光熱發(fā)電用熔鹽閥門的選型及應(yīng)用

王明

摘 要：熔鹽閥門作為光熱電站的重要設(shè)備之一，在整個發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)具有極其重要的作用。由于光熱電站所使用介質(zhì)的特殊性，使得光熱電站閥門面臨許多新的技術(shù)難點和挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)光熱電站閥門缺少相關(guān)的實際應(yīng)用經(jīng)驗，同時對于光熱電站的認識和了解也相對較少。

關(guān)鍵詞：電站用閥門;熔鹽;光熱電站

1.光熱發(fā)電技術(shù)特性

1.1槽式光熱電站

槽式太陽能熱發(fā)電站是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串和并聯(lián)的排列加熱導(dǎo)熱油，高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過換熱器將熱量傳輸給蒸汽，從而驅(qū)動汽輪機產(chǎn)生電力，其原理如圖1所示。由于槽式光熱電站技術(shù)成熟且可靠，目前全世界90%左右的太陽能光熱電站都是槽式電站。槽式電站的工作介質(zhì)一般為導(dǎo)熱油。由于導(dǎo)熱油高溫會發(fā)生分解，故其最高工作溫度一般限制在395℃左右，與蒸汽換熱后導(dǎo)熱油的溫度會降至295℃左右。由于導(dǎo)熱油具有易燃易爆的特點，因此對于設(shè)備的外部密封一般較為嚴格，嚴禁導(dǎo)熱油泄漏到環(huán)境中，以免發(fā)生燃燒和爆炸的風(fēng)險。為了實現(xiàn)陰雨天或夜間連續(xù)發(fā)電，槽式電站一般配有熔鹽儲熱系統(tǒng)。儲熱系統(tǒng)主要由熱罐、冷罐、熔鹽工質(zhì)和其他的一些設(shè)備組成。在白天天氣晴朗時，經(jīng)過太陽能加熱的高溫導(dǎo)熱油加熱熔鹽至385℃左右并儲存在熱鹽罐中。當(dāng)?shù)酵砩匣蛱鞖鉃殛幪鞎r，利用熱鹽罐中的高溫熔鹽加熱蒸汽從而實現(xiàn)發(fā)電目的，所以配有儲熱系統(tǒng)的光熱電站可以實現(xiàn)24h連續(xù)發(fā)電[1]。

1.2塔式光熱電站

塔式光熱電站與槽式電站最大的區(qū)別在于太陽島結(jié)構(gòu)不同。塔式電站由成千上萬個逐日平面鏡將太陽光聚集到吸熱塔上并加熱工質(zhì)，其原理如圖2所示，加熱后的工質(zhì)與蒸汽換熱提高蒸汽的能量。塔式光熱電站一般采用熔鹽工質(zhì)，其最高工作溫度可達到565℃，相比于槽式光熱電站，塔式電站具有更高蒸汽溫度和較高朗肯循環(huán)發(fā)電效率。由于塔式電站的技術(shù)成熟度不高，目前世界上建設(shè)成功的塔式電站相對比較少，但是塔式相比于槽式具有初投資低和效率高等優(yōu)點，現(xiàn)階段塔式光熱電站有取代槽式的趨勢。另外塔式電站為了實現(xiàn)持續(xù)發(fā)電，一般也會配有儲熱系統(tǒng)，其儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與槽式相似。

2.光熱電站閥門分析

2.1電站用工質(zhì)

光熱電站使用的工質(zhì)比較多，有水蒸汽、液態(tài)鈉、熔鹽和導(dǎo)熱油等等。目前主流使用的工質(zhì)有導(dǎo)熱油和熔鹽2種，其中導(dǎo)熱油一般作為槽式和菲涅爾式的吸熱介質(zhì)，近年來已經(jīng)有開始研究熔鹽槽式光熱電站。而熔鹽主要用于塔式電站和其他技術(shù)類型光熱電站的儲能工質(zhì)。導(dǎo)光熱電站中一般使用化學(xué)合成導(dǎo)熱油，由于導(dǎo)熱油具有易燃等特點，因此對管道設(shè)備的密封性要求較高。另外，現(xiàn)階段光熱電站使用的導(dǎo)熱都有一個凝固點，因此當(dāng)氣溫較低時，應(yīng)對配管、儀表和閥門等設(shè)備配有防凍的伴熱系統(tǒng)。熔鹽作為一種由化學(xué)純硝酸鹽混合體組成的低共熔點混合物，可以分為二元鹽和三元鹽2種。現(xiàn)階段光熱電站使用的熔鹽主要以二元鹽為主，其凝固溫度和最高使用溫度都相對較高。二元鹽相對于三元鹽具有更高的溫度上限，但同時也具有較高的凝固溫度，對于電站的防凍堵要求也較高，因此電站的管道和閥門外部一般配有伴熱系統(tǒng)，以保持整個系統(tǒng)在工質(zhì)凝固點溫度之上[2]。

