GBT 40703-2021 太阳能中温工业热利用系统设计规范

太阳能中温工业热利用系统设计规范2021-10-11发布2022-05-01实施I前言 2规范性引用文件 3术语和定义 4系统组成 5基本规定 6系统设计用参数 37能量需求分析 8太阳能集热系统 8.1一般规定 38.2集热器面积计算 48.3太阳能集热系统布置 48.4膨胀罐 8.5缓冲罐 58.6储油罐 8.7油气分离器 69蓄热系统 9.1一般规定 9.2蓄热介质 9.3蓄热装置 610供热系统 610.1一般规定 10.2蒸汽发生器 10.3辅助能源设备 11电气与控制系统 711.1一般规定 11.2控制子系统 711.3监测子系统 811.4电气安全防护 12通用设备 12.1循环泵 12.2传热工质 12.3换热器 12.4水处理设备 12.5管路和阀门 ⅡGB/T40703—202113系统安全防护 附录A(资料性)不同工业过程典型工艺温度 附录B(资料性)集热器选型推荐 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国太阳能标准化技术委员会(SAC/TC402)提出并归口。本文件起草单位：山东力诺瑞特新能源有限公司、中国标准化研究院、中国建筑科学研究院有限公司、建科环能科技有限公司、上海交通大学、山东省产品质量检验研究院、湖北省产品质量监督检验研究院、中国科学院电工研究所、中国科学院工程热物理研究所、成都博昱新能源有限公司、桑普能源科技有限公司、山东奇威特太阳能科技有限公司、北京建筑材料检验研究院有限公司、山东京普太阳能科技股份有限公司、广东五星太阳能股份有限公司。1太阳能中温工业热利用系统设计规范本文件规定了太阳能中温工业热利用系统(以下简称“系统”)的系统组成、设计用参数、能量需求分本文件适用于以液体为传热工质，集热温度大于100℃、小于250℃,为工业过程用热提供热能的太阳能系统。提供民用过程用热的太阳能中温热利用系统可参照本文件执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T150.1压力容器第1部分：通用要求GB/T151热交换器GB/T1576工业锅炉水质GB/T3797电气控制设备GB/T12936太阳能热利用术语GB/T16895.21低压电气装置第4-41部分：安全防护电击防护GB/T18713太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T20095太阳热水系统性能评定规范GB/T29724太阳能热水系统能量监测GB/T40517太阳能中低温蓄热装置GB50016建筑设计防火规范GB50057建筑物防雷设计规范GB50303建筑电气工程施工质量验收规范GB50364民用建筑太阳能热水系统应用技术标准GB50974消防给水及消火栓系统技术规范GB51348民用建筑电气设计标准SY/T0515油气分离器规范SY/T0524导热油加热炉系统规范ISO9488太阳能词汇(Solarenergy—Vocabulary)3术语和定义GB/T12936,GB/T18713和ISO9488界定的以及下列术语和定义适用于本文件。太阳能集热温度大于100℃、小于250℃,为工业生产过程提供热能的系统。注：系统由太阳能集热系统、蓄热系统、供热系统、电气与控制系统组成。2工作温度operatingtemperature系统在正常运行条件下可以稳定工作的温度。最高工作温度maximumoperatingtemperature系统在正常运行条件下可以达到的最高温度。油气分离器oil-gasseparator在系统运行过程中将有机热载体液体与气体分开的设备。4系统组成系统由太阳能集热系统、供热系统、蓄热系统、电气与控制系统组成，如图1所示。太阳能集热系统供热系统蓄热系统电气与控制系统标引序号说明：2——油气分离器；3——膨胀罐；4——缓冲罐；5——集热循环泵；6——储油箱；7——换热循环泵；8——换热器；10——供热换热器；11——辅助能源设备；12——蓄热装置；13——蓄热循环泵；14——软化水装置；15——电气与控制系统。