熔鹽閥門在太陽能熱發電中的應用研究

陳長奔，葉顯斌，葉凱強，邵力平，葛耀凱

（歐維克集團有限公司，浙江 溫州 325100）

0 引言

工業革命以來，傳統能源（煤、石油、天然氣等）消耗劇增，生態環境不斷惡化，對新能源需求不斷增加，風能、太陽能熱發電等清潔、可再生能源具有巨大的發展前景。太陽能熱發電是指將太陽的輻射能轉化為熱能，并通過熱力循環系統（過程）將熱能轉化為動能，推動汽輪機進行發電[1]。

1 太陽能熱發電的工作原理及發展前景

目前太陽能熱發電系統分為三大類：1）槽式線聚焦系統。該系統利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到許多串聯、并聯組成的管狀集熱器上，使集熱器內的傳熱工質加熱升溫,并在換熱器內產生蒸汽,推動汽輪機帶動發電機發電的系統[2]。美國與以色列聯合的魯茲(LUZ)公司于1980年開始開發此類熱發電系統。2）塔式系統。該系統利用許多臺大型太陽能反射鏡（定日鏡），這些反射鏡能夠獨立跟蹤太陽照射的方向, 將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器上用以加熱工質產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪機發電。1992年,美國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。該系統采用拋物面反射鏡, 把熱能聚焦到拋物面焦點上的聚光集熱器,集熱器內的傳熱工質被加熱,將熱能轉化為動能，驅動發動機進行發電。1991年美國Cummi公司開始開發商用的7 kW碟式發電系統。

隨著全球太陽能熱發電項目發展得如火如荼，國內也有一批太陽能熱發電項目已經成功投入開工建設或運營中。南京江寧區70 kW塔式太陽能熱發電試驗工程是國內最早的太陽能熱發電示范電站，2005年建成并成功發電；中國首航光熱敦煌塔式電站項目是我國首座規模化熔鹽儲熱能光熱電站，亦是亞洲首座全天候熔鹽塔式光熱發電站，該電站2014年8月開工，2016年9月成功并網發電。在全球不可再生能源日趨枯竭、低碳減排大環境下，國家能源局于2016年9月印發《關于建設太陽能熱發電示范項目的通知》，確定第一批20個太陽能熱發電示范項目，其中包括9個塔式電站、7個槽式電站和4個碟式電站[3]。

2 熔鹽閥門在太陽能熱發電中的應用

熔鹽是太陽能熱發電系統中常用的傳熱工質之一，可以通過白天的光照加熱熔鹽介質，利用熔鹽材料潛熱蓄熱無相變的特性把熱能儲存起來，彌補了傳統光伏發電（由光能直接轉化為電能）在夜間、陰雨天不能發電的缺陷，可成功實現穩定連續發電、調峰發電，提高了電力供應的經濟性。

太陽能熱發電行業中常見的熔鹽使用溫度范圍為230～600 ℃；熔鹽在初期加溫時會釋放水蒸氣，硝酸鹽類熔鹽（吸水性強的硝酸鹽混合物）在水蒸氣相互作用下產生較強的腐蝕性；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，造成閥門卡澀或卡死，閥門無法啟閉。由于熔鹽介質具有以上的特殊性，熔鹽閥門的研發、設計、制造具有一定技術難度，再加上此前國內光熱發電市場始終未能興起，熔鹽閥門一直都被海外企業壟斷。近些年，隨著太陽能熱發電示范項目陸續開工建設及完工投產，光熱設備的國產化進度越來越快，先后開發出Y型防殘留高溫熔鹽閥、高溫熔鹽調節閥、高溫熔鹽安全閥、熔鹽儀表閥、高溫熔鹽關斷閥（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（如圖1）。從閥門結構來看，熔鹽閥不是一個專用的閥門類別，常規熔鹽閥大致分為調節閥、蝶閥、截止閥、球閥、安全閥和儀表等，熔鹽閥門的選型往往根據工況的要求，如閥門的功能選擇、工況的設計溫度和設計壓力、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

熔鹽閥門作為光熱電站中的關鍵設備，要在復雜工況下正常運行，并確保整個系統運行的安全性和可靠性，必須避免閥門泄漏、介質滯留、啟閉卡澀及腐蝕等問題，因此對高溫熔鹽閥的質量提出了非常高的要求：

1）針對熔鹽介質具有較強的腐蝕性和高溫工況，閥門材料的選擇必須滿足耐高溫要求和具備相應的耐腐蝕性能；

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

3）針對熔鹽介質的毒性，閥桿位置多采用波紋管密封，更應考慮閥桿動密封處的低泄漏要求，確保閥門在工藝裝置中的運行安全和可靠性；

4）因熔鹽工況為高溫，閥門的密封件選擇成為重中之重，常規高溫閥門一般采用石墨材料作為密封件，但熔鹽介質易與石墨產生氧化反應而造成密封點泄漏，因此閥門密封材料需要選用非石墨類密封件；

5）熔鹽做為傳熱工質，在工藝系統中需保持必要的流動性，因此在閥門的結構選擇上，應考慮防止因閥門結構原因存在死角，閥門流阻大即意味著能源的損失，作為流通能力好的閥類（流阻小）更為適合熔鹽工況；

6）針對熔鹽介質容易凝固及凍堵管路，須考慮閥門密封面具備足夠的硬度，防止結晶狀態的熔鹽對密封面造成損害，閥門通常情況都采用保溫夾套處理，更應針對閥門結構提供全套的伴熱系統來保證閥門的使用穩定性和使用壽命；

