本發(fā)明涉及一種槽式高溫集熱管真空壽命預(yù)測(cè)方法及其測(cè)試系統(tǒng)，屬于槽式高溫集熱管的性能檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是新能源應(yīng)用領(lǐng)域的重要分支，槽式熱發(fā)電技術(shù)是利用槽式聚光鏡匯聚太陽光于焦平面處，在焦平面處安裝的集熱管(根據(jù)電廠要求以及日照條件等分為高溫真空集熱管及中溫管等)收集熱量并傳熱給集熱管內(nèi)流動(dòng)的熱工質(zhì)(導(dǎo)熱油，熔鹽，水蒸氣等)，加熱后的熱工質(zhì)經(jīng)過管路后和低溫工質(zhì)進(jìn)行換熱，進(jìn)而通過一系列機(jī)械過程推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

自從上世紀(jì)80年代實(shí)現(xiàn)了太陽能槽式熱發(fā)電的電站運(yùn)行，槽式技術(shù)經(jīng)歷了眾多的研發(fā)改進(jìn)。近些年來在國內(nèi)外地區(qū)槽式電站的規(guī)劃、建設(shè)均有較快增長(zhǎng)，其中部分國外電站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行，即將或已經(jīng)取得經(jīng)濟(jì)效益。我國進(jìn)入高溫?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域時(shí)間不長(zhǎng)，在早期同德國、美國、西班牙等光熱技術(shù)先進(jìn)國家存在較大技術(shù)差距，近些年在槽式熱發(fā)電核心設(shè)備(如高溫真空集熱管，反射鏡，儲(chǔ)熱系統(tǒng)等)的制造以及應(yīng)用領(lǐng)域取得較快進(jìn)展，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的核心設(shè)備提供商。正是由于我國在槽式熱發(fā)電核心設(shè)備的高速發(fā)展以及廣闊前景對(duì)于集熱管的研發(fā)、改進(jìn)提出了更高的要求，相應(yīng)的對(duì)于掌握集熱管性能的測(cè)試技術(shù)和裝備也提出了更高要求。

在槽式光熱電站中，集熱管屬于批量應(yīng)用，集熱管的性能出現(xiàn)問題會(huì)影響集熱回路的整體運(yùn)行效率。在研制及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)真空以及涂層的衰退導(dǎo)致整管性能變差等問題，最終導(dǎo)致終端用戶的成本上升、系統(tǒng)不穩(wěn)定等弊端，所以在研發(fā)過程中需要掌握集熱管在工作溫度下的穩(wěn)定性。需要確定集熱管用材料在高低溫循環(huán)條件下的真空放氣參數(shù)，并確定集熱管用材料體系長(zhǎng)時(shí)間放氣的累積對(duì)于真空的影響。還需要利用一系列實(shí)驗(yàn)確定高溫集熱管所能承受的最低真空度，此最低限度的真空級(jí)別/標(biāo)準(zhǔn)作為判斷集熱管真空壽命的重要判據(jù)。還需要掌握其他影響真空的因素，如氫滲透、機(jī)械滲漏等。在各部分內(nèi)容基礎(chǔ)上分別建立相應(yīng)的時(shí)間和氣體分壓的關(guān)系，從而建立集熱管真空壽命評(píng)價(jià)模型。并根據(jù)此模型外推預(yù)測(cè)相應(yīng)規(guī)格的集熱管在相應(yīng)工作條件下以及初始真空條件下的真空壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種槽式高溫集熱管真空壽命預(yù)測(cè)方法，用以評(píng)價(jià)高溫真空集熱管的核心指標(biāo)-真空壽命，該預(yù)測(cè)方法涵蓋全面，參數(shù)可實(shí)現(xiàn)較好量化，具有易重復(fù)、易操作的特性。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于所述預(yù)測(cè)方法的槽式高溫集熱管熱損-真空度測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)定同一被測(cè)樣品在不同真空度下的熱損數(shù)值，操作簡(jiǎn)便，可靠性強(qiáng)。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種槽式高溫集熱管真空壽命預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：

