槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反 射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光 集热器经过串、并联排列，聚焦太阳直射光，加热真 空集热管内的传热工质，然后通过换热设备产生蒸 汽，驱动汽轮发电机组发电^{[ 1, 2, 3 ]}。它是目前技术最成 熟、商业化程度最高的太阳能热发电技术，美国、西 班牙已经建成多座槽式光热电站。近几年，我国在 光热太阳能发电方面的研究和示范性试验也取得 了很大进展，设备国产化率逐步提高。本文以某50 MW槽式太阳能热电站连接件的配置情况为例，对 目前国内外主要采用的2种型式连接件（旋转接头 和金属软管）的结构、性能和价格等方面进行比较，并对导热油管道连接件的选型提出建议。 1 槽式太阳能热发电设备简介

槽式太阳能热发电项目镜场布置中，太阳能集 热器组合（Solar Collector Assemblies，简称SCA）包 括反射镜、支架、真空集热管和跟踪器，其轴线常规 采用南北方向布置，每4个SCA构成1个回路。 SCA从早到晚、自东向西跟踪太阳，即正常运行 情况下，聚光器始终处于有规律的运动状态，而其 他设备和管道（如导热油母管等）都是相对固定布 置的，这就需要SCA与导热油母管连接处等位置必 须安装连接件。图 1为2排聚光集热器间跨接管路 的典型连接。

图1(Figure 1)

图1 聚光集热器间跨接管路的连接

目前普遍采用的连接件有2种，即旋转接头和 金属软管。通常太阳能集热场面积巨大、真空集热 管数量众多，连接件的数量也不少，其性能会直接 影响到整个太阳能集热场导热油管道和系统的正 常、连续运行，因此工程设计中应特别重视导热油 管道连接件的选型问题。 2 旋转接头 旋转接头的作用是将相对固定布置的导热油 输送管道与转动至某角度的聚光器进行连接，既保 证集热管连续不断向管道输送流体，又防止HTF （Heat Transfer Fluid，导热流体）向外泄漏及外界杂 物进入管道^{[ 4 ]}。连接件的安装部位通常为SCA末端 与导热油管道连接处、相邻SCA间的集热管与导热 油管道连接处及两排聚光集热器间跨接管路的连 接处等。 2.1 国产旋转接头

目前，我国设计制造的旋转接头分为3大系列：Q型球面密封结构、D型端面密封结构和H型合金 壳体结构（铜合金结构）。

国产旋转接头设计压力≤2.0MPa，设计温度 325℃。因设计参数较低，不能满足槽式太阳能热 发电工程导热油管道连接件的参数要求，而且其密 封面的工艺技术难题尚需攻克，槽式太阳能热发电 工程导热油管道专用的国产旋转接头还处于研究 阶段，用于工程实践还有待时日。 2.2 进口旋转接头 2.2.1 主要类型

目前，国际上槽式太阳能热发电工程专用的旋 转接头主要有单纯旋转接头（以Hyspan公司和ATS 公司为代表，如图 2所示）以及与膨胀节相结合的旋 转接头（以Boa Group公司为代表，如图 3所示）。

图2(Figure 2)

图2 单纯旋转接头

图3(Figure 3)

图3 与膨胀节相结合的旋转接头

Hyspan公司与ATS公司旋转接头的结构、功能 及原理相似，价格相近，而Boa Group公司产品的开 发时间短，技术开发成本高，价格相对较高，在工程 中应用较少。Hyspan公司专用太阳能旋转接头有 近20a的使用经验和10万台的应用业绩，因此以下 仅以Hyspan公司旋转接头为例说明其结构和性能。 2.2.2 主要型式及特点

目前，槽式太阳能热发电工程专用的旋转接头 主要有2种型式：单头旋转接头和双头旋转接头。 双头旋转接头是将2个单头旋转接头用不锈钢管焊 接而成，用于相邻2个SCA间的相互连接，其性能特 点与单头相同。

单头旋转接头适用于SCA联排末端的管路连 接，可作为至太阳集热区总管路的连接回路，或通 过跨接管路实现2排SCA间的连接。按照固定球体 与壳体的挡圈不同结构形式，单头旋转接头有A、B 型2种：A型为法兰挡圈，B型为螺纹挡圈。无论A 型还是B型，其球关节一体化设计的特点是其他旋 转接头无法相比的，其主要功能特点有^{[ 4 ]}：

