太陽能熱發(fā)電站熔鹽閥門的選型分析

陳明強(qiáng)，唐 娟，唐亞平，余志勇，畢文劍

(浙江可勝技術(shù)股份有限公司，杭州 310053)

0 引言

太陽能熱發(fā)電是將聚光太陽能產(chǎn)生的高溫能量，通過吸熱和儲(chǔ)、換熱介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量的收集與儲(chǔ)存，并通過相關(guān)設(shè)備最終轉(zhuǎn)換為日常需要的電力。太陽能熱發(fā)電的技術(shù)路線主要有塔式、槽式、線性菲涅爾式及碟式，其中，塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)因具有較高的聚光比、較高的汽輪機(jī)參數(shù)值及較高的汽輪機(jī)熱效率而得到越來越多企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)的重視[1]。2016年，國家能源局公布的第1批20個(gè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，有9個(gè)是塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目。目前，塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在中國、中東、南美及非洲等地區(qū)均得到蓬勃發(fā)展[2]。

對于塔式太陽能熱發(fā)電站而言，其吸熱、儲(chǔ)熱和換熱介質(zhì)的選擇尤為關(guān)鍵。由于熔鹽具有較寬的使用溫度區(qū)間、較低的飽和蒸氣壓、較高的比熱容、無毒且高溫下性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在太陽能熱發(fā)電站中得到大量應(yīng)用。目前，應(yīng)用最多的熔鹽是二元硝酸鹽，包含40%的硝酸鉀和60%的硝酸鈉[3-4]，因此，本文中提到的太陽能熱發(fā)電站均以熔鹽作為儲(chǔ)、換熱介質(zhì)，且熔鹽均為二元硝酸鹽。但由于熔鹽具有低溫凝固及高溫氧化腐蝕特性[3]，導(dǎo)致熔鹽閥門的選型一直是太陽能熱發(fā)電站的技術(shù)難題之一?，F(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電站中，熔鹽閥門普遍存在內(nèi)漏、外漏或卡死等情況，嚴(yán)重影響太陽能熱發(fā)電站的可靠及穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

本文從太陽能熱發(fā)電站熔鹽閥門的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況、使用工況、選型關(guān)鍵點(diǎn)等方面進(jìn)行分析與總結(jié)，以期對未來塔式或槽式等以熔鹽為吸、儲(chǔ)熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電站熔鹽閥門的選型提供參考。

1 研究進(jìn)展及應(yīng)用情況

由于塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的起步晚于槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，因此，塔式太陽能熱發(fā)電站熔鹽閥門的選型前期多參考槽式太陽能熱發(fā)電站進(jìn)行熔鹽閥門的選型和開發(fā)。國外部分實(shí)驗(yàn)室在熔鹽閥門的設(shè)計(jì)選型及測試領(lǐng)域的研究開始的相對較早，主要有德國宇航中心(DLR)、美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)、桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SNL)等；此外，中國也有不少科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)投入較多精力對熔鹽閥門展開了各種研究。

SNL在1988～1990年期間進(jìn)行了熔鹽系統(tǒng)的泵閥循環(huán)測試，采用高溫熔鹽及低溫熔鹽2套測試循環(huán)系統(tǒng)，對60 MWe級太陽能熱發(fā)電站的高溫熔鹽閥門及低溫熔鹽閥門進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示：對于高溫熔鹽閥門，延長閥蓋以降低填料溫度是非常必要的[6]。

Rodríguez-garcía 等[7]對不同類型太陽能熱發(fā)電站各子系統(tǒng)中熔鹽閥門存在的主要問題及解決方案進(jìn)行了分析，并提供了熔鹽閥門測試的案例。該研究推薦采用波紋管熔鹽閥門，并建議采用特殊的復(fù)合型腐蝕抑制劑及鎳基合金密封填料。

