太陽能光熱發(fā)電用高溫熔鹽截止閥的設(shè)計(jì)

劉 智，張智博，吳玉良，曹家亮，胡世強(qiáng)，葉凱強(qiáng)

（特技閥門集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325105）

隨著近幾年來社會不斷進(jìn)步，人們對能源應(yīng)用的要求越來越高；思維不再是停留在能用就行的基礎(chǔ)上，尤其是這幾年來國家對能源的應(yīng)用提出了更高的要求。熔鹽塔式電站技術(shù)現(xiàn)在越來越受到大家關(guān)注，它的運(yùn)行溫度更高，效率更高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，被視為光熱未來大力發(fā)展的技術(shù)路線[1]。

在熔鹽光熱發(fā)電整個系統(tǒng)中，氣體、液體、液態(tài)金屬以及熔鹽等幾大類都是作為傳熱介質(zhì)的主要材料。在這幾大類當(dāng)中，較為常見的熔鹽主要是二元熔鹽和三元熔鹽，二元熔鹽的成分主要是60%NaNO3和40%KNO3，三元熔鹽的成分主要是7%NaNO3和53%KNO3以及40%NaNO2組成。綜上各類傳導(dǎo)介質(zhì)，水和水蒸氣作為氣體和液體是最為經(jīng)濟(jì)方便的，因?yàn)樗麄儫o需做其它熱交換，可直接帶動機(jī)組發(fā)電。常見的水電站發(fā)電就是最好的例子，但是在光熱發(fā)電系統(tǒng)上，流動的水動能不能隨之可取，且對于該系統(tǒng)應(yīng)用上，壓力需要增加到10MPA以上才能得以應(yīng)用。液態(tài)金屬雖然集聚有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在高溫下很容易與其他金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕，甚至爆炸，危險(xiǎn)系數(shù)高。

熔鹽和以上介質(zhì)相比，具有極佳的熱傳導(dǎo)能力，而且能滿足各種使用溫度，價(jià)格成本低廉，適合大批量采購；其次，它的安全系數(shù)高，外部泄露基本上不會造成安全事故；缺點(diǎn)就是在高達(dá)600攝氏度的溫度下，熔鹽閥門會遭受更多挑戰(zhàn)。最常見的就是。

（1）高溫熔鹽的強(qiáng)氧化性對閥門造成腐蝕的影響。

（2）填料區(qū)不能耐受高溫。

（3）防止熔鹽在221攝氏度以下凝固對閥門密封造成破壞。

（4）熔鹽性質(zhì)的不穩(wěn)定會造成閥門的腐蝕破壞，氣化過程會造成氣。

（5）高溫熔鹽是高能流密度流體，對閥門造成擾動和震動。

由于以上挑戰(zhàn)，因此應(yīng)采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對措施來保證熔鹽閥設(shè)計(jì)的可靠性。

首先，對閥門填料區(qū)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，避免接觸高溫；閥蓋密封圈采用鍍銀金屬；其次，為了防止熔鹽凝固造成的破壞，設(shè)計(jì)中引入電伴熱方案保護(hù)閥門關(guān)鍵部位，如轉(zhuǎn)接部，過熱保護(hù)，填料區(qū)加裝溫度傳感器；配合帶有熱電偶的鑄鋁加熱器；下面本文重點(diǎn)從新的熔鹽截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上講述如何規(guī)避熔鹽導(dǎo)致管道結(jié)晶堵塞密封失效的這一現(xiàn)象[2]。

1 新型光熱發(fā)電用高溫熔鹽截止閥整體結(jié)構(gòu)

1.1 主要組成部分

1閥體，2閥座（可本體堆焊），3閥芯部件（閥芯、對開環(huán)、閥瓣蓋），4體蓋密封及緊固件，5閥桿，6閥桿密封件-波紋管截止閥，7填料組件，8碟簧預(yù)載緊固件，9氣動執(zhí)行器，10手動裝置（圖1高溫熔鹽閥總體結(jié)構(gòu)圖）（圖2高溫熔鹽閥實(shí)物圖）。

圖1 高溫熔鹽閥總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 高溫熔鹽閥實(shí)物圖

1.2 現(xiàn)場工況描述

100MW的機(jī)組塔高一般在200m以上，被加熱到565℃的熔鹽通過下降管回到熔鹽熱罐。通過在熔鹽進(jìn)熱熔鹽罐的管路中安裝熔鹽閥來控制熔鹽進(jìn)罐的速率、壓力及流量。而這些熔鹽閥位置往往壓差比較高，過高的壓差會導(dǎo)致熔鹽流速過快，過快的熔鹽流速必然帶來嚴(yán)重的問題，如振動、沖刷汽蝕、噪聲等。因此，設(shè)計(jì)出優(yōu)良性能的熔鹽閥顯得尤為重要。

1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.3.1 C型圈密封設(shè)計(jì)

在閥門的閥體和閥體連接密封位置，一般以PTFE和石墨金屬墊最為常見。但是在熔鹽閥上這兩種密封一般都不被選用，PTFE密封墊片多用于常溫工況，超過200℃以后，該密封件會軟化失效；石墨金屬墊范圍相對較廣泛，但是在高溫高壓下，石墨很容易松散，逐漸隨介質(zhì)流走。C型金屬密封圈（圖3）作為近年來一種新型密封件，具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先圓形開口設(shè)計(jì)，在體蓋一定的壓力下，具有良好的彈性，接觸面同體蓋相接觸，形成線密封，所需的比壓相對較小，壽命更長。其次必要時(shí)，在C型圈密封位置采用鍍銀工藝，提高了抗汽蝕能力。

圖3 典型C型金屬密封圈

圖4 半八角環(huán)密封示意圖

1.3.2 半八角環(huán)密封設(shè)計(jì)