图1太阳能中温工业热利用系统组成示意5基本规定5.1系统设计前应结合拟建设区域的太阳能资源、地理条件、气象数据、常规能源资源及价格等因素进行技术可行性和经济适用性分析。5.2系统设计应综合考虑场地规划、环境生态、用户需求、负荷大小等因素。5.3系统形式、关键设备及控制方案的设计应与工业过程的需求和工艺特点相结合。3GB/T40703—20215.4系统的场地选择应避免集热器受到周围烟气、粉尘污染和建筑物的遮挡。5.5系统应在满足工业过程用热需求的前提下实现最小的常规能源消耗。5.6系统设计寿命不应低于15年。6系统设计用参数6.1系统设计用气象参数应选用当地近10年的太阳总辐照量、太阳直射辐照量、环境温度、风速、风向等气象数据为计算依据，如当地气象数据缺失，可取临近站点的气象数据。6.2系统安全防护设计应根据统计年份不少于10年的气象参数及信息设计，气象参数及信息包括：a)年月平均气温、极端最高气温、极端最低气温；b)年平均风速、极大风速及风向、主导风向；c)无日照小时数、雷电、冰雹等灾害性统计数据。6.3用于系统设计的工业过程典型工艺温度参数见附录A。7能量需求分析7.1工业过程的能量需求包括用热的形式，总用热量，以及用热的温度、压力、流量等。7.2进行能量需求分析前应明确用热工艺过程的特点和工艺技术要求。7.3使用液体供热的工业热利用系统的日用热负荷按公式(1)计算：……(1)式中：Q——日用热负荷，单位为兆焦(MJ);mw.;——第i个用热时段的平均液体体积流量，单位为立方米每秒(m³/s);c,——液体的比热容，单位为焦耳每千克摄氏度[J/(kg·℃)];p——液体的密度，单位为千克每立方米(kg/m³);△T——热水与冷水的温差或供水与回水的温差，单位为摄氏度(℃);r——第i个用热时段的时间间隔，单位为秒(s)。7.4使用蒸汽供热的工业热利用系统的日用热负荷按公式(2)计算：式中：Q——日用热负荷，单位为兆焦(MJ);ξ——补水率，%;m——第i个用热时段的平均蒸汽质量流量，单位为千克每秒(kg/s);m.——第i个用热时段补充至系统的冷水质量流量，单位为千克每秒(kg/s);h、——蒸汽焓值，单位为焦耳每千克(J/kg);hw——回水热水比焓值，单位为焦耳每千克(J/kg);hin——补水冷水比焓值，单位为焦耳每千克(J/kg);r——第i个用热时段的时间间隔，单位为秒(s)。8太阳能集热系统8.1一般规定8.1.1太阳能集热器总面积大于700m²的集热系统宜分成若干个子系统，并设置缓冲罐。48.1.2太阳能集热器应根据终端用热要求、产品性能及特点、安装场地和气候特征等因素选型。集热器选型推荐见附录B。8.1.3跟踪型集热器支架的强度、刚度应满足聚光与跟踪精度要求。8.1.4闭式循环太阳能集热系统应设置膨胀罐，膨胀罐应符合GB/T150.1和9.4的规定。8.1.5采用导热油为传热工质的太阳能集热系统应设置油气分离器。8.2集热器面积计算8.2.1直接式系统集热器总面积按公式(3)计算：A₆——直接式系统集热器总面积，单位为平方米(m²);J当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，单位为兆焦每平方米(MJ/m²),非跟踪式系统取太阳总辐照量，跟踪式系统取直射辐照量；f——太阳能保证率，%,根据太阳能系统所在地的太阳辐照量及用户要求等因素综合确定；ηa——基于总面积的集热器年平均集热效率，%,具体取值可根据集热器产品基于总面积的瞬时效率方程实际测试结果，参照GB50364规定的方法进行计算；n.——管路及蓄热装置热损失率，%,根据经验值宜取10%～20%8.2.2间接式系统集热器总面积按公式(4)计算：Ag——直接式系统集热器总面积，单位为平方米(m²);U——集热器总热损系数，单位为瓦每平方米每摄氏度[W/(m²·℃)],具体数值应根据集热器产品实际测试结果确定，当测试的集热器效率方程为二次方程时，U宜取对应热损系数a₁Ux——换热器传热系数，单位为瓦每平方米每摄氏度[W/(m²·℃)],可根据换热器类型查询产Ahx——换热器换热面积，单位为平方米(m²),可根据换热器类型查询产品样本得出。