Gill等[8]采用有限元模型研究了熔鹽閥門密封填料在不同應(yīng)力條件下的壽命情況，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用角行程閥門(比如：蝶閥)時(shí)，密封填料處的應(yīng)力相對較小，密封填料的使用壽命相對較長。而采用直行程閥門(比如：截止閥/閘閥)時(shí)，密封填料處的應(yīng)力相對較大，比如：美國的Solar Two項(xiàng)目經(jīng)過長時(shí)間測試，發(fā)現(xiàn)截止閥出現(xiàn)的問題主要體現(xiàn)在密封填料處的熔鹽泄漏，閥門中口的熔鹽泄漏、電伴熱失效造成閥門無法開關(guān)等。

Solar Two項(xiàng)目曾采用球閥作為熔鹽閥門，但經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)球閥在項(xiàng)目中的使用并不可靠，主要體現(xiàn)在閥門無法正常開關(guān)[5]。

2 使用工況

熔鹽閥門在太陽能熱發(fā)電站的使用主要集中在吸熱，儲(chǔ)、換熱及化鹽等各分系統(tǒng)中。由于電站系統(tǒng)的復(fù)雜性及電站規(guī)模大小不同，電站所用熔鹽閥門的數(shù)量從幾十臺至上百臺不等，口徑主要集中在DN20～DN600之間。

不同于火力發(fā)電廠或化工廠，太陽能熱發(fā)電站具有典型的“間斷運(yùn)行”特點(diǎn)，主要體現(xiàn)為白天天氣良好，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚光并發(fā)電，晚上因沒有太陽光，聚光吸熱系統(tǒng)停運(yùn)；同時(shí)也存在太陽能熱發(fā)電站晴天運(yùn)行，陰雨天停機(jī)的工況?！伴g斷運(yùn)行”特點(diǎn)造成熔鹽閥門的頻繁開關(guān)問題，也導(dǎo)致熔鹽閥門所承受的壓力和溫度大范圍波動(dòng)。

槽式太陽能熱發(fā)電站中，熔鹽的使用溫度上限約為390～400 ℃；塔式太陽能熱發(fā)電站中，熔鹽的使用溫度上限接近575 ℃。高溫引發(fā)熔鹽的強(qiáng)氧化性，對熔鹽閥門密封填料、墊片等的選擇提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另外，由于熔鹽在溫度低于238 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)凝固，凝固后的熔鹽容易粘合閥門密封面及密封填料與閥桿的結(jié)合面等，對閥門的可靠使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 選型關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 開關(guān)閥的閥型

目前，熔鹽閥門廣泛使用的開關(guān)閥閥型為截止閥和三偏心蝶閥。比如：在中國第一批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，多數(shù)采用截止閥和三偏心蝶閥作為熔鹽閥門的開關(guān)閥。其中，對于小口徑熔鹽閥門，其開關(guān)閥多采用截止閥；對于大口徑熔鹽閥門，其開關(guān)閥則多采用三偏心蝶閥。

截止閥通過閥芯的上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。作為使用最廣泛的開關(guān)閥之一，其具有密封面摩擦力小、開啟高度小、制造容易、維修方便等特點(diǎn)。熔鹽閥門最早在SNL進(jìn)行測試，經(jīng)過長時(shí)間測試，發(fā)現(xiàn)截止閥運(yùn)行可靠。因此，在之后開展的Solar Two項(xiàng)目中，截止閥得到了大量應(yīng)用，并且截止閥在該項(xiàng)目中的優(yōu)異表現(xiàn)也使其在后續(xù)的正式商業(yè)化項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。但由于大口徑截止閥的重量較大、成本較高，且不方便布置，因此截止閥更多應(yīng)用于疏鹽、排氣等小管路或前后壓差相對較小的調(diào)節(jié)管道上。

