超聲波流量計在太陽能光熱電站的應用

概述：
日常生活中，當人們提到太陽能時，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最簡單應用。太陽能利用主要分為低溫熱利用、中溫熱利用和高溫熱利用。太陽能熱水器只是低溫利用，是太陽能熱利用的很小部分。

在太陽能利用中，太陽能發電是比較高端的一種。但是在中國國內提到太陽能發電時，對太陽能略有了解的人士可能最先想到的還是使用“太陽能硅板”或稱為“太陽能電池板”進行發電，同時也可能聯想到“多晶硅”“單晶硅”“非晶硅”“產能過剩”“雙反調查”等關鍵詞。上述的發電方式稱為“光伏發電”，那麼“光伏”和“光熱”各有什麼特點呢。

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池板。它的優點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，然後再並入電網。但缺點是對電網衝擊比較大，在陽光燦爛和陰雨天時，發電量差異巨大。為了減少對電網衝擊，那麼勢必需要帶儲能系統——即使用蓄電池進行充放電實現連續運行，這就大大增加了光伏發電的成本，且蓄電池的使用壽命有待考驗。另外光伏發電的原材料硅材，且不說現在紛紛擾擾的“產能過剩”“雙反調查”“破產停產”等問題，現在最熱門的多晶硅的生產就是一個高能耗高污染的行業。所以從整個產業鏈上來看光伏發電算不上是一個十分綠色環保產業。

而光熱發電是太陽能的高溫熱利用的一種。光熱發電技術主要包括四種，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現了商業化運行，而碟式及菲涅爾式還處於小規模的試驗階段。光熱發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，如水、導熱油或熔鹽等介質，最終產生蒸汽推動汽輪機發電。與常規火電站相比，光熱發電系統的“熱—功—電”轉換環節所采用的熱力循環模式及設備基本是相同的，不同的只是在於“熱”的獲取方式。在輻照連續的條件下，太陽能熱發電站可以直接產生與火電站完全相同的滿足電網品質要求的交流電，保證電網的電壓和頻率穩定。但太陽輻照受季節、時間和天氣的影響較大，因此“儲熱”對於光熱電站的規模化穩定運行是非常重要的。

塔式光熱電站
塔式光熱電站的原理很容易理解，在鏡場中有數千塊的鏡子面對著中心的類似於燈塔一樣的建築，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，吸收太陽的能量之後，達到500~600攝氏度的高溫，然後輸送回高溫的熔鹽罐，此高溫熔鹽就會用於產生蒸汽來轉動渦輪和發電。同時熔鹽也作為儲能介質，保證電站在太陽落山之後以及陰雨天的連續運行。

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。純物質熔鹽通常具有高熔點, 隨之而來的熱不穩定性和化學腐蝕性，限制了其作為傳熱蓄熱介質的應用。混合熔鹽相對於純物質熔鹽具有顯著優勢，改善了熔鹽的熱物性，適合太陽能熱發電的需要，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，因為其具有熔點低、價格低、蒸汽壓低、熱容高、腐蝕性小、黏度低和熱穩定性好等一系列特點。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，有時候也會在三元熔鹽裡面添加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。

對這些熔鹽測量的最佳流量計可以說是高溫超聲波流量計。超聲波流量計采用時差法的原理，測量管內沒有阻流或可動部件，不會產生壓損和磨損，測量精度高，維護量小。從200多度開始融化流動到四五百度的工作溫度的範圍內，熔鹽的粘度會隨著溫度的上升而降低，溫度較低時粘度不會超過10cp，高溫工作時粘度僅1~3cp左右，完全在超聲波流量計可測的範圍之內。而一些傳統的機械式儀表，如孔板、橢圓齒輪、刮板等流量計，有的無法應用於如此高的溫度，有的因為存在可動部件，維護量大，非常不適合用於如此苛刻的工況，這種高溫的熔鹽管道一旦停工維護，那麼將帶來非常大的損失。

另外還需要說明的是，超聲波流量計分為管道式和外夾式兩種，推薦用於測量熔鹽的絕對是管道式流量計。外夾式超聲波流量計是在工廠生產完成之後再夾裝到現場的管道上的，也就是說它在出廠時是沒有經過實流標定的，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節，沒有經過實流標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需要定期在超聲波換能器上塗抹耦合劑幫助超聲波透過管道，在如此高溫的管道上經常需要人工操作本身就是非常危險的工作。而且所有的熔鹽管道都需要進行保溫，外夾式超聲波流量計的安裝形式會對保溫層的鋪設造成極大的困擾，如果將儀表包裹在保溫材料內，會因為高溫的聚集對儀表造成損壞，如果儀表安裝的管段不鋪設保溫材料，會造成能量極大的浪費。而管道式超聲波流量計可以完全采用不鏽鋼或者耐高溫不鏽鋼打造，可以與管道焊接成一體，不影響保溫材料的鋪設，是測量熔鹽的理想選擇。

