熔盐阀门在太阳能热发电中的应用研究

2022-05-14陈长奔叶显斌叶凯强邵力平葛耀凯

机械工程师 2022年5期

陈长奔，叶显斌，叶凯强，邵力平，葛耀凯

（欧维克集团有限公司，浙江温州 325100）

0 引言

工业革命以来，传统能源（煤、石油、天然气等）消耗剧增，生态环境不断恶化，对新能源需求不断增加，风能、太阳能热发电等清洁、可再生能源具有巨大的发展前景。太阳能热发电是指将太阳的辐射能转化为热能，并通过热力循环系统（过程）将热能转化为动能，推动汽轮机进行发电[1]。

1 太阳能热发电的工作原理及发展前景

目前太阳能热发电系统分为三大类：1）槽式线聚焦系统。该系统利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到许多串联、并联组成的管状集热器上，使集热器内的传热工质加热升温,并在换热器内产生蒸汽,推动汽轮机带动发电机发电的系统[2]。美国与以色列联合的鲁兹(LUZ)公司于1980年开始开发此类热发电系统。2）塔式系统。该系统利用许多台大型太阳能反射镜（定日镜），这些反射镜能够独立跟踪太阳照射的方向, 将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上用以加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电。1992年,美国在加州南部建成第一座用于示范熔盐接收器和蓄热装置。3）碟式系统。该系统采用抛物面反射镜, 把热能聚焦到抛物面焦点上的聚光集热器,集热器内的传热工质被加热,将热能转化为动能，驱动发动机进行发电。1991年美国Cummi公司开始开发商用的7 kW碟式发电系统。

随着全球太阳能热发电项目发展得如火如荼，国内也有一批太阳能热发电项目已经成功投入开工建设或运营中。南京江宁区70 kW塔式太阳能热发电试验工程是国内最早的太阳能热发电示范电站，2005年建成并成功发电；中国首航光热敦煌塔式电站项目是我国首座规模化熔盐储热能光热电站，亦是亚洲首座全天候熔盐塔式光热发电站，该电站2014年8月开工，2016年9月成功并网发电。在全球不可再生能源日趋枯竭、低碳减排大环境下，国家能源局于2016年9月印发《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，确定第一批20个太阳能热发电示范项目，其中包括9个塔式电站、7个槽式电站和4个碟式电站[3]。

2 熔盐阀门在太阳能热发电中的应用

熔盐是太阳能热发电系统中常用的传热工质之一，可以通过白天的光照加热熔盐介质，利用熔盐材料潜热蓄热无相变的特性把热能储存起来，弥补了传统光伏发电（由光能直接转化为电能）在夜间、阴雨天不能发电的缺陷，可成功实现稳定连续发电、调峰发电，提高了电力供应的经济性。

太阳能热发电行业中常见的熔盐使用温度范围为230～600 ℃；熔盐在初期加温时会释放水蒸气，硝酸盐类熔盐（吸水性强的硝酸盐混合物）在水蒸气相互作用下产生较强的腐蚀性；亚硝酸钠、硝酸钠和硝酸钾具有毒性；熔盐容易凝固冻堵管路，造成阀门卡涩或卡死，阀门无法启闭。由于熔盐介质具有以上的特殊性，熔盐阀门的研发、设计、制造具有一定技术难度，再加上此前国内光热发电市场始终未能兴起，熔盐阀门一直都被海外企业垄断。近些年，随着太阳能热发电示范项目陆续开工建设及完工投产，光热设备的国产化进度越来越快，先后开发出Y型防残留高温熔盐阀、高温熔盐调节阀、高温熔盐安全阀、熔盐仪表阀、高温熔盐关断阀（高温熔盐截止阀、高温熔盐蝶阀、高温熔盐球阀）等一系列熔盐阀门（如图1）。从阀门结构来看，熔盐阀不是一个专用的阀门类别，常规熔盐阀大致分为调节阀、蝶阀、截止阀、球阀、安全阀和仪表等，熔盐阀门的选型往往根据工况的要求，如阀门的功能选择、工况的设计温度和设计压力、管道安装空间等因素。

图1 高温熔盐安全阀、高温熔盐波纹管截止阀、高温熔盐蝶阀

熔盐阀门作为光热电站中的关键设备，要在复杂工况下正常运行，并确保整个系统运行的安全性和可靠性，必须避免阀门泄漏、介质滞留、启闭卡涩及腐蚀等问题，因此对高温熔盐阀的质量提出了非常高的要求：

1）针对熔盐介质具有较强的腐蚀性和高温工况，阀门材料的选择必须满足耐高温要求和具备相应的耐腐蚀性能；

2）因工况长期处于高温、常温交替变换，阀门所有的外泄漏点密封件须考虑耐高温性能，所需的紧固件应采用重型碟簧预紧，确保阀门的使用安全可靠性；

3）针对熔盐介质的毒性，阀杆位置多采用波纹管密封，更应考虑阀杆动密封处的低泄漏要求，确保阀门在工艺装置中的运行安全和可靠性；

4）因熔盐工况为高温，阀门的密封件选择成为重中之重，常规高温阀门一般采用石墨材料作为密封件，但熔盐介质易与石墨产生氧化反应而造成密封点泄漏，因此阀门密封材料需要选用非石墨类密封件；

5）熔盐做为传热工质，在工艺系统中需保持必要的流动性，因此在阀门的结构选择上，应考虑防止因阀门结构原因存在死角，阀门流阻大即意味着能源的损失，作为流通能力好的阀类（流阻小）更为适合熔盐工况；

