熔鹽閥門(mén)在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用研究

陳長(zhǎng)奔，葉顯斌，葉凱強(qiáng)，邵力平，葛耀凱

（歐維克集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325100）

0 引言

工業(yè)革命以來(lái)，傳統(tǒng)能源（煤、石油、天然氣等）消耗劇增，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，對(duì)新能源需求不斷增加，風(fēng)能、太陽(yáng)能熱發(fā)電等清潔、可再生能源具有巨大的發(fā)展前景。太陽(yáng)能熱發(fā)電是指將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過(guò)熱力循環(huán)系統(tǒng)（過(guò)程）將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電[1]。

1 太陽(yáng)能熱發(fā)電的工作原理及發(fā)展前景

目前太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)分為三大類(lèi)：1）槽式線(xiàn)聚焦系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用拋物柱面槽式反射鏡將陽(yáng)光聚焦到許多串聯(lián)、并聯(lián)組成的管狀集熱器上，使集熱器內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱升溫,并在換熱器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的系統(tǒng)[2]。美國(guó)與以色列聯(lián)合的魯茲(LUZ)公司于1980年開(kāi)始開(kāi)發(fā)此類(lèi)熱發(fā)電系統(tǒng)。2）塔式系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用許多臺(tái)大型太陽(yáng)能反射鏡（定日鏡），這些反射鏡能夠獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)照射的方向, 將陽(yáng)光聚焦到一個(gè)固定在塔頂部的接收器上用以加熱工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。1992年,美國(guó)在加州南部建成第一座用于示范熔鹽接收器和蓄熱裝置。3）碟式系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用拋物面反射鏡, 把熱能聚焦到拋物面焦點(diǎn)上的聚光集熱器,集熱器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱,將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。1991年美國(guó)Cummi公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)商用的7 kW碟式發(fā)電系統(tǒng)。

隨著全球太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目發(fā)展得如火如荼，國(guó)內(nèi)也有一批太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)成功投入開(kāi)工建設(shè)或運(yùn)營(yíng)中。南京江寧區(qū)70 kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)工程是國(guó)內(nèi)最早的太陽(yáng)能熱發(fā)電示范電站，2005年建成并成功發(fā)電；中國(guó)首航光熱敦煌塔式電站項(xiàng)目是我國(guó)首座規(guī)模化熔鹽儲(chǔ)熱能光熱電站，亦是亞洲首座全天候熔鹽塔式光熱發(fā)電站，該電站2014年8月開(kāi)工，2016年9月成功并網(wǎng)發(fā)電。在全球不可再生能源日趨枯竭、低碳減排大環(huán)境下，國(guó)家能源局于2016年9月印發(fā)《關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，確定第一批20個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，其中包括9個(gè)塔式電站、7個(gè)槽式電站和4個(gè)碟式電站[3]。

2 熔鹽閥門(mén)在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用

熔鹽是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中常用的傳熱工質(zhì)之一，可以通過(guò)白天的光照加熱熔鹽介質(zhì)，利用熔鹽材料潛熱蓄熱無(wú)相變的特性把熱能儲(chǔ)存起來(lái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光伏發(fā)電（由光能直接轉(zhuǎn)化為電能）在夜間、陰雨天不能發(fā)電的缺陷，可成功實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)發(fā)電、調(diào)峰發(fā)電，提高了電力供應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性。