(1)測(cè)試高溫集熱管用材料體系的真空放氣行為；

(2)測(cè)試高溫真空集熱管的真空失效標(biāo)準(zhǔn)；

(3)量化研究高溫集熱管的真空失效因素；

(4)計(jì)算高溫集熱管的整管壓升率；

(5)預(yù)測(cè)高溫集熱管整管的真空壽命。

在步驟(1)中，采用高低溫交變循環(huán)方式測(cè)試集熱管用材料體系的真空放氣行為，因集熱管所處的使用環(huán)境要求其具有長(zhǎng)時(shí)間的高溫穩(wěn)定性，所以集熱管用材料體系經(jīng)歷清洗、拋光、高溫除氣等前處理工藝減少材料內(nèi)部氣體，具體放氣情況需要用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出具體結(jié)論。

在步驟(2)中，所述集熱管的真空失效因素為集熱管的真空失效閾值，通過測(cè)試集熱管的熱損與真空度的關(guān)系曲線，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況判斷集熱管的真空失效閾值。在此實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)同一測(cè)試樣管利用同一套設(shè)備(加熱設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、氣壓控制設(shè)備)測(cè)試在不同氣壓下的熱損，由此確定集熱管的熱損突變的真空閾值。

在步驟(3)中，考慮真空失效因素如高溫下的氫滲透和漏率對(duì)于集熱管環(huán)境下真空度的影響。在集熱管用材料體系放氣實(shí)驗(yàn)中，確定了放氣的主要成分是氫元素，考慮由于管壁滲透導(dǎo)致的真空退化因素；考慮制造過程中機(jī)械漏率對(duì)于真空的影響。

在步驟(4)中，綜合考慮步驟(1)、(2)、(3)得出的結(jié)論進(jìn)行整管壓升率計(jì)算。根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)的結(jié)論得到集熱管內(nèi)壓強(qiáng)和時(shí)間的關(guān)系，進(jìn)行整管壓升率的計(jì)算。

在步驟(5)中，根據(jù)步驟(4)中的結(jié)論，結(jié)合真空維持技術(shù)評(píng)價(jià)高溫集熱管整管的真空壽命。維持集熱管內(nèi)的真空級(jí)別是另一種重要技術(shù)，這里評(píng)估應(yīng)用吸氫材料后系統(tǒng)壓強(qiáng)的改變情況，以及得到整體壓強(qiáng)和時(shí)間的關(guān)系。

本發(fā)明還提供一種槽式高溫集熱管熱損-真空度測(cè)試系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)真空壽命預(yù)測(cè)中所涉及的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，該測(cè)試系統(tǒng)包括：抽氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、壓控系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)、內(nèi)置加熱系統(tǒng)，其中，內(nèi)置加熱系統(tǒng)置于被測(cè)集熱管內(nèi)，其他各系統(tǒng)分別通過設(shè)置在被測(cè)集熱管的外玻管內(nèi)的氣嘴連接至被測(cè)集熱管；壓控系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和內(nèi)置加熱系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接至上位機(jī)。

其中，抽氣系統(tǒng)連接在集熱管的一端，測(cè)量系統(tǒng)連接在集熱管的中間部位，補(bǔ)氣系統(tǒng)及壓控系統(tǒng)連接在集熱管的另一端。

其中，所述壓控系統(tǒng)由真空計(jì)、比例控制閥門及相應(yīng)控制電路組成，通過測(cè)量系統(tǒng)的真空規(guī)測(cè)量出來的信號(hào)傳輸?shù)秸婵沼?jì)上經(jīng)過放大處理顯示出被測(cè)真空環(huán)境的真空度，通過開閉比例控制閥門來控制集熱管內(nèi)的真空度。

所述內(nèi)置加熱系統(tǒng)由阻性電加熱棒和均溫管、傳感器、控制端組成，由于測(cè)試數(shù)據(jù)不用于熱損數(shù)據(jù)精確分析，所以采用簡(jiǎn)化的加熱棒進(jìn)行系統(tǒng)加熱。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明采用多種實(shí)驗(yàn)方法確定了影響高溫真空集熱管管內(nèi)真空的因素，進(jìn)而預(yù)測(cè)高溫真空集熱管的核心指標(biāo)-真空壽命，具有覆蓋全面、易操作、數(shù)據(jù)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為槽式高溫集熱管熱損-真空度測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為模擬工況高低溫循環(huán)條件下集熱管材料放氣曲線，上半部分表示溫度循環(huán)曲線，下半部分表示集熱管材料放氣率。