三偏心蝶閥是蝶閥的一種，通過蝶板的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。三偏心蝶閥的第一偏心是指閥桿軸心偏離蝶板中心，第二偏心是指閥桿中心偏離本體中心，第三偏心是指蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線。三偏心蝶閥得益于早期在槽式太陽能熱發(fā)電站熔鹽系統(tǒng)管路中的大量應(yīng)用和優(yōu)秀表現(xiàn)，使其在塔式太陽能熱發(fā)電站中的應(yīng)用占得先機(jī)。三偏心蝶閥具有結(jié)構(gòu)輕巧，易于布置，成本相對低廉，開、關(guān)速度快等特點(diǎn)，在現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電站中同樣被廣泛采用。通常，三偏心蝶閥適用于大口徑熔鹽閥門，一般作為大口徑管道上的開關(guān)閥使用。

除了截止閥和三偏心蝶閥，閘閥在SNL的測試及Solar Two項(xiàng)目中的使用也均表現(xiàn)出可靠性及穩(wěn)定性。閘閥采用閘板作為啟閉件，通過控制閘閥的升降來實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)，其具有流動(dòng)阻力小，啟、閉時(shí)較為省力等優(yōu)點(diǎn)，主要用于大口徑閥門。但相對于三偏心蝶閥，閘閥的成本更高且結(jié)構(gòu)尺寸更大，使其在太陽能熱發(fā)電站中的使用相對較少。然而，由于閘閥的結(jié)構(gòu)簡單、承壓性能好、密封可靠且易于維修，其也是一種較為合適的熔鹽閥門的開關(guān)閥。

截止閥、三偏心蝶閥及閘閥的特點(diǎn)對比如表1所示。

表1 截止閥、三偏心蝶閥及閘閥的特點(diǎn)對比Table 1 Comparison of characteristics of globe valve，triple eccentric butterfly valve and gate valve

SNL在Solar Two項(xiàng)目上對球閥進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)球閥并不適合作為熔鹽工況下的開關(guān)閥[9]，主要是因?yàn)榇祟愰y門易發(fā)生卡澀。自此之后，太陽能熱發(fā)電站熔鹽閥門采用球閥作為開關(guān)閥的情況相對較少。

對于其他類型的熔鹽閥門開關(guān)閥，均因成本或易造成卡澀等原因，很少應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電站的熔鹽系統(tǒng)。

3.2 熔鹽閥門的選材

針對不同金屬材質(zhì)在不同熔鹽溫度下的特性，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究。1985年，Slusser等[10]對鎳基合金在不同熔鹽溫度下的腐蝕速率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎳基合金中鉻的含量在15%～20%之間時(shí)，材料的耐腐蝕性能最佳。2013年，SNL對不銹鋼321(SS-321)和不銹鋼347(SS-347)，以及鎳基合金Inconel 625和哈式合金230材料在不同熔鹽溫度下的腐蝕行為進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：在熔鹽溫度為600 ℃時(shí)，SS-321和SS-347的年腐蝕速度分別為15.9 μm和 10.4 μm[11]。

在Solar Two項(xiàng)目中，低溫熔鹽管道(熔鹽溫度小于等于400 ℃)的管道材質(zhì)采用ASTM A106B，高溫熔鹽管道(熔鹽溫度大于400℃ )的管道材質(zhì)采用 ASTM A312-321/347；低溫熔鹽閥門(設(shè)計(jì)溫度小于等于400 ℃)的材質(zhì)選用ASTM A105(2寸以下的閥門)或ASTM A216 WCB (3 寸以上的閥門 )，高溫熔鹽閥門(設(shè)計(jì)溫度大于400 ℃)材質(zhì)選用ASTM A182 Gr321/347(2 寸 以 下 閥 門 )或 ASTM A351 CF8C (3寸以上閥門)[9]。目前，太陽能熱發(fā)電站的熔鹽閥門選材多是沿用或參考Solar Two項(xiàng)目的閥門選材，即對于設(shè)計(jì)溫度小于等于400 ℃的熔鹽閥門，其殼體材料推薦選用ASTM A216 WCB或ASTM A105；設(shè)計(jì)溫度在400～585 ℃之間的高溫熔鹽閥門，其殼體材料推薦選用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347。

