光熱發(fā)電用熔鹽閥門的選型及應(yīng)用

光熱發(fā)電用熔鹽閥門的選型及應(yīng)用光熱發(fā)電用熔鹽閥門的選型及應(yīng)用

王明

摘要：熔鹽閥門作為光熱電站的重要設(shè)備之一，在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)具有極其重要的作用。由于光熱電站所使用介質(zhì)的特殊性，使得光熱電站閥門面臨許多新的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)光熱電站閥門缺少相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)對于光熱電站的認(rèn)識和了解也相對較少。

關(guān)鍵詞：電站用閥門;熔鹽;光熱電站

1.光熱發(fā)電技術(shù)特性

1.1槽式光熱電站

槽式太陽能熱發(fā)電站是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串和并聯(lián)的排列加熱導(dǎo)熱油，高溫導(dǎo)熱油經(jīng)過換熱器將熱量傳輸給蒸汽，從而驅(qū)動汽輪機(jī)產(chǎn)生電力，其原理如圖1所示。由于槽式光熱電站技術(shù)成熟且可靠，目前全世界90%左右的太陽能光熱電站都是槽式電站。槽式電站的工作介質(zhì)一般為導(dǎo)熱油。由于導(dǎo)熱油高溫會發(fā)生分解，故其最高工作溫度一般限制在395℃左右，與蒸汽換熱后導(dǎo)熱油的溫度會降至295℃左右。由于導(dǎo)熱油具有易燃易爆的特點(diǎn)，因此對于設(shè)備的外部密封一般較為嚴(yán)格，嚴(yán)禁導(dǎo)熱油泄漏到環(huán)境中，以免發(fā)生燃燒和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。為了實(shí)現(xiàn)陰雨天或夜間連續(xù)發(fā)電，槽式電站一般配有熔鹽儲熱系統(tǒng)。儲熱系統(tǒng)主要由熱罐、冷罐、熔鹽工質(zhì)和其他的一些設(shè)備組成。在白天天氣晴朗時(shí)，經(jīng)過太陽能加熱的高溫導(dǎo)熱油加熱熔鹽至385℃左右并儲存在熱鹽罐中。當(dāng)?shù)酵砩匣蛱鞖鉃殛幪鞎r(shí)，利用熱鹽罐中的高溫熔鹽加熱蒸汽從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電目的，所以配有儲熱系統(tǒng)的光熱電站可以實(shí)現(xiàn)24h連續(xù)發(fā)電[1]。

1.2塔式光熱電站

塔式光熱電站與槽式電站最大的區(qū)別在于太陽島結(jié)構(gòu)不同。塔式電站由成千上萬個(gè)逐日平面鏡將太陽光聚集到吸熱塔上并加熱工質(zhì)，其原理如圖2所示，加熱后的工質(zhì)與蒸汽換熱提高蒸汽的能量。塔式光熱電站一般采用熔鹽工質(zhì)，其最高工作溫度可達(dá)到565℃，相比于槽式光熱電站，塔式電站具有更高蒸汽溫度和較高朗肯循環(huán)發(fā)電效率。由于塔式電站的技術(shù)成熟度不高，目前世界上建設(shè)成功的塔式電站相對比較少，但是塔式相比于槽式具有初投資低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)階段塔式光熱電站有取代槽式的趨勢。另外塔式電站為了實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電，一般也會配有儲熱系統(tǒng)，其儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與槽式相似。

2.光熱電站閥門分析

2.1電站用工質(zhì)