太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)中常見(jiàn)的熔鹽使用溫度范圍為230～600 ℃；熔鹽在初期加溫時(shí)會(huì)釋放水蒸氣，硝酸鹽類(lèi)熔鹽（吸水性強(qiáng)的硝酸鹽混合物）在水蒸氣相互作用下產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕性；亞硝酸鈉、硝酸鈉和硝酸鉀具有毒性；熔鹽容易凝固凍堵管路，造成閥門(mén)卡澀或卡死，閥門(mén)無(wú)法啟閉。由于熔鹽介質(zhì)具有以上的特殊性，熔鹽閥門(mén)的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造具有一定技術(shù)難度，再加上此前國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電市場(chǎng)始終未能興起，熔鹽閥門(mén)一直都被海外企業(yè)壟斷。近些年，隨著太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)及完工投產(chǎn)，光熱設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度越來(lái)越快，先后開(kāi)發(fā)出Y型防殘留高溫熔鹽閥、高溫熔鹽調(diào)節(jié)閥、高溫熔鹽安全閥、熔鹽儀表閥、高溫熔鹽關(guān)斷閥（高溫熔鹽截止閥、高溫熔鹽蝶閥、高溫熔鹽球閥）等一系列熔鹽閥門(mén)（如圖1）。從閥門(mén)結(jié)構(gòu)來(lái)看，熔鹽閥不是一個(gè)專(zhuān)用的閥門(mén)類(lèi)別，常規(guī)熔鹽閥大致分為調(diào)節(jié)閥、蝶閥、截止閥、球閥、安全閥和儀表等，熔鹽閥門(mén)的選型往往根據(jù)工況的要求，如閥門(mén)的功能選擇、工況的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力、管道安裝空間等因素。

圖1 高溫熔鹽安全閥、高溫熔鹽波紋管截止閥、高溫熔鹽蝶閥

熔鹽閥門(mén)作為光熱電站中的關(guān)鍵設(shè)備，要在復(fù)雜工況下正常運(yùn)行，并確保整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，必須避免閥門(mén)泄漏、介質(zhì)滯留、啟閉卡澀及腐蝕等問(wèn)題，因此對(duì)高溫熔鹽閥的質(zhì)量提出了非常高的要求：

1）針對(duì)熔鹽介質(zhì)具有較強(qiáng)的腐蝕性和高溫工況，閥門(mén)材料的選擇必須滿(mǎn)足耐高溫要求和具備相應(yīng)的耐腐蝕性能；

2）因工況長(zhǎng)期處于高溫、常溫交替變換，閥門(mén)所有的外泄漏點(diǎn)密封件須考慮耐高溫性能，所需的緊固件應(yīng)采用重型碟簧預(yù)緊，確保閥門(mén)的使用安全可靠性；

3）針對(duì)熔鹽介質(zhì)的毒性，閥桿位置多采用波紋管密封，更應(yīng)考慮閥桿動(dòng)密封處的低泄漏要求，確保閥門(mén)在工藝裝置中的運(yùn)行安全和可靠性；

4）因熔鹽工況為高溫，閥門(mén)的密封件選擇成為重中之重，常規(guī)高溫閥門(mén)一般采用石墨材料作為密封件，但熔鹽介質(zhì)易與石墨產(chǎn)生氧化反應(yīng)而造成密封點(diǎn)泄漏，因此閥門(mén)密封材料需要選用非石墨類(lèi)密封件；

5）熔鹽做為傳熱工質(zhì)，在工藝系統(tǒng)中需保持必要的流動(dòng)性，因此在閥門(mén)的結(jié)構(gòu)選擇上，應(yīng)考慮防止因閥門(mén)結(jié)構(gòu)原因存在死角，閥門(mén)流阻大即意味著能源的損失，作為流通能力好的閥類(lèi)（流阻?。└鼮檫m合熔鹽工況；

6）針對(duì)熔鹽介質(zhì)容易凝固及凍堵管路，須考慮閥門(mén)密封面具備足夠的硬度，防止結(jié)晶狀態(tài)的熔鹽對(duì)密封面造成損害，閥門(mén)通常情況都采用保溫夾套處理，更應(yīng)針對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)提供全套的伴熱系統(tǒng)來(lái)保證閥門(mén)的使用穩(wěn)定性和使用壽命；

7）閥門(mén)的啟閉件應(yīng)采用耐高溫、耐腐蝕、高力學(xué)性能的合金材料，當(dāng)閥門(mén)工況異常時(shí)，啟閉件不會(huì)受工況影響發(fā)生彎曲、扭曲、斷裂等現(xiàn)象，造成閥門(mén)無(wú)法啟閉或不可挽回的損壞；