3.3 熔鹽閥門的密封性能

3.3.1 密封方式

適用于熔鹽閥門的密封填料最早是由SNL測試發(fā)現(xiàn)的。SNL的科研人員在冷熔鹽循環(huán)和熱熔鹽循環(huán)系統(tǒng)中分別測試了以石墨填料、聚苯并咪唑(PBI)纖維、玻璃纖維、鋁絲等作為熔鹽閥門的密封填料。測試結(jié)果顯示：無論是角行程閥門還是直行程閥門，玻璃纖維和PBI纖維作為密封填料都表現(xiàn)出較好的適用性[12]。

包錦峰[13]采用試驗(yàn)手段分別對石墨填料和蛭石填料進(jìn)行了不同熔鹽溫度下的填料熱失重測試及閥門逸散性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：熔鹽溫度低于400 ℃時(shí)，石墨填料和蛭石填料的熱失重都達(dá)到較為理想的水平；但當(dāng)熔鹽溫度超過400 ℃時(shí)，石墨填料出現(xiàn)比較明顯的熱失重。當(dāng)采用蛭石填料時(shí)，隨著閥桿動(dòng)作次數(shù)的增加，閥門逸散性能迅速下降。另外，由于蛭石填料的材質(zhì)較為特殊，其一旦接觸水很容易失效，會(huì)發(fā)生熔鹽泄漏，這給采用蛭石填料的熔鹽閥門及熔鹽系統(tǒng)的壓力測試帶來新的挑戰(zhàn)。

石墨填料作為一種密封性非常好的密封材料，在國內(nèi)外的太陽能熱發(fā)電站中得到較多應(yīng)用。但由于石墨在高溫下的抗氧化性能降低，導(dǎo)致其密封效果不如蛭石填料，因此，在此種情況下蛭石填料的應(yīng)用較為普遍。

對于波紋管密封方式，盡管波紋管可以隔絕密封填料和熔鹽，但由于波紋管中波紋低點(diǎn)的存在，一旦熔鹽發(fā)生凝固，此時(shí)任何操作(含故障復(fù)位)都可能造成波紋管的破壞。因此，采用波紋管密封不僅會(huì)增加閥門的維修成本，而且對后期的閥門維護(hù)也提出了更高的要求。

3.3.2 閥門密封用墊片

目前，塔式太陽能熱發(fā)電站閥門密封用墊片主要有C型墊片、金屬環(huán)墊片、金屬齒形墊片、復(fù)合金屬墊片等。

C型墊片利用閥門內(nèi)部的流體壓力，通過C型墊片的膨脹實(shí)現(xiàn)密封。C型墊片通常在墊片外側(cè)設(shè)有金屬鍍層，以提高密封效果。但是C型墊片對于閥門法蘭面的粗糙度及墊片安裝精度等要求較高，導(dǎo)致閥門裝配及閥門維修難度相對較大。

金屬環(huán)墊片及金屬齒形墊片均采用法蘭螺栓緊固密封。作為目前大量采用的密封方式，這2種墊片具有連接可靠、密封牢固等優(yōu)點(diǎn)，而且金屬環(huán)墊片可以多次重復(fù)使用；但一旦法蘭拆卸，金屬齒形墊片易發(fā)生墊片失效現(xiàn)象。

對于復(fù)合金屬墊片，同樣涉及到復(fù)合材料的選型。對于低溫熔鹽閥門，石墨是一種較為合適的復(fù)合金屬墊片材質(zhì)；對于高溫熔鹽閥門，通常選用蛭石復(fù)合墊片，但是對于蛭石材料的墊片的使用，必須避免閥門與水發(fā)生接觸，以免造成墊片失效。

3.3.3 密封面

對于閥門密封面的選擇，在考慮耐磨損性的同時(shí)，還需要考慮熔鹽對密封面材料的腐蝕。

司太立合金具有較高的硬度和耐磨性，因此其在閥門密封面的應(yīng)用非常廣泛。SNL對采用司太立合金的閥門進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示：無論是在高溫條件下還是低溫條件下，司太立合金都是一種合適的密封面材料[9]。