圖3為高溫條件下可伐合金、3號(hào)玻璃樣品、4號(hào)玻璃樣品的放氣率曲線。

圖4為低溫條件下可伐合金、3號(hào)玻璃樣品、4號(hào)玻璃樣品的放氣率曲線。

圖5為熱損-真空度關(guān)系曲線。

圖6為經(jīng)過不同時(shí)間后由于氫滲透造成的壓力上升曲線。

圖7為在無吸氫材料作用下的集熱管內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。

圖8為吸氫動(dòng)力學(xué)曲線：(左)吸氫速度曲線，(右)局部放大及擬合曲線。

圖9為管內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系以及在吸氫材料作用下系統(tǒng)壓強(qiáng)降低的曲線。

圖10為在吸氫材料作用下集熱管內(nèi)壓強(qiáng)在一年內(nèi)隨時(shí)間變化關(guān)系：計(jì)算值。

圖11為在吸氫材料作用下集熱管內(nèi)壓強(qiáng)在一年內(nèi)隨時(shí)間變化關(guān)系：測(cè)試值。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

圖1給出了本發(fā)明的槽式高溫集熱管熱損-真空度測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該測(cè)試系統(tǒng)包括：抽氣系統(tǒng)1、測(cè)量系統(tǒng)4、壓控系統(tǒng)5、補(bǔ)氣系統(tǒng)(未圖示)、內(nèi)置加熱系統(tǒng)6；其中，內(nèi)置加熱系統(tǒng)置于集熱管內(nèi)，抽氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、壓控系統(tǒng)及補(bǔ)氣系統(tǒng)分別通過設(shè)置在被測(cè)集熱管的外玻管內(nèi)的氣嘴連接至被測(cè)集熱管3，其中抽氣系統(tǒng)1連接在集熱管3的一端，測(cè)量系統(tǒng)4連接在集熱管的中間部位，補(bǔ)氣系統(tǒng)及壓控系統(tǒng)5連接在集熱管的另一端。抽氣系統(tǒng)連接機(jī)械泵2，且壓控系統(tǒng)5、測(cè)量系統(tǒng)4和內(nèi)置加熱系6統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接至上位機(jī)。

在這種方案中補(bǔ)氣和抽氣貫穿整個(gè)集熱管內(nèi)部真空系統(tǒng)空間，中部的真空度能夠有效的反映管內(nèi)真空度的變化，且測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于補(bǔ)氣系統(tǒng)的反饋距離也不大，不至于造成管內(nèi)真空度劇烈變化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的真空控制。

實(shí)施例

(a)確定集熱管用材料體系的真空放氣情況

對(duì)于集熱管內(nèi)的封閉真空系統(tǒng)而言，真空系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡方程：

其中p表示系統(tǒng)壓強(qiáng)，描述系統(tǒng)真空度的高低，s為有效抽速，q是氣源的綜合出氣量，v表示真空系統(tǒng)的體積。若系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)，則系統(tǒng)的真空度由氣源放氣量和抽速?zèng)Q定，這種情況適用于有固定泵組的真空系統(tǒng)。對(duì)于的非平衡狀態(tài)，壓升率表示其和系統(tǒng)放氣正相關(guān)，和系統(tǒng)的吸氣劑等造成的有效抽氣呈負(fù)相關(guān)。氣源q的來源為以下幾類：漏孔；壓差造成的滲透；材料體系的出氣量；材料蒸發(fā)以及分解。

通常情況下，固體材料放氣速率和時(shí)間相關(guān)，同時(shí)也和溫度相關(guān)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

q＝q1·t^-a(2)

其中，q為放氣速率，q1和q0為兩個(gè)常數(shù)，t表示放氣時(shí)間，t表示溫度，e表示放氣活化能，指數(shù)a為放氣速率的衰減系數(shù)，0＜a＜1，且金屬趨向于1，r表示摩爾氣體常數(shù)。從式(2)、(3)可以看到放氣速率隨時(shí)間和溫度均呈現(xiàn)衰減關(guān)系，但漸進(jìn)行為又有所不同，q0可以看作當(dāng)溫度足夠高條件下材料的放氣率。為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析簡(jiǎn)便，式(2)可以改寫為：

logq＝logq1-alogt(4)