8）熔鹽閥的伴熱系統(tǒng)、傳感器及智能控制系統(tǒng)應(yīng)具備足夠高的靈敏檢測(cè)性能和及時(shí)反饋等功能，當(dāng)閥門(mén)運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)定數(shù)值或閥門(mén)工作異常時(shí)，控制系統(tǒng)能及時(shí)接收傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)，并根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送動(dòng)作指令，使閥門(mén)具備良好的工作狀態(tài)和熔鹽工質(zhì)合適的運(yùn)行溫度，保障閥門(mén)的正常啟閉。

3 熔鹽閥門(mén)常見(jiàn)故障及處理方案

熔鹽閥門(mén)作為一種新型閥類(lèi)，在國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電站中缺少相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站所使用介質(zhì)的特殊性，使得熔鹽閥門(mén)面臨許多新的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)近幾年熔鹽閥門(mén)的維護(hù)與維修所遇到的故障，熔鹽閥門(mén)常見(jiàn)的故障有以下幾種。

1）閥門(mén)內(nèi)漏。閥門(mén)內(nèi)漏是閥門(mén)最常見(jiàn)的故障，通過(guò)拆解閥門(mén)進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)密封面存在汽蝕、沖刷及細(xì)劃痕等情況（如圖2）。分析造成閥門(mén)內(nèi)漏的原因主要為以下2點(diǎn)：a.熔鹽介質(zhì)長(zhǎng)期通過(guò)閥門(mén)內(nèi)腔或流道，介質(zhì)在壓力的作用下長(zhǎng)期對(duì)密封副進(jìn)行沖擊，極易對(duì)密封面造成汽蝕和沖蝕等傷害，造成閥門(mén)密封面泄漏；b.熔鹽冷凝固后以晶粒和顆粒狀態(tài)附在密封面上，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)密封面上殘留的顆粒造成密封面劃傷或損傷，閥門(mén)密封面泄漏。針對(duì)以上情況，一般可采用在閥門(mén)密封副堆焊或噴焊硬質(zhì)合金，甚至密封件直接使用特殊合金或其他非合金材料以提高密封副的硬度，增加密封面的抗沖蝕性和耐磨性，提高閥門(mén)的使用壽命。

圖2 密封副被沖蝕

2）閥門(mén)外漏（如圖3）。通過(guò)檢查螺紋擰緊情況并拆解閥門(mén)進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)緊固件螺栓未擰緊，密封用波紋管存在外力擠壓性損壞，波紋管和閥桿焊接焊縫存在腐蝕等情況。分析造成閥門(mén)外漏的原因主要為以下3點(diǎn)：a.閥門(mén)長(zhǎng)期處于高低溫交替工況，緊固件預(yù)緊力受工況影響發(fā)生松動(dòng)或預(yù)緊力變小，使閥門(mén)中法蘭處密封失效，產(chǎn)生外漏；b.對(duì)于閥桿波紋管密封的閥門(mén)，波紋管長(zhǎng)時(shí)間頻繁啟閉受到破壞（如圖4），會(huì)造成閥桿外泄漏；c.對(duì)于高溫填料密封的閥門(mén)，閥桿經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的啟閉，閥桿和填料密封會(huì)松動(dòng)，造成閥桿處泄漏。針對(duì)以上情況，一般推薦中法蘭連接螺栓采用重型碟簧加載，閥桿填料密封處亦采用重型碟簧加載的預(yù)緊式結(jié)構(gòu)，給密封件提供密封的預(yù)緊力保證閥門(mén)各外泄漏點(diǎn)的密封性能和使用可靠性，應(yīng)定期預(yù)緊所有緊固件部位的螺母，防止螺母松動(dòng)或螺栓高溫形變拉長(zhǎng)；波紋管閥門(mén)可以改進(jìn)波紋管設(shè)計(jì)參數(shù)和波紋管結(jié)構(gòu)，改進(jìn)波紋管與閥桿焊接處的焊接工藝，優(yōu)化閥門(mén)的伴熱系統(tǒng)，避免波紋管受凝固熔鹽的影響而損壞，提高閥門(mén)使用穩(wěn)定性和使用壽命。