光熱電站使用的工質(zhì)比較多，有水蒸汽、液態(tài)鈉、熔鹽和導(dǎo)熱油等等。目前主流使用的工質(zhì)有導(dǎo)熱油和熔鹽2種，其中導(dǎo)熱油一般作為槽式和菲涅爾式的吸熱介質(zhì)，近年來已經(jīng)有開始研究熔鹽槽式光熱電站。而熔鹽主要用于塔式電站和其他技術(shù)類型光熱電站的儲能工質(zhì)。導(dǎo)光熱電站中一般使用化學(xué)合成導(dǎo)熱油，由于導(dǎo)熱油具有易燃等特點(diǎn)，因此對管道設(shè)備的密封性要求較高。另外，現(xiàn)階段光熱電站使用的導(dǎo)熱都有一個(gè)凝固點(diǎn)，因此當(dāng)氣溫較低時(shí)，應(yīng)對配管、儀表和閥門等設(shè)備配有防凍的伴熱系統(tǒng)。熔鹽作為一種由化學(xué)純硝酸鹽混合體組成的低共熔點(diǎn)混合物，可以分為二元鹽和三元鹽2種?，F(xiàn)階段光熱電站使用的熔鹽主要以二元鹽為主，其凝固溫度和最高使用溫度都相對較高。二元鹽相對于三元鹽具有更高的溫度上限，但同時(shí)也具有較高的凝固溫度，對于電站的防凍堵要求也較高，因此電站的管道和閥門外部一般配有伴熱系統(tǒng)，以保持整個(gè)系統(tǒng)在工質(zhì)凝固點(diǎn)溫度之上[2]。

2.2閥門工況

不同技術(shù)類型的光熱電站的運(yùn)行工況較為明確，表1列出了槽式和塔式光熱電站的管道工作壓力和溫度，對于不同機(jī)組容量的光熱電站，其運(yùn)行參數(shù)會有所不同。對于塔式電站，由于集熱塔的高度較高，其太陽島內(nèi)部介質(zhì)的工作壓力一般高于儲熱系統(tǒng)的介質(zhì)壓力，儲熱系統(tǒng)的工作壓力在0.7～1.1MPa。而槽式電站的導(dǎo)熱油一般工作壓力根據(jù)導(dǎo)熱油管道的長度設(shè)計(jì)，如100MW的槽式電站，其導(dǎo)熱油閥門一般選擇Class600lb。

2.3閥門要求

由于光熱電站閥門內(nèi)部工質(zhì)不同于普通閥門，因此閥門所采用的結(jié)構(gòu)與材料也與常規(guī)閥門有所不同。對于槽式電站集熱系統(tǒng)，其流通介質(zhì)為具有易燃特性的導(dǎo)熱油，因此對于閥門的外漏要求也相對較高，填料處的密封一般選擇波紋管加石墨填料雙重密封結(jié)構(gòu)。對于熔鹽閥門，因熔鹽工作溫度較高，加上熔鹽在高溫下具有較強(qiáng)氧化性，對金屬和非金屬都會產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕。另外二元熔鹽在低于220℃以下會凝固，一旦閥門內(nèi)疏鹽不徹底，會導(dǎo)致閥門無法啟閉。熔鹽閥門相比于普通的閥門具有一定的特殊要求。

（1）閥門頻繁啟閉時(shí)能保證正常工作，且疏鹽時(shí)閥體內(nèi)盡量不積鹽，防止熔鹽凍結(jié)導(dǎo)致閥門無法實(shí)現(xiàn)密封。（2）熔鹽閥門本體材料能耐熔鹽的腐蝕。（3）閥門的非金屬墊片和填料能承受高溫熔鹽的腐蝕。（4）光熱電站集熱系統(tǒng)受太陽光照的影響（當(dāng)有云遮住太陽時(shí)），因此設(shè)備會間歇運(yùn)行，因此閥門能承受冷熱溫度交變的要求。（5）為了防止熔鹽閥門凍結(jié)，熔鹽閥門一般配有電伴熱要求。

2.4閥門選型

針對熔鹽具有較高的凝固點(diǎn)的特性，在閥門選型時(shí)需要考慮到熔鹽凝固給閥門帶來的影響，因此對于中腔易積液的閥門（如球閥、閘閥）則不太適合熔鹽系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)分析，熔鹽閥一般的選型分為2種，一種是Goble波紋管閥門，其主要針對口徑較小的閥門。對于大口徑的熔鹽管道，一般選擇蝶閥。另外考慮到實(shí)際工況的溫度交變性和現(xiàn)場熔鹽泄漏的安全性，一般熔鹽閥門采用焊接端連接方式，不宜采用法蘭結(jié)構(gòu)，避免由于溫度交變導(dǎo)致法蘭處的泄漏。

3.結(jié)語

隨著光熱電站技