圖2給出了幾種不同材料在高低溫循環(huán)條件下測(cè)得的真空放氣曲線。

利用不銹鋼測(cè)試數(shù)據(jù)可以得到關(guān)系：

logq＝-5.776-logt(5)

用于真空部件的玻璃類材料本身放氣率很小。石英玻璃還經(jīng)常用做測(cè)試的真空室構(gòu)成材料，目前來看構(gòu)成集熱管外玻管的硼硅玻璃在各溫度條件下的放氣率數(shù)據(jù)并不完整，由于在集熱管工作條件下外玻管玻璃的溫度略低(＜100℃)，此處采用室溫下的放氣數(shù)據(jù)，采用文獻(xiàn)報(bào)道的同數(shù)量級(jí)數(shù)據(jù)：1×10^-12pal/(sec.cm²)。最終放氣量表示為：q＝∫a·q(t)dt。

圖3和圖4分別為高溫下可伐合金(kovar)、3號(hào)玻璃樣品(glass3)、4號(hào)玻璃樣品(glass4)的放氣率曲線；以及低溫條件下可伐合金、3號(hào)玻璃樣品、4號(hào)玻璃樣品的放氣率曲線；對(duì)于三種不同樣品擬合參數(shù)分別如下：

高溫：

logq＝-2.99-0.681logt(kovar)(6)

logq＝-4.08-0.568logt(glass3)(7)

logq＝-3.97-0.48logt(glass4)(8)

低溫：

logq＝-4.29-0.687logt(kovar)(9)

logq＝-5.99-0.448logt(glass3)(10)

logq＝-4.98-0.674logt(glass4)(11)

(b)測(cè)試高溫真空集熱管真空失效標(biāo)準(zhǔn)

圖5給出了熱損-真空度關(guān)系，從圖中可以看到從0.5pa開始熱損數(shù)值有較大的突變，真空度越低(壓強(qiáng)數(shù)值越高)，熱損數(shù)值變化越平緩。針對(duì)自制集熱管的幾何尺度以及結(jié)構(gòu)存在一個(gè)壓強(qiáng)臺(tái)階，此臺(tái)階定義了真空壽命失效的臨界值，即若管內(nèi)真空度在此數(shù)值之上，則熱損數(shù)值會(huì)急劇升高從而造成集熱管不能完成預(yù)定的吸熱-傳熱過程。

(c)量化研究高溫集熱管真空失效因素

根據(jù)集熱管的實(shí)際情況，真空維持系統(tǒng)可以看作是復(fù)合系統(tǒng)，例如對(duì)于不銹鋼管以及涂層的二元系統(tǒng)而言，總的滲透率可以表示為：

其中l(wèi)ab＝ls+lc為總的滲透厚度。但在涂層相對(duì)于系統(tǒng)尺寸而言很薄的情況下(尺寸比＜＜10^4)，此滲透率表述無意義，所以需要了解滲透的量。

根據(jù)richardson定律：

可以求得滲透流，滲透流可以通過計(jì)算得到或者直接測(cè)試得到，通過系統(tǒng)的滲透氣體量可以表示為：

根據(jù)這一系列的條件和關(guān)系，可以推測(cè)得到滲透進(jìn)系統(tǒng)的氣體量，反映出由于真空度下降集熱管的總的吸熱性能下降，損耗增大，最終定量推理出集熱管的使用壽命。

圖6給出了經(jīng)過不同時(shí)間后由于氫滲透造成的壓力上升曲線，此處假設(shè)入口壓強(qiáng)為0.5pa和0.1pa。此處數(shù)據(jù)給出了一天、3個(gè)月、6個(gè)月、1年、5年、10年以后的管內(nèi)壓強(qiáng)和溫度的關(guān)系。從圖中可以看出在200℃以下的中低溫范圍內(nèi)，經(jīng)過5年甚至10年時(shí)間都沒有達(dá)到0.1pa的飽和狀態(tài)，但在250℃以上的溫度區(qū)間三個(gè)月即可達(dá)到和入口一樣的氣壓，達(dá)到氣壓飽和狀態(tài)。這也強(qiáng)調(diào)了吸氫材料性能的穩(wěn)定，才能保證長(zhǎng)效的真空度不被氫滲透破壞。

