的放气、以及渗透的影响，即可以估算出管内压强随时间变化的关系。图7给出在无吸氢材料作用下的集热管内压强随时间变化关系。考虑吸氢材料后，图8(左)给出在305℃条件下吸氢材料的吸氢速度曲线，测试背底压强0.8E-3Pa。基本处于我们集热管排气完毕封离时的压强范围，图中可以看出随时间增大，吸氢速度呈现指数形式的下降趋势，选取部分曲线并拟合，结果如图8(右)所示，拟合结果较好的反映出了吸氢动力学的指数下降行为。

(e)评价预测高温集热管整管真空寿命

图9给出了管内压强随时间变化的关系以及在吸氢材料作用下系统压强降低的曲线。其中，蓝线表示吸氢材料随时间变化的压强降低曲线，其描述了吸氢材料可以降低系统由于氢分压造成的压强。计算出的数值范围远大于集热管内部真空腔的可能的压升范围。图像反映出在长时间高温工作后，吸氢速率曲线会下降至一稳定数值，因此吸附的气体量也会达到饱和。吸氢材料吸附氢气后可以造成的压降远大于系统压升，由此可以判断系统真空是安全的，可以保证在设计寿命内长时间稳定连续工作。

图10给出了在集热管工作温度下、在吸氢材料起作用的条件下，集热管内压强在一年内随时间变化的关系，考虑到吸气材料激活后从而使管内真空维持在封离时背底真空的计算值，图11为实际测试值。根据计算的数据，只要选取合适的吸氢材料的量，当吸氢材料能够吸附的H₂的量小于吸氢材料最大饱和吸氢量，且放氢速率不大于吸氢速率时，吸氢材料能够实现全部吸收游离在集热管真空区域的H₂，从而降低管内气体分压、维持较好真空度，实现集热管真空寿命满足设计要求。经比对可以看到图10、图11中，经吸氢材料激活后的集热管内真空基本维持稳定，和计算数值能够较好吻合，偏差值0.004Pa和背底真空级别0.04Pa相比可以控制在10％范围内。

Claims (4)

1.一种槽式高温集热管真空寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测试高温集热管用材料体系的真空放气行为；

(2)测试高温真空集热管的真空失效标准；

(3)量化研究高温集热管的真空失效因素；

(4)计算高温集热管的整管压升率；

(5)预测高温集热管整管的真空寿命。

2.根据权利要求1所述的槽式高温集热管真空寿命预测方法，其特征在于，采用高低温交变循环方式测试集热管用材料体系的真空放气行为。

3.根据权利要求1所述的槽式高温集热管真空寿命预测方法，其特征在于，所述真空失效标准为真空失效阈值，通过测试高温集热管的热损与真空度的关系曲线，判断高温集热管的真空失效阈值。

4.根据权利要求1所述的槽式高温集热管真空寿命预测方法，其特征在于，所述真空失效因素为高温下的氢渗透和漏率。