圖3 熔鹽外泄漏

圖4 波紋管損壞及閥桿扭曲、彎曲

3）閥門(mén)無(wú)法正常啟閉。通過(guò)拆解閥門(mén)進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)閥桿嚴(yán)重扭曲、彎曲或斷裂（如圖4），閥桿腔存在固態(tài)熔鹽晶體堆積等情況。分析造成閥桿嚴(yán)重扭曲或斷裂主要為以下2點(diǎn)：a.對(duì)于角行程閥門(mén)，受溫度過(guò)高或介質(zhì)凝固等影響，閥門(mén)的啟閉轉(zhuǎn)矩大大增加，甚至閥門(mén)直接處于卡澀狀態(tài)而無(wú)法啟閉，當(dāng)閥桿的實(shí)際扭應(yīng)力超出閥桿最大許用扭應(yīng)力時(shí)，造成閥桿嚴(yán)重扭曲或無(wú)法正常啟閉。b.對(duì)于直行程閥門(mén)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型時(shí)往往會(huì)考慮閥門(mén)工況因素選擇一個(gè)較大的安全系數(shù)，當(dāng)輸出力矩過(guò)大，而閥門(mén)卻已處于關(guān)閉位置，執(zhí)行器的輸出力將持續(xù)作用于閥桿，閥桿定位結(jié)構(gòu)若設(shè)計(jì)不合理或定位開(kāi)關(guān)失效時(shí)，會(huì)造成閥桿彎曲；受溫度過(guò)高或介質(zhì)凝固等影響，閥門(mén)啟閉件處于脹死或卡死狀態(tài)時(shí)閥門(mén)無(wú)法正常啟閉，當(dāng)閥桿開(kāi)啟時(shí)，閥桿的拉應(yīng)力無(wú)法承受執(zhí)行器的拉力時(shí)，閥桿被拉斷。針對(duì)以上情況，推薦閥門(mén)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮閥門(mén)處于高溫狀態(tài)和閥門(mén)啟閉件因熱膨脹而卡澀或脹死，閥門(mén)的啟閉件應(yīng)選用力學(xué)性能好、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小的高性能合金材料；優(yōu)化閥門(mén)的伴熱系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工況異常時(shí)，能及時(shí)對(duì)收集的工況參數(shù)進(jìn)行分析，并根據(jù)參數(shù)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號(hào)，控制伴熱系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，避免介質(zhì)處于晶體狀態(tài)，保證閥桿處于正常的工作溫度和工作狀態(tài)。

4）閥門(mén)開(kāi)關(guān)定位存在偏差。閥門(mén)使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)碰到閥門(mén)的開(kāi)關(guān)定位器出現(xiàn)定位信號(hào)錯(cuò)誤或定位不準(zhǔn)，甚至定位開(kāi)關(guān)失效等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)閥門(mén)定位機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分定位機(jī)構(gòu)存在松動(dòng)，部分定位器存在工作失效等情況。建議在閥門(mén)包裝、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中做好對(duì)閥門(mén)整機(jī)的防護(hù)，減少外部因素對(duì)閥門(mén)整機(jī)造成的影響；應(yīng)定期對(duì)開(kāi)關(guān)定位器及其配件（附件）的緊固件進(jìn)行預(yù)緊，防止配件（附件）長(zhǎng)時(shí)間承受管路系統(tǒng)振動(dòng)而造成螺母松動(dòng)，以至于閥門(mén)的定位存在偏差；對(duì)閥門(mén)上的配件（附件）應(yīng)進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，及時(shí)更換故障的配件（附件）。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電站項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，熔鹽閥門(mén)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度將越來(lái)越快，熔鹽閥門(mén)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)將會(huì)逐漸積累，熔鹽閥門(mén)的商業(yè)化應(yīng)用將會(huì)越加成熟。隨著傳統(tǒng)能源消耗劇增，生態(tài)環(huán)境不斷惡化，太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目具有非常巨大的市場(chǎng)前景，熔鹽閥門(mén)作為光熱電站中的關(guān)鍵設(shè)備，具有廣闊的發(fā)展前景。