位於西班牙的世界上第一個商業化運行的塔式光熱電站GEMASOLAR就是使用的德國科隆公司的高溫型超聲波流量計UFM530 HT來測量熔鹽的。在世界範圍內塔式的太陽能電廠遠遠少於下面章節要說的拋物面槽式太陽能電廠，這個可能與塔式的技術含量更高，建設難度更大及投資金額更多有關。但是因為熔鹽可以達到的溫度比下面槽式中的導熱油更高，因此塔式光熱電站的工作能效會更高，雖然前期的建設難度大，但是建成後的效率會很高。除了GEMASOLAR，在意大利的ENEA Priolio和ENEA Casaccia（ENEA: European Nuclear Energy Agency 歐洲核能機構）都采用了科隆的超聲波流量計做為熔鹽流量計，用於他們研究機構的新能源研究裝置。另外中國國內某個在建的一期10MW塔式光熱電站也采用了科隆的超聲波流量計，建成之後將成為中國第一個商業化運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行聚焦，根據電站的功率不同，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於拋物面槽的焦點的位置，管中的導熱介質是一種特殊的合成導熱油——聯苯聯苯醚導熱油。在集熱管中導熱油最高可能被加熱到400攝氏度左右，然後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，從而推動汽輪機發電。

導熱油在太陽能光熱發電中作為儲熱介質，需在高溫300～400℃之間長期穩定運行。聯苯聯苯醚導熱油是一種共熔共沸混合物，因苯環上沒有烷基側鏈連接，在導熱油中耐熱性最佳，積碳傾向小，使用壽命長，因此是槽式光熱電站中唯一適用的導熱油。它最突出的特性是熱穩定性優良、使用溫度高，以保證在槽式光熱電站設計使用壽命（25年或更久）內，所用的導熱油不需進行更換。在世界範圍內主要還是使用美國陶氏化學生產的Dowtherm A和美國首諾生產的Therminol VP-1聯苯聯苯醚導熱油，這兩個品牌長期在市場上占據壟斷性地位。另外國內也有一些廠家可以生產，比如江蘇中能化學有限公司。

鑒於上述的導熱油的重要性，選擇合適的導熱油流量計就成了計量的關鍵。首先導熱油的高溫限制了很多流量計的應用，其次導熱油隨著溫度的變化，其密度、粘度、聲速等數據都會隨之發生變化，一些測量會受密度等物理參數影響的流量計也無法使用。經過很多現場的實際使用證明，科隆的高溫型超聲波流量計UFM530 HT是測量這種導熱油的最佳選擇。從歐洲第一個商業化運行的槽式光熱電站ANDASOL一期二期三期，到位於美國的去年剛剛投運的世界最大槽式光熱電站SOLANA電站，全球多達20多個槽式光熱電站都使用了科隆的高溫型超聲波流量計UFM530 HT來測量高溫導熱油，幾乎涵蓋了世界上所有的商業化運行的槽式光熱電站。針對這種導熱油的應用，科隆特殊設計了焊接式的結構，以應對白天到夜晚導熱油巨大的溫差變化。同時轉換器有特殊的高能設計，應對導熱油的特殊工況。在這些電廠的實際安裝應用中，科隆公司累積了豐富的經驗。

在槽式光熱電站中除了導熱油作為導熱介質外，往往還有熔鹽介質做為儲熱材料，熔鹽的熱容量要遠遠高於導熱油，因此可以維持太陽落山後電站的運行。熔鹽的測量與之前所述的塔式光熱電站是相同的，這裡就不做累述了。

總結
太陽能光熱電站做為綠色環保的新能源，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所排放的溫室氣體CO2量是最低的，因此相對來說是最綠色環保的能源。幾年前，光熱電站在國內就有熱議，但是因為種種原因，比如技術和政策等，現在在國內還沒有全面展開建設。但是可以預見的是，在中國西北部光照資源豐富的地區，光熱電廠的發展前景是非常廣闊的，一方面可以獲得綠色環保的能源，另一方面在光熱電廠建設的區域有助於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2014年3月最新的報道來看，光熱發電的上網電價有望在最近確定，這也將大大推動光熱發電的發展。

根據上文分析在光熱電站中會使用到的兩種重要介質，熔鹽和導熱油，采用超聲波流量計測量是最佳的解決方案。德國科隆公司做為專業的儀表供應商，在光熱電廠中有著豐富的應用經驗，除了本文詳細介紹的超聲波流量計為首的流量系列產品之外，還可以提供物位測量儀表，分析儀表和溫度儀表等產品，如在世界最大槽式光熱電站SOLANA電站中科隆就提供了1000多塊溫度變送器和傳感器用於全廠的溫度測量。所以在太陽能光熱電廠中，科隆是值得信賴的專業合作伙伴。