塔式光熱發(fā)電熔鹽儲換熱及熔鹽調(diào)節(jié)閥淺談

董偉 王滿意

摘 ?要：塔式光熱發(fā)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?shù)奈鼰崞魑恢?，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(fā)生器系統(tǒng)，熱熔鹽經(jīng)過與液態(tài)水發(fā)生熱交換，最終，液態(tài)水轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)重新運行時，通過熔鹽管道上環(huán)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(fā)電熔鹽儲換熱和熔鹽調(diào)節(jié)閥的選擇兩個方面展開論述。

關鍵詞：塔式光熱發(fā)電 ?熔鹽儲換熱 ?熔鹽調(diào)節(jié)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(fā)電儲熱和高效傳熱介質(zhì)

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(tài)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(gòu)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(shù)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(zhì)，熔融鹽在液態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如儲熱密度大、傳熱性能好、蒸汽壓低、經(jīng)濟性高、放熱工況穩(wěn)定、安全性高、壽命長、易調(diào)節(jié)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(zhì)

在光熱發(fā)電系統(tǒng)中，可作為傳熱介質(zhì)的材料大致分為氣體、液體、液態(tài)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(zhì)中，水和水蒸氣最為經(jīng)濟方便，可以直接帶動汽輪機發(fā)電，無需和其他介質(zhì)進行熱交換，但是，水和水蒸氣形成的系統(tǒng)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(tài)形式存在，可想而知，它的最大優(yōu)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(tài)金屬雖然有諸多優(yōu)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(zhì)比較，它具有較強腐蝕性強，如Na就極易發(fā)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(fā)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(jīng)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(zhì)，應用價值極高。

2 ?熔鹽調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥來控制熔鹽進罐的速率、壓力及流量。而這些熔鹽調(diào)節(jié)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(yōu)良性能的熔鹽調(diào)節(jié)閥顯得尤為重要。

以下是幾種熔鹽調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及性能對比。

2.1 單座式調(diào)節(jié)閥

單座式調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)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(diào)節(jié)閥

串級式調(diào)節(jié)閥多級降壓結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢是可以防止空化現(xiàn)象的出現(xiàn)。它的原理是：把原來的一個整體的截留區(qū)域劃分成多個節(jié)流區(qū)域，而這多個節(jié)流區(qū)域相互串聯(lián)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(xiàn)空化現(xiàn)象。其特點在于：在使用過程中可以有效降低每一級節(jié)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(diào)節(jié)閥制造工藝不復雜，成本投入較低;但串級式調(diào)節(jié)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(shù)無法設計得過多，至多僅為3～4級。

2.3 多層套筒式調(diào)節(jié)閥

多層套筒式調(diào)節(jié)閥與其他形式調(diào)節(jié)閥明顯不同的地方在于其典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由無數(shù)套筒構(gòu)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(jié)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(diào)節(jié)閥，多級套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)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(diào)節(jié)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(jīng)調(diào)節(jié)閥時，其主要工作區(qū)域在套筒中心區(qū)域，不直接對閥門金屬表面產(chǎn)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(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥

創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥其核心節(jié)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(jīng)迷宮流道時，迂回轉(zhuǎn)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(nèi)。多級套筒式調(diào)節(jié)閥之所以可以勝任高壓差的場合，是因為它的降壓級數(shù)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(xiàn)象的發(fā)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(shù)，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(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)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(zhì)進行改進，迷宮流道不易發(fā)生堵塞。但迷宮式盤片制造精度要求很高。

從以上幾種調(diào)節(jié)閥進行比較，可以看出單座式調(diào)節(jié)閥與串級式多級降壓不適應光熱發(fā)電特殊位置的基本要求。多層套筒式調(diào)節(jié)閥使用時間過久會出現(xiàn)小范圍的汽蝕和較嚴重的沖刷現(xiàn)象。創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥基本上不會出現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)。

3 ?結(jié)語

光熱發(fā)電是一種清潔無污染的太陽能發(fā)電技術，而我國對光熱發(fā)電技術的研究和應用還處于起步階段，有巨大的發(fā)展空間。塔式光熱發(fā)電是所有光熱發(fā)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(tài)環(huán)境的發(fā)展，塔式光熱發(fā)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(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥性能優(yōu)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(diào)節(jié)閥的首選。調(diào)節(jié)閥在各個位置的不同所產(chǎn)生的作用也是不同的，設計單位在選型的時候應該根據(jù)該閥在所在的位置所起的作用進行選型，調(diào)節(jié)閥廠家設計時除了考慮設計單位提出的參數(shù)外，還應該著重考慮熔鹽的最大飽和蒸氣壓，才能生產(chǎn)出合格的熔鹽調(diào)節(jié)閥。

參考文獻

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