6）针对熔盐介质容易凝固及冻堵管路，须考虑阀门密封面具备足够的硬度，防止结晶状态的熔盐对密封面造成损害，阀门通常情况都采用保温夹套处理，更应针对阀门结构提供全套的伴热系统来保证阀门的使用稳定性和使用寿命；

7）阀门的启闭件应采用耐高温、耐腐蚀、高力学性能的合金材料，当阀门工况异常时，启闭件不会受工况影响发生弯曲、扭曲、断裂等现象，造成阀门无法启闭或不可挽回的损坏；

8）熔盐阀的伴热系统、传感器及智能控制系统应具备足够高的灵敏检测性能和及时反馈等功能，当阀门运行参数偏离设定数值或阀门工作异常时，控制系统能及时接收传感器测量的数据，并根据测量的数据发送动作指令，使阀门具备良好的工作状态和熔盐工质合适的运行温度，保障阀门的正常启闭。

3 熔盐阀门常见故障及处理方案

熔盐阀门作为一种新型阀类，在国内太阳能热发电站中缺少相关的实际应用经验。由于太阳能热发电站所使用介质的特殊性，使得熔盐阀门面临许多新的技术难点和挑战。通过统计近几年熔盐阀门的维护与维修所遇到的故障，熔盐阀门常见的故障有以下几种。

1）阀门内漏。阀门内漏是阀门最常见的故障，通过拆解阀门进行查看，发现密封面存在汽蚀、冲刷及细划痕等情况（如图2）。分析造成阀门内漏的原因主要为以下2点：a.熔盐介质长期通过阀门内腔或流道，介质在压力的作用下长期对密封副进行冲击，极易对密封面造成汽蚀和冲蚀等伤害，造成阀门密封面泄漏；b.熔盐冷凝固后以晶粒和颗粒状态附在密封面上，阀门关闭时密封面上残留的颗粒造成密封面划伤或损伤，阀门密封面泄漏。针对以上情况，一般可采用在阀门密封副堆焊或喷焊硬质合金，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，增加密封面的抗冲蚀性和耐磨性，提高阀门的使用寿命。

图2 密封副被冲蚀

2）阀门外漏（如图3）。通过检查螺纹拧紧情况并拆解阀门进行查看，发现紧固件螺栓未拧紧，密封用波纹管存在外力挤压性损坏，波纹管和阀杆焊接焊缝存在腐蚀等情况。分析造成阀门外漏的原因主要为以下3点：a.阀门长期处于高低温交替工况，紧固件预紧力受工况影响发生松动或预紧力变小，使阀门中法兰处密封失效，产生外漏；b.对于阀杆波纹管密封的阀门，波纹管长时间频繁启闭受到破坏（如图4），会造成阀杆外泄漏；c.对于高温填料密封的阀门，阀杆经过长时间的启闭，阀杆和填料密封会松动，造成阀杆处泄漏。针对以上情况，一般推荐中法兰连接螺栓采用重型碟簧加载，阀杆填料密封处亦采用重型碟簧加载的预紧式结构，给密封件提供密封的预紧力保证阀门各外泄漏点的密封性能和使用可靠性，应定期预紧所有紧固件部位的螺母，防止螺母松动或螺栓高温形变拉长；波纹管阀门可以改进波纹管设计参数和波纹管结构，改进波纹管与阀杆焊接处的焊接工艺，优化阀门的伴热系统，避免波纹管受凝固熔盐的影响而损坏，提高阀门使用稳定性和使用寿命。

图3 熔盐外泄漏

图4 波纹管损坏及阀杆扭曲、弯曲

3）阀门无法正常启闭。通过拆解阀门进行查看，发现阀杆严重扭曲、弯曲或断裂（如图4），阀杆腔存在固态熔盐晶体堆积等情况。分析造成阀杆严重扭曲或断裂主要为以下2点：a.对于角行程阀门，受温度过高或介质凝固等影响，阀门的启闭转矩大大增加，甚至阀门直接处于卡涩状态而无法启闭，当阀杆的实际扭应力超出阀杆最大许用扭应力时，造成阀杆严重扭曲或无法正常启闭。b.对于直行程阀门，执行机构选型时往往会考虑阀门工况因素选择一个较大的安全系数，当输出力矩过大，而阀门却已处于关闭位置，执行器的输出力将持续作用于阀杆，阀杆定位结构若设计不合理或定位开关失效时，会造成阀杆弯曲；受温度过高或介质凝固等影响，阀门启闭件处于胀死或卡死状态时阀门无法正常启闭，当阀杆开启时，阀杆的拉应力无法承受执行器的拉力时，阀杆被拉断。针对以上情况，推荐阀门在设计阶段应考虑阀门处于高温状态和阀门启闭件因热膨胀而卡涩或胀死，阀门的启闭件应选用力学性能好、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小的高性能合金材料；优化阀门的伴热系统、检测系统和控制系统，当控制系统监测到工况异常时，能及时对收集的工况参数进行分析，并根据参数发出相应的调节信号，控制伴热系统和执行机构进行工作，避免介质处于晶体状态，保证阀杆处于正常的工作温度和工作状态。

4）阀门开关定位存在偏差。阀门使用过程中经常会碰到阀门的开关定位器出现定位信号错误或定位不准，甚至定位开关失效等现象。通过对阀门定位机构进行检查，发现部分定位机构存在松动，部分定位器存在工作失效等情况。建议在阀门包装、运输和安装过程中做好对阀门整机的防护，减少外部因素对阀门整机造成的影响；应定期对开关定位器及其配件（附件）的紧固件进行预紧，防止配件（附件）长时间承受管路系统振动而造成螺母松动，以至于阀门的定位存在偏差；对阀门上的配件（附件）应进行定期检查和维护，及时更换故障的配件（附件）。