鑒于熔鹽介質(zhì)溫度變化范圍較大，密封要求等級高；為了進(jìn)一步保證閥體和閥蓋的密封性能，在其密封位置增設(shè)有半八角環(huán)密封，其結(jié)構(gòu)如（圖4），兩道密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保中法蘭外漏問題得到徹底解決。

1.3.3 波紋管閥桿密封設(shè)計(jì)

熔鹽閥除了中法蘭外漏點(diǎn)外，另一個外漏點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)在閥桿密封位置，因?yàn)樵陂y門開啟和關(guān)閉過程中，閥桿需要做上下運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動件之間的密封一直是難點(diǎn)。為了解決閥桿密封的問題，我們將閥桿處密封設(shè)計(jì)為波紋管密封結(jié)構(gòu)，材料選用耐高溫耐腐蝕的inconel625，其良好的彈性確保了溫差以及壓力變化下密封不受任何影響。

1.3.4 平衡套導(dǎo)向穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

高溫熔鹽閥大多數(shù)為加長結(jié)構(gòu)，為了確保加長結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，我們在閥桿和加長閥蓋內(nèi)部設(shè)置了平衡套。其作用在于：首先平衡套在閥桿和閥蓋之間起到軸套導(dǎo)向的作用，降低了閥桿擾動的幅度，間接提高了閥桿強(qiáng)度，降低開關(guān)扭矩；其次平衡套上開有小孔，該孔連通加長閥蓋內(nèi)腔和閥體內(nèi)流道，防止加長閥蓋內(nèi)部熔鹽介質(zhì)升壓或積聚對閥門性能造成影響。

1.3.5 體蓋連接碟簧預(yù)緊補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為了確保閥體和閥蓋連接處緊固件在溫度壓力大范圍變化造成的螺絲松動，我們在閥體和閥蓋連接螺栓螺母之間增設(shè)蝶形彈簧，成對裝配的蝶形彈簧能夠充分彌補(bǔ)

1.3.6 填料壓套壓蓋自定心設(shè)計(jì)

延長閥蓋的結(jié)構(gòu)，閥桿細(xì)長比更大，穩(wěn)定性更差，為了更好的規(guī)避由此造成的閥桿晃動，我們設(shè)計(jì)了填料壓套和壓蓋分離定位結(jié)構(gòu)，通過壓套和壓蓋定位臺階導(dǎo)向，確保閥桿和閥體內(nèi)腔的同軸度，既降低了扭矩，也提高了閥門的整體穩(wěn)定性。

1.3.7 填料碟簧預(yù)緊補(bǔ)償設(shè)計(jì)

熔鹽閥一般內(nèi)外溫差比較大，為了確保填料的密封性能，保證內(nèi)部介質(zhì)不外漏以及外部介質(zhì)不滲入內(nèi)腔，我們在填料壓蓋的螺栓和螺母之間增設(shè)了蝶形彈簧，彈性預(yù)緊補(bǔ)償確保了填料保持在有效密封范圍內(nèi)。

1.3.8 閥芯密封面表面硬化設(shè)計(jì)

熔鹽閥在溫度降低后，容易造成結(jié)晶并積聚在閥門內(nèi)腔，在開關(guān)過程中對密封面造成損傷。為了提高密封面的耐磨性能，我們對閥門密封面噴焊了碳化鎢，配磨后其硬度可以達(dá)到HRC60以上，使閥門密封壽命提高一倍以上。

1.3.9 氣動手動多種啟閉選擇方式設(shè)計(jì)

為了方便現(xiàn)場使用，同時(shí)也為了防止因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)出故障而導(dǎo)致閥門不能開啟的問題，我們在啟閉閥門上設(shè)計(jì)了兩種形式，手動+氣動，當(dāng)氣動執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí)，能通過手動臨時(shí)控制閥門的開啟和關(guān)閉。

1.3.10 電伴熱精確控溫設(shè)計(jì)

為了避免閥腔內(nèi)部因溫度變化導(dǎo)致的熔鹽結(jié)晶聚集等系列問題，我們在閥門多部位單獨(dú)設(shè)置了電伴熱。閥門的電伴熱和管道的電伴熱分開，并設(shè)置獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)不同位置的需求，設(shè)置不同的溫控點(diǎn)，精確控溫，徹底規(guī)避了內(nèi)部結(jié)晶問題。

1.3.11 驅(qū)動裝置過熱保護(hù)設(shè)計(jì)

由于熔鹽閥所使用的位置內(nèi)外部工況都比較特殊，我們配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是有特殊要求的，其過熱保護(hù)就是其中之一，有效防止執(zhí)行器因溫度太高而降低其調(diào)節(jié)控制精度[3]。

2 其它應(yīng)用

該閥門除了在太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的熔鹽介質(zhì)使用外，在其它任何類似的惡劣工況（降溫易導(dǎo)致結(jié)晶）下，都能平穩(wěn)運(yùn)行，尤其是類似苯等需要管道上保溫使用的工況，或者以上多種綜合運(yùn)行工況下，都能應(yīng)用，市場潛力巨大。

3 結(jié)論

目前國內(nèi)大多數(shù)的太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目上的熔鹽閥都是采用進(jìn)口，但由于其使用位置苛刻，閥門的更換頻率依然很高，而且現(xiàn)場基本上都不具備維修的條件。我公司順應(yīng)國際能源的發(fā)展趨勢，充分吸收國際領(lǐng)先技術(shù)，并結(jié)合國情，持續(xù)性投入和不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬實(shí)驗(yàn)，開發(fā)出的熔鹽系類閥門，性能穩(wěn)定，隨著國際能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，必將在市場上開創(chuàng)新的篇章。