7）閥門的啟閉件應采用耐高溫、耐腐蝕、高力學性能的合金材料，當閥門工況異常時，啟閉件不會受工況影響發生彎曲、扭曲、斷裂等現象，造成閥門無法啟閉或不可挽回的損壞；

8）熔鹽閥的伴熱系統、傳感器及智能控制系統應具備足夠高的靈敏檢測性能和及時反饋等功能，當閥門運行參數偏離設定數值或閥門工作異常時，控制系統能及時接收傳感器測量的數據，并根據測量的數據發送動作指令，使閥門具備良好的工作狀態和熔鹽工質合適的運行溫度，保障閥門的正常啟閉。

3 熔鹽閥門常見故障及處理方案

熔鹽閥門作為一種新型閥類，在國內太陽能熱發電站中缺少相關的實際應用經驗。由于太陽能熱發電站所使用介質的特殊性，使得熔鹽閥門面臨許多新的技術難點和挑戰。通過統計近幾年熔鹽閥門的維護與維修所遇到的故障，熔鹽閥門常見的故障有以下幾種。

1）閥門內漏。閥門內漏是閥門最常見的故障，通過拆解閥門進行查看，發現密封面存在汽蝕、沖刷及細劃痕等情況（如圖2）。分析造成閥門內漏的原因主要為以下2點：a.熔鹽介質長期通過閥門內腔或流道，介質在壓力的作用下長期對密封副進行沖擊，極易對密封面造成汽蝕和沖蝕等傷害，造成閥門密封面泄漏；b.熔鹽冷凝固后以晶粒和顆粒狀態附在密封面上，閥門關閉時密封面上殘留的顆粒造成密封面劃傷或損傷，閥門密封面泄漏。針對以上情況，一般可采用在閥門密封副堆焊或噴焊硬質合金，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，提高閥門的使用壽命。

圖2 密封副被沖蝕

2）閥門外漏（如圖3）。通過檢查螺紋擰緊情況并拆解閥門進行查看，發現緊固件螺栓未擰緊，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。分析造成閥門外漏的原因主要為以下3點：a.閥門長期處于高低溫交替工況，緊固件預緊力受工況影響發生松動或預緊力變小，使閥門中法蘭處密封失效，產生外漏；b.對于閥桿波紋管密封的閥門，波紋管長時間頻繁啟閉受到破壞（如圖4），會造成閥桿外泄漏；c.對于高溫填料密封的閥門，閥桿經過長時間的啟閉，閥桿和填料密封會松動，造成閥桿處泄漏。針對以上情況，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緊式結構，給密封件提供密封的預緊力保證閥門各外泄漏點的密封性能和使用可靠性，應定期預緊所有緊固件部位的螺母，防止螺母松動或螺栓高溫形變拉長；波紋管閥門可以改進波紋管設計參數和波紋管結構，改進波紋管與閥桿焊接處的焊接工藝，優化閥門的伴熱系統，避免波紋管受凝固熔鹽的影響而損壞，提高閥門使用穩定性和使用壽命。

圖3 熔鹽外泄漏

圖4 波紋管損壞及閥桿扭曲、彎曲

3）閥門無法正常啟閉。通過拆解閥門進行查看，發現閥桿嚴重扭曲、彎曲或斷裂（如圖4），閥桿腔存在固態熔鹽晶體堆積等情況。分析造成閥桿嚴重扭曲或斷裂主要為以下2點：a.對于角行程閥門，受溫度過高或介質凝固等影響，閥門的啟閉轉矩大大增加，甚至閥門直接處于卡澀狀態而無法啟閉，當閥桿的實際扭應力超出閥桿最大許用扭應力時，造成閥桿嚴重扭曲或無法正常啟閉。b.對于直行程閥門，執行機構選型時往往會考慮閥門工況因素選擇一個較大的安全系數，當輸出力矩過大，而閥門卻已處于關閉位置，執行器的輸出力將持續作用于閥桿，閥桿定位結構若設計不合理或定位開關失效時，會造成閥桿彎曲；受溫度過高或介質凝固等影響，閥門啟閉件處于脹死或卡死狀態時閥門無法正常啟閉，當閥桿開啟時，閥桿的拉應力無法承受執行器的拉力時，閥桿被拉斷。針對以上情況，推薦閥門在設計階段應考慮閥門處于高溫狀態和閥門啟閉件因熱膨脹而卡澀或脹死，閥門的啟閉件應選用力學性能好、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數小的高性能合金材料；優化閥門的伴熱系統、檢測系統和控制系統，當控制系統監測到工況異常時，能及時對收集的工況參數進行分析，并根據參數發出相應的調節信號，控制伴熱系統和執行機構進行工作，避免介質處于晶體狀態，保證閥桿處于正常的工作溫度和工作狀態。

4）閥門開關定位存在偏差。閥門使用過程中經常會碰到閥門的開關定位器出現定位信號錯誤或定位不準，甚至定位開關失效等現象。通過對閥門定位機構進行檢查，發現部分定位機構存在松動，部分定位器存在工作失效等情況。建議在閥門包裝、運輸和安裝過程中做好對閥門整機的防護，減少外部因素對閥門整機造成的影響；應定期對開關定位器及其配件（附件）的緊固件進行預緊，防止配件（附件）長時間承受管路系統振動而造成螺母松動，以至于閥門的定位存在偏差；對閥門上的配件（附件）應進行定期檢查和維護，及時更換故障的配件（附件）。

4 結語

隨著國內太陽能熱發電站項目陸續開工建設，熔鹽閥門的國產化進度將越來越快，熔鹽閥門的實際應用經驗將會逐漸積累，熔鹽閥門的商業化應用將會越加成熟。隨著傳統能源消耗劇增，生態環境不斷惡化，太陽能熱發電項目具有非常巨大的市場前景，熔鹽閥門作為光熱電站中的關鍵設備，具有廣闊的發展前景。