8.3太阳能集热系统布置8.3.2太阳能集热系统管路布置应满足集热器检修和维护的要求。8.3.3太阳能集热器可通过并联、串联和串并联的方式连接成集热器阵列，集热器阵列间的管路连接宜按同程原则设计；当采用异程连接时，应在每个集热器阵列的支路上安装平衡阀调节流量。8.3.4非跟踪式太阳能集热系统的集热器朝向宜为南向；全年使用的太阳能集热系统，集热器安装倾角宜与当地纬度一致；侧重于夏季使用的太阳能集热系统，集热器安装倾角宜为当地纬度减10°;侧重于冬季使用的太阳能集热系统，集热器安装倾角宜为当地纬度加10°。8.3.5跟踪式太阳能集热系统全年使用或侧重于夏季使用时，集热器宜平行于经线方向安装；侧重于8.3.6非跟踪式集热器阵列的集热器前后排间距，根据太阳能集热器系统侧重全年使用、冬季使用、夏5GB/T40703—2021季使用等条件，确定最不利的遮挡日期，按公式(5)计算：D——集热器与前方遮光物或集热器前后排之间的最小距离，单位为米(m);H——集热器最高点与集热器最低点的垂直距离，单位为米(m);a、——太阳高度角，单位为度(°),对于季节性使用的太阳能集热系统，宜取当地春秋分正午12时的太阳高度角；对于全年性使用的太阳能集热系统，宜取当地冬至日正午12时的太阳高8.3.7非跟踪式集热器阵列应根据集热器性能和流动阻力确定每组集热器的数量。8.3.8跟踪式集热器的布置按下列要求进行：a)菲涅耳和槽式集热器的安装位置应确保集热器反光面上的日照时数不少于4h;b)相邻集热器的间距应根据地理纬度、直射辐射量、几何聚光比、可利用的土地面积、集热器的开口尺寸、追踪角度等因素确定；c)槽式集热器相邻两排的间距应按公式(5)计算。8.3.9跟踪式集热器回路宜沿分区内的循环工质冷、热母管对称布置。8.4膨胀罐8.4.1膨胀罐应满足系统温度、压力和防腐的要求。8.4.2闭式膨胀罐应设置安全泄压装置，容积按公式(6)计算：V。——膨胀罐的总容积，单位为立方米(m³);P₁——加热前系统内传热工质的密度，单位为千克每立方米(kg/m²);p₂——加热后系统内传热工质的密度，单位为千克每立方米(kg/m²);p₁——膨胀罐处管内水压力，单位为兆帕(MPa),具体取值为管内工作压力加0.1MPa;p₂——膨胀罐处管内最大允许压力或系统运行的最高压力，单位为兆帕(MPa);V、——系统内传热工质总容积，单位为立方米(m³)。8.4.3开式系统膨胀罐的容积不应小于系统传热工质在太阳能集热工作温度下因热受膨胀所增加容积的1.3倍。8.4.4采用导热油作为传热工质的系统，膨胀罐还应满足下列要求：a)正常运行时，膨胀罐的气相空间应与空气隔绝；b)膨胀罐溢流管的管径应不小于膨胀管管径；c)膨胀罐应设有液位显示装置、高/低液位报警系统；d)膨胀罐的设计压力应不低于系统内最高压力的1.2倍；e)膨胀罐底部与系统所有设备或管道的最高点应高出至少0.5m;f)膨胀罐上应安装压力表和安全阀，系统中应至少有一个膨胀管与膨胀罐相连，膨胀管上不应装阀门。8.5缓冲罐8.5.1缓冲罐应满足系统温度、压力和防腐的要求。8.5.2缓冲罐应设计在集热器阵列出口位置。6GB/T40703—20218.5.3缓冲罐的容量可根据集热循环泵额定流量按1min～3min缓冲时间的总循环量确定。8.6储油罐8.6.1采用导热油为传热工质的系统应设置储油罐，储油罐应满足系统的温度、压力和防腐的要求。8.6.2储油罐的容量不应少于整个系统导热油量的1.2倍。8.6.3储油罐应安装在系统中最低的位置。8.6.4储油罐的设计压力不应低于0.2MPa。8.6.5储油罐宜设置人孔、导热油注入口、导热油排出口、排污口、放空口、安全阀口、温度计口、液面计口。8.6.6储油罐宜设置连接至膨胀罐注油口的循环回路。8.7油气分离器8.7.1油气分离器应满足系统的温度、压力和防腐的要求。8.7.2油气分离器应设置在循环泵的吸入侧，采用切向侧进液、下部出液、上部排气的连接方式。8.7.3油气分离器上部连接的膨胀管转弯时，弯角应不小于120°。8.7.4油气分离器的外形尺寸应符合SY/T0515的要求，筒身长度和直径的最小比值为3.0。9蓄热系统9.1一般规定9.1.1蓄热系统应根据系统性能、蓄热量、蓄热周期、蓄热温度、太阳能保证率等进行设计。