塔式光熱發電熔鹽儲換熱及熔鹽調節閥淺談

董偉 王滿意

摘 ?要：塔式光熱發電吸熱儲熱換熱過程（以魯能海西50MW光熱項目為例）是利用冷熔鹽泵將290℃的冷熔鹽從冷熔鹽罐中抽出，再打到高度約188m的吸熱塔頂的吸熱器位置，吸熱器聚集了定日鏡場4400面定日鏡所反射的太陽能，吸熱器部位的冷熔鹽被太陽能加熱到565℃，然后在重力作用下流回到熱熔鹽罐中，再通過熱熔鹽泵將被加熱的熔鹽抽到旁邊的蒸汽發生器系統，熱熔鹽經過與液態水發生熱交換，最終，液態水轉化為高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電系統發電。在日落時，將整個管路中的熔鹽回收至熔鹽罐;在次日系統重新運行時，通過熔鹽管道上環繞電阻絲先對整個管道進行預熱，達到預定溫度后才充入熔鹽。該文從塔式光熱發電熔鹽儲換熱和熔鹽調節閥的選擇兩個方面展開論述。

關鍵詞：塔式光熱發電 ?熔鹽儲換熱 ?熔鹽調節閥 ?研究

中圖分類號：TQ02 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）12（b）-0079-02

1 ?光熱發電儲熱和高效傳熱介質

1.1 熔融鹽概述

熔融鹽也稱為熔鹽，通常指無機鹽的熔融體，是陰陽離子組成的在高溫下呈液態的無機化合物。廣義的熔融鹽包括氧化物熔體及熔融有機物，從構成上可分為二元熔鹽和多元組合熔鹽，從使用溫度上可分為低溫熔鹽、中溫熔鹽、高溫熔鹽。通過多數專家學者研究和在光熱項目中的實踐證明，熔融鹽是最佳的高溫傳熱儲熱介質，熔融鹽在液態下表現出優異的性能，例如儲熱密度大、傳熱性能好、蒸汽壓低、經濟性高、放熱工況穩定、安全性高、壽命長、易調節等，同時還具備溶解核燃料、金屬等不同材料的能力。

1.2 高效傳熱介質

在光熱發電系統中，可作為傳熱介質的材料大致分為氣體、液體、液態金屬以及熔鹽等幾類，其中氣體主要是He、CO2、水蒸氣等，液體主要是水、導熱油等，熔鹽主要是二元熔鹽（40%KNO3+60%KNO3），三元熔鹽HTS（7% NaNO3+53%KNO3+40%NaNO2）等。

以上各種傳熱介質中，水和水蒸氣最為經濟方便，可以直接帶動汽輪機發電，無需和其他介質進行熱交換，但是，水和水蒸氣形成的系統壓力大（10MPa以上），且蒸汽傳熱能力較差。

導熱油在常溫下以液態形式存在，可想而知，它的最大優勢在于流動性良好。有利又有弊，導熱油的價格十分昂貴，不適宜于大量采購、使用。

液態金屬雖然有諸多優良性能，比如良好的換熱能力、可達溫度值高、蒸汽壓也較低，但不可避免的是，與其他介質比較，它具有較強腐蝕性強，如Na就極易發生泄漏，甚至爆炸事故，危及人生安全。

熔融鹽具有極佳的傳熱性能，能滿足各種使用溫度，且價格低，可滿足大批量采購、使用。另外，熔融鹽安全性較高，若發生泄漏，一般不會造成事故。唯一的不足之處是在流動傳熱過程中容易凝固，從而導致管道堵塞。

綜上所述，經全面分析比較，熔融鹽是太陽能傳熱領域最合適的一種傳熱、儲熱介質，應用價值極高。

2 ?熔鹽調節閥的選擇

50MW的機組塔高一般在180～200m，被加熱到565℃的熔鹽通過下降管回到熔鹽熱罐。通過在熔鹽進熱熔鹽罐的管路中安裝熔鹽調節閥來控制熔鹽進罐的速率、壓力及流量。而這些熔鹽調節閥位置往往壓差比較高，過高的壓差會導致熔鹽流速過快，過快的熔鹽流速必然帶來嚴重的問題，如振動、沖刷汽蝕、噪聲等。因此，選擇優良性能的熔鹽調節閥顯得尤為重要。

