太陽能光熱發電用高溫熔鹽截止閥的設計

劉 智，張智博，吳玉良，曹家亮，胡世強，葉凱強

（特技閥門集團有限公司，浙江 溫州 325105）

隨著近幾年來社會不斷進步，人們對能源應用的要求越來越高；思維不再是停留在能用就行的基礎上，尤其是這幾年來國家對能源的應用提出了更高的要求。熔鹽塔式電站技術現在越來越受到大家關注，它的運行溫度更高，效率更高，系統結構相對簡單，被視為光熱未來大力發展的技術路線[1]。

在熔鹽光熱發電整個系統中，氣體、液體、液態金屬以及熔鹽等幾大類都是作為傳熱介質的主要材料。在這幾大類當中，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。綜上各類傳導介質，水和水蒸氣作為氣體和液體是最為經濟方便的，因為他們無需做其它熱交換，可直接帶動機組發電。常見的水電站發電就是最好的例子，但是在光熱發電系統上，流動的水動能不能隨之可取，且對于該系統應用上，壓力需要增加到10MPA以上才能得以應用。液態金屬雖然集聚有眾多優點，但是在高溫下很容易與其他金屬產生化學反應，導致腐蝕，甚至爆炸，危險系數高。

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

（1）高溫熔鹽的強氧化性對閥門造成腐蝕的影響。

（2）填料區不能耐受高溫。

（3）防止熔鹽在221攝氏度以下凝固對閥門密封造成破壞。

（4）熔鹽性質的不穩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，因此應采取適當的應對措施來保證熔鹽閥設計的可靠性。

首先，對閥門填料區進行特殊設計，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，設計中引入電伴熱方案保護閥門關鍵部位，如轉接部，過熱保護，填料區加裝溫度傳感器；配合帶有熱電偶的鑄鋁加熱器；下面本文重點從新的熔鹽截止閥結構設計上講述如何規避熔鹽導致管道結晶堵塞密封失效的這一現象[2]。

1 新型光熱發電用高溫熔鹽截止閥整體結構

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、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碟簧預載緊固件，9氣動執行器，10手動裝置（圖1高溫熔鹽閥總體結構圖）（圖2高溫熔鹽閥實物圖）。

圖1 高溫熔鹽閥總體結構圖

圖2 高溫熔鹽閥實物圖

1.2 現場工況描述

100MW的機組塔高一般在200m以上，被加熱到565℃的熔鹽通過下降管回到熔鹽熱罐。通過在熔鹽進熱熔鹽罐的管路中安裝熔鹽閥來控制熔鹽進罐的速率、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，設計出優良性能的熔鹽閥顯得尤為重要。

1.3 設計要點

1.3.1 C型圈密封設計

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，具有以下優點：首先圓形開口設計，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，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 半八角環密封示意圖

1.3.2 半八角環密封設計

鑒于熔鹽介質溫度變化范圍較大，密封要求等級高；為了進一步保證閥體和閥蓋的密封性能，在其密封位置增設有半八角環密封，其結構如（圖4），兩道密封結構設計，確保中法蘭外漏問題得到徹底解決。

1.3.3 波紋管閥桿密封設計

熔鹽閥除了中法蘭外漏點外，另一個外漏點經常出現在閥桿密封位置，因為在閥門開啟和關閉過程中，閥桿需要做上下運動或者旋轉運動，運動件之間的密封一直是難點。為了解決閥桿密封的問題，我們將閥桿處密封設計為波紋管密封結構，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 平衡套導向穩壓設計

高溫熔鹽閥大多數為加長結構，為了確保加長結構的穩定性，我們在閥桿和加長閥蓋內部設置了平衡套。其作用在于：首先平衡套在閥桿和閥蓋之間起到軸套導向的作用，降低了閥桿擾動的幅度，間接提高了閥桿強度，降低開關扭矩；其次平衡套上開有小孔，該孔連通加長閥蓋內腔和閥體內流道，防止加長閥蓋內部熔鹽介質升壓或積聚對閥門性能造成影響。

1.3.5 體蓋連接碟簧預緊補償設計

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蝶形彈簧，成對裝配的蝶形彈簧能夠充分彌補

1.3.6 填料壓套壓蓋自定心設計

延長閥蓋的結構，閥桿細長比更大，穩定性更差，為了更好的規避由此造成的閥桿晃動，我們設計了填料壓套和壓蓋分離定位結構，通過壓套和壓蓋定位臺階導向，確保閥桿和閥體內腔的同軸度，既降低了扭矩，也提高了閥門的整體穩定性。

1.3.7 填料碟簧預緊補償設計

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

1.3.8 閥芯密封面表面硬化設計

熔鹽閥在溫度降低后，容易造成結晶并積聚在閥門內腔，在開關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計

為了方便現場使用，同時也為了防止因為執行機構出故障而導致閥門不能開啟的問題，我們在啟閉閥門上設計了兩種形式，手動+氣動，當氣動執行器出現故障時，能通過手動臨時控制閥門的開啟和關閉。

1.3.10 電伴熱精確控溫設計

為了避免閥腔內部因溫度變化導致的熔鹽結晶聚集等系列問題，我們在閥門多部位單獨設置了電伴熱。閥門的電伴熱和管道的電伴熱分開，并設置獨立的溫度控制系統，根據不同位置的需求，設置不同的溫控點，精確控溫，徹底規避了內部結晶問題。

1.3.11 驅動裝置過熱保護設計

由于熔鹽閥所使用的位置內外部工況都比較特殊，我們配置的執行機構也是有特殊要求的，其過熱保護就是其中之一，有效防止執行器因溫度太高而降低其調節控制精度[3]。

2 其它應用

該閥門除了在太陽能光熱發電系統的熔鹽介質使用外，在其它任何類似的惡劣工況（降溫易導致結晶）下，都能平穩運行，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行工況下，都能應用，市場潛力巨大。

3 結論

目前國內大多數的太陽能光熱發電項目上的熔鹽閥都是采用進口，但由于其使用位置苛刻，閥門的更換頻率依然很高，而且現場基本上都不具備維修的條件。我公司順應國際能源的發展趨勢，充分吸收國際領先技術，并結合國情，持續性投入和不斷進行結構優化和模擬實驗，開發出的熔鹽系類閥門，性能穩定，隨著國際能源結構的調整，必將在市場上開創新的篇章。