文獻(xiàn)[7]中指出，在閥芯和閥座密封面采用司太立合金，可以解決熔鹽的腐蝕問題。

考慮到閥門后期的檢修及熔鹽的低溫凝固特性，推薦熔鹽閥門密封面采用司太立合金的同時(shí)，建議密封面的厚度選擇應(yīng)考慮到后期的重新研磨需求。

3.4 選型原則

對于熔鹽閥門型式的選擇，小口徑熔鹽閥門建議采用截止閥作為其開關(guān)閥型式，大口徑熔鹽閥門推薦采用三偏心蝶閥或閘閥作為其開關(guān)閥型式。

進(jìn)行熔鹽閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝時(shí)，應(yīng)盡量減小熔鹽閥門的液體死區(qū)，以降低熔鹽堆積凝固風(fēng)險(xiǎn)。

對于熔鹽閥門的材質(zhì)選擇，設(shè)計(jì)溫度小于等于400 ℃時(shí)，熔鹽閥門推薦采用ASTM A216 WCB 或 ASTM A105材料；設(shè)計(jì)溫度大于400 ℃時(shí)，熔鹽閥門推薦采用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347 材料。由于閥門內(nèi)件與閥體材質(zhì)可能存在不一致的情況，在熔鹽閥門設(shè)計(jì)選型過程中，應(yīng)考慮閥門材料的不同熱膨脹狀態(tài)。

考慮到熔鹽閥門密封填料的使用溫度及熔鹽在高溫條件下的氧化腐蝕性等問題，熔鹽閥門的閥蓋推薦采用延長設(shè)計(jì)。通過延長閥蓋長度，降低密封填料所處環(huán)境的溫度，從而降低熔鹽對填料的腐蝕。熔鹽閥門的閥蓋延長應(yīng)綜合考慮材料成本及填料的使用溫度區(qū)間。

熔鹽在低溫下易發(fā)生凝固，熔鹽閥門的電伴熱與溫度控制單元的設(shè)計(jì)顯得尤為重要，由于熔鹽閥門的特殊結(jié)構(gòu)，其單位長度上所需要的電伴熱長度與功率均因管道不同而不同，熔鹽閥門采用單獨(dú)的電伴熱設(shè)計(jì)和單獨(dú)的溫度控制單元十分必要。閥門電伴熱的設(shè)計(jì)通常需要配置一定比例的冗余，在部分電伴熱故障的條件下仍能夠確保閥門可以正常運(yùn)行，降低因閥門故障導(dǎo)致的停機(jī)事件發(fā)生的概率。

4 結(jié)論

本文從熔鹽閥門的研究進(jìn)展與應(yīng)用情況、使用工況、選型關(guān)鍵點(diǎn)等方面進(jìn)行分析與總結(jié)，得到以下結(jié)論：

1)對于塔式太陽能熱發(fā)電站，目前較為廣泛采用的熔鹽閥門開關(guān)為截止閥及三偏心蝶閥，閘閥因具有密封可靠、方便維修等特點(diǎn)，也是一種合適的大口徑熔鹽閥門開關(guān)閥。

2)石墨填料和蛭石填料是目前應(yīng)用較多的熔鹽閥門填料，蛭石填料的使用應(yīng)嚴(yán)格控制其與水的接觸，避免因填料失效引發(fā)熔鹽泄漏。熔鹽閥門的閥蓋推薦延長設(shè)計(jì)，以降低填料所處環(huán)境的熔鹽溫度，降低熔鹽氧化腐蝕性，延長填料的使用壽命。

3)對于閥門密封用墊片，C型墊片對墊片精度及閥門安裝精度要求較高，后續(xù)的維修難度較大。熔鹽閥門墊片推薦采用金屬環(huán)墊片、金屬齒形墊片或復(fù)合金屬墊片。

4)熔鹽閥門的卡澀或無法動(dòng)作等問題主要是由于熔鹽發(fā)生凝固引發(fā)的。熔鹽閥門的電伴熱及溫度控制單元應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且配置一定的冗余，以提高閥門的可靠性，降低閥門的故障率。