以下是幾種熔鹽調節閥的結構及性能對比。

2.1 單座式調節閥

單座式調節閥閥體內設計有兩大部件，分別為閥芯和閥座，其特點在于：泄漏量小。但該閥不平衡力大，其允許壓差較小，在高壓差、大口徑情況下不宜使用。

2.2 串級式調節閥

串級式調節閥多級降壓結構最大的優勢是可以防止空化現象的出現。它的原理是：把原來的一個整體的截留區域劃分成多個節流區域，而這多個節流區域相互串聯在一起，壓力一級一級地降低，能有效地控制熔鹽壓力，使每一級的降壓值都高于飽和蒸汽壓，這樣就不會出現空化現象。其特點在于：在使用過程中可以有效降低每一級節流口的壓力;由于流動阻力低，可以應用于流體清潔度不高的場合;串級式調節閥制造工藝不復雜，成本投入較低;但串級式調節閥不適宜于流體壓差過高，流體流速過快的情況，因為受自身特點制約，其降壓級數無法設計得過多，至多僅為3～4級。

2.3 多層套筒式調節閥

多層套筒式調節閥與其他形式調節閥明顯不同的地方在于其典型結構特征是閥芯部分節流件由無數套筒構成，套筒設計有多層，每層套筒上開有小孔。流體從每層套筒的間隙流過，其結果是流體壓力一步步得到有效緩沖。其特點在于：較之串級式調節閥，多級套筒式調節閥降壓級數可以設計制作得較多，故而降壓能力比串級式強;多層套筒式調節閥不僅能滿足熔鹽高壓降、快流速、大流量的要求，而且能能允許固液兩相流的流動;熔鹽在流經調節閥時，其主要工作區域在套筒中心區域，不直接對閥門金屬表面產生沖擊;抗噪聲、抗振動性能、抗汽蝕性能良好;但套筒加工過程比較復雜，需投入較高成本。

2.4 創新迷宮式調節閥

創新迷宮式調節閥其核心節流部分的重要組件就是多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片。當流體在流經迷宮流道時，迂回轉折，因而能量能得到消耗。在此過程中，流體不僅得到逐級降壓，而且流體流速也被控制在合理的范圍之內。多級套筒式調節閥之所以可以勝任高壓差的場合，是因為它的降壓級數可以設計得較大，一般可達十幾到二十幾級。其特點在于：多級拐彎迷宮式流道可以靈活自如地控制流體流速，防止空化、汽蝕沖刷、噪聲及振動等不良現象的發生;不難看出，迷宮流道有多少道拐彎，它就有多少級降壓級數，由于流道可以制造得相當多，所以它的降壓能力是非常強的;創新迷宮式調節閥安裝與維護比較簡便，盤片易更換;迷宮式流道可以針對不同流體介質進行改進，迷宮流道不易發生堵塞。但迷宮式盤片制造精度要求很高。

從以上幾種調節閥進行比較，可以看出單座式調節閥與串級式多級降壓不適應光熱發電特殊位置的基本要求。多層套筒式調節閥使用時間過久會出現小范圍的汽蝕和較嚴重的沖刷現象。創新迷宮式調節閥基本上不會出現震動，再通過對流道進行改進后，加上有效的伴熱措施，不易產生堵塞，同時保證了長期運行閥后進罐的壓力保持在可靠的范圍之內。

3 ?結語

光熱發電是一種清潔無污染的太陽能發電技術，而我國對光熱發電技術的研究和應用還處于起步階段，有巨大的發展空間。塔式光熱發電是所有光熱發電技術中相對比較成熟的一種方式，隨著我國科學技術、能源形勢和生態環境的發展，塔式光熱發電關鍵技術也必然會得到更大的突破。

通過上文論述，我們認為創新迷宮式調節閥性能優越，是冷熔鹽上塔與熱熔鹽回到熱熔鹽罐管路中所需熔鹽調節閥的首選。調節閥在各個位置的不同所產生的作用也是不同的，設計單位在選型的時候應該根據該閥在所在的位置所起的作用進行選型，調節閥廠家設計時除了考慮設計單位提出的參數外，還應該著重考慮熔鹽的最大飽和蒸氣壓，才能生產出合格的熔鹽調節閥。

參考文獻

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