2.2閥門工況

不同技術(shù)類型的光熱電站的運行工況較為明確，表1列出了槽式和塔式光熱電站的管道工作壓力和溫度，對于不同機組容量的光熱電站，其運行參數(shù)會有所不同。對于塔式電站，由于集熱塔的高度較高，其太陽島內(nèi)部介質(zhì)的工作壓力一般高于儲熱系統(tǒng)的介質(zhì)壓力，儲熱系統(tǒng)的工作壓力在0.7～1.1MPa。而槽式電站的導(dǎo)熱油一般工作壓力根據(jù)導(dǎo)熱油管道的長度設(shè)計，如100MW的槽式電站，其導(dǎo)熱油閥門一般選擇Class600lb。

2.3閥門要求

由于光熱電站閥門內(nèi)部工質(zhì)不同于普通閥門，因此閥門所采用的結(jié)構(gòu)與材料也與常規(guī)閥門有所不同。對于槽式電站集熱系統(tǒng)，其流通介質(zhì)為具有易燃特性的導(dǎo)熱油，因此對于閥門的外漏要求也相對較高，填料處的密封一般選擇波紋管加石墨填料雙重密封結(jié)構(gòu)。對于熔鹽閥門，因熔鹽工作溫度較高，加上熔鹽在高溫下具有較強氧化性，對金屬和非金屬都會產(chǎn)生較強的腐蝕。另外二元熔鹽在低于220℃以下會凝固，一旦閥門內(nèi)疏鹽不徹底，會導(dǎo)致閥門無法啟閉。熔鹽閥門相比于普通的閥門具有一定的特殊要求。

（1）閥門頻繁啟閉時能保證正常工作，且疏鹽時閥體內(nèi)盡量不積鹽，防止熔鹽凍結(jié)導(dǎo)致閥門無法實現(xiàn)密封。（2）熔鹽閥門本體材料能耐熔鹽的腐蝕。（3）閥門的非金屬墊片和填料能承受高溫熔鹽的腐蝕。（4）光熱電站集熱系統(tǒng)受太陽光照的影響（當(dāng)有云遮住太陽時），因此設(shè)備會間歇運行，因此閥門能承受冷熱溫度交變的要求。（5）為了防止熔鹽閥門凍結(jié)，熔鹽閥門一般配有電伴熱要求。

2.4閥門選型

針對熔鹽具有較高的凝固點的特性，在閥門選型時需要考慮到熔鹽凝固給閥門帶來的影響，因此對于中腔易積液的閥門（如球閥、閘閥）則不太適合熔鹽系統(tǒng)。結(jié)合實際的使用經(jīng)驗分析，熔鹽閥一般的選型分為2種，一種是Goble波紋管閥門，其主要針對口徑較小的閥門。對于大口徑的熔鹽管道，一般選擇蝶閥。另外考慮到實際工況的溫度交變性和現(xiàn)場熔鹽泄漏的安全性，一般熔鹽閥門采用焊接端連接方式，不宜采用法蘭結(jié)構(gòu)，避免由于溫度交變導(dǎo)致法蘭處的泄漏。

3.結(jié)語

隨著光熱電站技術(shù)及商業(yè)化的成熟，光熱電站建設(shè)已呈現(xiàn)新的增長，并隨光熱電站規(guī)模的增大，其發(fā)電成本也呈逐步下降的趨勢。目前，中國正在逐步研究第二批光熱電站示范項目，光熱電站的關(guān)鍵設(shè)備特別是熔鹽閥、熔鹽泵等設(shè)備的國產(chǎn)化已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)一致的共識[3]。

參考文獻：

[1]史忠錄，杜佩英，屈小榮，馬彥軍.光熱發(fā)電及熔鹽的應(yīng)用前景[J].鹽科學(xué)與化工，2019，48（04）：19-21.

[2]何軍.熔鹽和導(dǎo)熱油蓄熱儲能技術(shù)在光熱發(fā)電中的應(yīng)用研究[J].節(jié)能與環(huán)保，2019（02）：100-101.

[3]金姍.太陽能光熱發(fā)電項目熔鹽蒸汽發(fā)生系統(tǒng)整體布置研究[J].東方電氣評論，2018，32（04）：80-83.