真空系統(tǒng)的最大容許漏率：

其中qlmax為系統(tǒng)最大容許漏率，v為容積，壓力由p升至pt。對(duì)于高溫真空集熱管，估算其最大容許漏率為(如假設(shè)20年為計(jì)算基準(zhǔn)，升壓后壓強(qiáng)設(shè)置為1pa，基準(zhǔn)壓強(qiáng)為0.01pa)：

根據(jù)計(jì)算可以看出，最嚴(yán)格的漏率要求在20年時(shí)間內(nèi)，漏率不大于5×10^-11pa·m³/s，對(duì)于實(shí)際制造來說采用的檢漏標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)器的極限漏率10^-12pa·m³/s，因此可以認(rèn)為滿足20年產(chǎn)品應(yīng)用要求，所以在后續(xù)的模擬計(jì)算中忽略由于漏孔造成的真空失效等。

(d)高溫集熱管整管壓升率計(jì)算。

系統(tǒng)總的壓強(qiáng)隨時(shí)間變化最終可以表示為：

p＝p0+p滲透+p滲漏+p放氣(17)

其中p0表示系統(tǒng)基準(zhǔn)壓強(qiáng)，也就是集熱管內(nèi)本身的背底壓強(qiáng)，而其中的放氣部分又可以表示為：

p放氣＝p不銹鋼+p玻璃+p可伐(18)

綜合集熱管系統(tǒng)內(nèi)各材料體系的放氣、以及滲透的影響，即可以估算出管內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖7給出在無吸氫材料作用下的集熱管內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化關(guān)系?？紤]吸氫材料后，圖8(左)給出在305℃條件下吸氫材料的吸氫速度曲線，測(cè)試背底壓強(qiáng)0.8e-3pa?；咎幱谖覀兗療峁芘艢馔戤叿怆x時(shí)的壓強(qiáng)范圍，圖中可以看出隨時(shí)間增大，吸氫速度呈現(xiàn)指數(shù)形式的下降趨勢(shì)，選取部分曲線并擬合，結(jié)果如圖8(右)所示，擬合結(jié)果較好的反映出了吸氫動(dòng)力學(xué)的指數(shù)下降行為。

(e)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)高溫集熱管整管真空壽命

圖9給出了管內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系以及在吸氫材料作用下系統(tǒng)壓強(qiáng)降低的曲線。其中，藍(lán)線表示吸氫材料隨時(shí)間變化的壓強(qiáng)降低曲線，其描述了吸氫材料可以降低系統(tǒng)由于氫分壓造成的壓強(qiáng)。計(jì)算出的數(shù)值范圍遠(yuǎn)大于集熱管內(nèi)部真空腔的可能的壓升范圍。圖像反映出在長(zhǎng)時(shí)間高溫工作后，吸氫速率曲線會(huì)下降至一穩(wěn)定數(shù)值，因此吸附的氣體量也會(huì)達(dá)到飽和。吸氫材料吸附氫氣后可以造成的壓降遠(yuǎn)大于系統(tǒng)壓升，由此可以判斷系統(tǒng)真空是安全的，可以保證在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定連續(xù)工作。

圖10給出了在集熱管工作溫度下、在吸氫材料起作用的條件下，集熱管內(nèi)壓強(qiáng)在一年內(nèi)隨時(shí)間變化的關(guān)系，考慮到吸氣材料激活后從而使管內(nèi)真空維持在封離時(shí)背底真空的計(jì)算值，圖11為實(shí)際測(cè)試值。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)，只要選取合適的吸氫材料的量，當(dāng)吸氫材料能夠吸附的h2的量小于吸氫材料最大飽和吸氫量，且放氫速率不大于吸氫速率時(shí)，吸氫材料能夠?qū)崿F(xiàn)全部吸收游離在集熱管真空區(qū)域的h2，從而降低管內(nèi)氣體分壓、維持較好真空度，實(shí)現(xiàn)集熱管真空壽命滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)比對(duì)可以看到圖10、圖11中，經(jīng)吸氫材料激活后的集熱管內(nèi)真空基本維持穩(wěn)定，和計(jì)算數(shù)值能夠較好吻合，偏差值0.004pa和背底真空級(jí)別0.04pa相比可以控制在10％范圍內(nèi)。