9.1.2蓄热介质和蓄热装置应具有相容性，采用流体蓄热材料时，蓄热系统应有防漏防渗措施。9.1.3蓄热系统应采取绝热保温、防凝设施，应设置蓄热介质泄漏防护和疏放设施。9.2蓄热介质9.2.1蓄热介质的选取应遵循如下原则：a)比热容大；b)具有较好的热稳定性和化学稳定性；c)导热系数和/或对流换热系数大；d)使用温度范围适当；e)热膨胀系数小；f)黏度低。9.2.2相变材料的相变温度应与系统工作温度相匹配，实际相变温度与标称相变温度的偏差不应大于9.2.3相变材料反复相变循环标称次后应无明显的相分离，且相变潜热衰减率不应大于10%。9.3蓄热装置9.3.1有效容积大于0.6m³的储热水箱应符合GB/T20095和GB/T18713的有关规定。9.3.2蓄热装置应满足GB/T40517的要求。10供热系统10.1.1供热系统的设计应根据能源利用效率确定合理的供热形式，采用直接供热或预热供热的方式。710.1.2供热系统应满足工业过程用热的连续性和稳定性以及用热的温度、压力、流量等的要求。10.1.3与辅助能源结合的供热系统应满足辅助设备的运行要求，且不应影响整个系统的供热。10.1.4供热系统不应对工艺造成污染，并应设置安全防护措施和检测手段。10.2蒸汽发生器10.2.1蒸汽发生器的额定蒸发量应满足系统供热量的需求。10.2.2蒸汽发生器应配置蒸汽包。10.2.3蒸汽发生器应设置安全阀，安全阀出口引管应采用钢管连接至安全的位置，不应对人体、设备和环境造成安全隐患。10.2.4蒸汽发生器的蒸汽出口管道设有关断阀时，应设置泄压旁路装置。10.2.5蒸汽发生器宜靠近用热终端。10.3辅助能源设备10.3.1辅助能源设备的功率应按无太阳能供热时工业过程日用热负荷确定。10.3.2辅助能源设备应考虑能源供应问题，因地制宜进行选择。10.3.3太阳能集热系统与辅助能源设备应采用合理高效的结合供热方式，可分别独立运行，采用自动控制方案。10.3.4辅助能源设备宜靠近用热终端布置。11电气与控制系统11.1一般规定11.1.1系统供配电设计、备用电源、低压配电、配电线路布线、电气装置接地等应符合GB51348的规定。11.1.2电气控制设备应符合GB/T3797的有关规定。11.1.3电气与控制系统应满足集热系统运行控制、安全防护，辅助热源与储热系统切换、循环泵启停、系统故障报警、停电应急控制等要求，并应具有手动和自动模式。11.1.4电气与控制系统宜采用集中控制，宜预留通信接口，远程控制时，应有就地控制和解除远程控制的措施。11.1.5电气与控制系统设计应满足使用环境的温度与湿度要求。11.1.6电气与控制系统应设置备用电源。11.2控制子系统11.2.1控制子系统设计应包含下列内容：a)监测和控制点表；b)控制器、传感器、执行器和线缆的选型、位置以及安装要求；c)电控调节阀的选型和流通能力计算；d)控制点参数设计值和工况转换边界条件；e)控制逻辑和策略；f)系统的防冻报警和自动保护；g)通信接口应采用标准通信协议。阀、泄水阀、自动排气阀、止回阀、安全阀等控制元件性能应符合相关产品标准要求。811.2.3采用温差循环运行控制的太阳能集热系统，温差循环的启动值与停止值应可调，温差循环控制的测温点应在缓冲罐的下部；集热器阵列的温度宜进行多点采集。11.2.4控制子系统传感器精度应符合工业过程控制和计量的精度要求。当工业过程控制和计量的无精度要求时，应符合表1中的规定：表1控制子系统传感器精度要求仪表准确度/测量误差总辐射表一级直射辐照表一级温度传感器风速仪流量传感器压力传感器压力表液位传感器热量表二级电能表士1.0%水表11.2.5控制子系统的安全保护控制功能设计按下列规定进行：a)采用水为传热工质的太阳能集热系统，在有冬季冻结可能时，宜采用排空防冻、定温循环防冻方式；定温循环防冻的温度传感器应设置在太阳能集热系统温度最低点，防冻开启温度宜设置为4℃,防冻关闭温度宜设置为8℃,且均应可调；b)采用防冻液为循环工质的太阳能集热系统应设置防过热措施，可采用配置散热器、集热器遮盖、排空等方式；菲涅耳、槽式等高倍聚光的跟踪式太阳能集热系统，可通过散焦的方式实现防过热保护；c)防过热温度传感器应设置在储热装置上部、集热系统出口，防过热执行参数的设定范围应与系统运行工况和部件耐热能力相匹配；d)系统应安装防过热安全阀，防过热安全阀设定的开启压力应与系统最高工作温度对应的饱和蒸汽压力一致，其安装位置应保证泄压时排出的高温蒸汽、高温热水不危及周围人员；e)在停电情况下应自动启动备用电源保证防冻和过热措施有效运行。