（1）壳体、球体、螺母3大主体部件选用优质锻 件经切削一次成型，无焊点和应力集中。

（2）球面经特殊处理，既耐磨又光滑，保证了 密封效果。

（3）螺母紧固结构保障了偏转扭矩和旋转扭 矩的精确。

（4）独特的设计结构，使寿命周期内没有易损 件、无需任何备件。

（5）内置密封垫和外置密封垫能够承受来自 球体和外界的压力或推力。内、外密封垫和球体之 间的空腔注射的密封剂为石墨薄片（柔性石墨）和 合成油混合物。填入密封剂可以调节磨损，控制活 动扭矩达到最小值，可有效防止泄漏，增加了旋转 接头的可靠性。

（6）能够在操作压力为3MPa、温度为393℃条 件下，以±7°的角位移在0°～215°旋转。

（7）密封件在4MPa、400℃的测试条件下，抗 疲劳次数达11095次，约为30a的实际实用寿命。 3 金属软管

金属软管是安装在压力管路中的主要承压件， 同时对波纹管起到保护套作用。金属软管主要由 金属波纹管、金属网体和各类不同型式的接头组 成。它的内管是螺旋形波纹或环形波纹的薄壁不 锈钢波纹管，波纹管的外层网套由不锈钢丝或不锈 钢钢带按一定参数编织而成。软管两端的接头是 根据管道或设备的接头型式配置的。 3.1 国产金属软管

国产金属软管由不锈钢带剪裁、卷圆，TIG （Tungsten Inert Gas Arc Welding，惰性气体钨极保 护焊），最后通过波纹成形而成，材质有1Cr18Ni9Ti, 304，316及316L等。

根据《GB/T14525—2010波纹金属软管通用技 术条件》^{[ 5 ]}对软管疲劳寿命（摆动弯曲次数）的规定， 软管的设计使用寿命均为15000次，金属软管的实 际使用寿命一般都大于其设计使用寿命（具体寿命 可通过模拟试验确定）。根据调研情况，金属软管 目前在国内仅有个别试验基地在使用，而高压力、 大口径（直径≥70mm）金属软管的开发应用在国内 尚属空白。 3.2 进口金属软管

金属软管于1900年即在美国加利福尼亚州南 部的槽式太阳能热电厂（Solar Energy Generating Systems，SEGS）得到成功应用，当时全部采用了Seniorflexonics公司的第1代产品Rotation Flex，目前 正在建设中的西班牙光热电站采用了该公司生产 的第2代产品Rotation Flex II。Rotation Flex系列 产品具有横截面稳定、耐高温高压、高挠屈性、易于 安装及免维护等特点。金属软管通过纵向单独补 偿实现软管间的伸缩和轴向旋转，易于控制启动转 矩，能够显著减小阻力，功能示意图见图 4，相邻 SCA间的管路连接见图 5，SCA末端与导热油管道间 的连接见图 6。

图4(Figure 4)

图4 Rotation Flex软管功能示意图

图5(Figure 5)

图5 相邻SCA间的管路连接

图6(Figure 6)

图6 SCA末端与导热油管道间的连接

Rotation Flex软管的技术参数：压力4.0MPa， 温度550℃，补偿量600mm。 4 经济性比较

进口旋转接头和金属软管的性能均符合槽式 太阳能热发电工程导热油管道连接件的要求，下面 结合某50MW槽式太阳能热发电工程，对进口旋转 接头和金属软管2种导热油管道连接件进行技术经 济比较。 4.1 设计参数

某50MW槽式太阳能热发电工程的太阳能集 热场共设置156个集热回路、624个SCA，导热油设 计参数：压力2.5MPa，温度400℃。 4.2 经济性比较

每个集热回路由4个SCA组成，若选用旋转接 头，按每个集热回路安装20个旋转接头计算，共需 要安装3120个；若采用金属软管，按每个集热回路 安装8套金属软管及轴向活节计算，整个镜场需要 安装金属软管套组1248套。表 1为“旋转接头+焊 接钢管”方式费用情况。

由于进口金属软管在国内无代购，暂未询到价 格，因此仅以进口旋转接头初投资成本为基准，进 行如下分析：

（1）从表 1可以看出，“旋转接头+焊接钢管”方 式的初投资成本为946.3万元，共156个集热回路， 折算到每个回路的成本约为6.1万元。

表1(Table 1)

表1 “旋转接头+焊接钢管”方式费用情况

表1 “旋转接头+焊接钢管”方式费用情况

（2）采用“金属软管+活节”套组方式时，每个集 热回路需8个套组，所以如果每个套组投资小于0.7625万元，则使用金属软管较合适。 5 结语

进口旋转接头和金属软管寿命期相当，均已经 过国外众多的工程实践检验，二者均可作为大型槽 式太阳能热发电工程导热油管道的连接件。若每 套金属软管套组的投资额小于0.7625万元，则采用 “金属软管+活节”方式较合适；反之，则选用“旋转 接头+焊接钢管”方式为宜。