11.2.6以导热油为传热工质的系统应设置运行异常报警，包括集热器温度异常、膨胀罐超温高温超压和超低液位、导热油泵超压、导热油管道破损、蒸汽发生器高/低水位、蓄水箱低水位、断电等报警功能。11.3监测子系统11.3.1系统应设置运行监测子系统。监测参数应包括但不限于：c)供热温度；d)传热工质循环流量和供热量；e)系统耗电量；9f)储油箱、膨胀箱的液位；g)集热器、循环泵泵、辅助能源设备等的运行状态；h)辅助能源设备的运行参数；i)电气运行参数；j)报警防护信息及报警指示参数。11.3.2监测子系统宜设有系统节能量计算和展示的功能。11.3.3监测子系统可通过现场监测和远程监测两种方式实现。11.3.4监测子系统应设置故障报警，报警方式可选择闪烁、报警声音、短信中的一种或多种。11.3.5数据采集、数据传输和远程监测应符合GB/T29724的规定。11.4.1系统中使用的电气设备应设置短路保护和接地故障保护装置。11.4.2安装在建筑物上的太阳能集热器、支架和连接管路的防雷设计应符合GB50057的规定。11.4.3控制子系统电源干扰的防护应符合GB51348的规定。11.4.4电气与系统配电系统的电击防护应符合GB/T16895.21的规定。11.4.5电气与控制设备设施及电缆线路的施工和验收应符合GB50303的规定。12通用设备12.1循环泵12.1.1系统的循环泵应满足下列要求：a)材质与传热工质相容，不易腐蚀；b)工作温度满足系统最高工作温度，并能在规定的温度下长期稳定地运行。12.1.2以水和防冻液为传热工质的循环泵流量可参照GB50495的规定计算。12.1.3以导热油为传热工质的循环泵流量参照GB50495的规定，根据工作温度下导热油的密度和比热进行换算。12.1.4循环泵的扬程按GB50364的规定计算，选取设计流量下最不利循环管路系统的沿程阻力、局部阻力、设备内部阻力之和，并增加10%的裕量。12.1.5全年负荷变化较大的系统宜选用变频循环泵。12.2传热工质12.2.1传热工质按下列原则进行选择：b)具有较好的热稳定性和化学稳定性；d)泄漏后对环境无危害；e)沸点高于系统最高运行温度，凝点低于当地极端最低环境温度。12.2.2采用水为传热工质的系统，传热工质应为软化水或无盐水，并根据建设地区和使用条件采取必要的防冻措施。12.2.3采用防冻液作为传热工质时，防冻液应避免与大气相通而出现氧化和变质。12.2.4采用导热油为传热工质时，导热油的自燃点不应低于系统最高工作温度，闭口闪点应不低于12.3.1换热器应符合GB/T151的要求。12.3.2换热器应根据系统负荷计算结果选型。宜采用结构简单、维修清洗方便的管壳式或板式换热器。12.3.3换热器的设计应设置防垢措施或设计适当的清垢方法。12.3.4换热器导致的太阳能集热系统效率降低应不超过10%。12.3.5采用导热油为传热介质的系统，换热器导热油侧的进出口应垂直设立。12.4.1水处理设备应根据原水水质、用水水质要求、处理水量等因素选择。12.4.2与锅炉结合供热的系统应配置水处理设备。水处理设备用于为锅炉或蒸汽发生器供水时，提供的水质应符合GB/T1576的要求。12.5管路和阀门12.5.1管路和阀门应与系统传热工质、运行温度、运行压力相匹配。12.5.2管路和阀门宜采用焊接连接，采用法兰连接或丝扣连接时，应结合传热工质的特性保证密封12.5.3管路设计应根据系统温度设置热补偿措施，确定管路固定点、非固定点及伸缩接头，宜采用自然补偿。12.5.4管路应有0.3%～0.5%的坡度，并在最低处和易发生气塞的位置设置排泄阀，在最高处设置排气阀。12.5.5排空和防冻回流的系统，应在系统管路的最低点及易积存的位置设置排空阀。12.5.6与换热器连接的管路应符合下列规定：a)采用逆流方式连接；b)高温管路与换热器高处进口相连，