光热发电用熔盐阀门的选型及应用

王明

摘 要：熔盐阀门作为光热电站的重要设备之一，在整个发电系统内具有极其重要的作用。由于光热电站所使用介质的特殊性，使得光热电站阀门面临许多新的技术难点和挑战。目前国内光热电站阀门缺少相关的实际应用经验，同时对于光热电站的认识和了解也相对较少。

关键词：电站用阀门;熔盐;光热电站

1.光热发电技术特性

1.1槽式光热电站

槽式太阳能热发电站是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串和并联的排列加热导热油，高温导热油经过换热器将热量传输给蒸汽，从而驱动汽轮机产生电力，其原理如图1所示。由于槽式光热电站技术成熟且可靠，目前全世界90%左右的太阳能光热电站都是槽式电站。槽式电站的工作介质一般为导热油。由于导热油高温会发生分解，故其最高工作温度一般限制在395℃左右，与蒸汽换热后导热油的温度会降至295℃左右。由于导热油具有易燃易爆的特点，因此对于设备的外部密封一般较为严格，严禁导热油泄漏到环境中，以免发生燃烧和爆炸的风险。为了实现阴雨天或夜间连续发电，槽式电站一般配有熔盐储热系统。储热系统主要由热罐、冷罐、熔盐工质和其他的一些设备组成。在白天天气晴朗时，经过太阳能加热的高温导热油加热熔盐至385℃左右并储存在热盐罐中。当到晚上或天气为阴天时，利用热盐罐中的高温熔盐加热蒸汽从而实现发电目的，所以配有储热系统的光热电站可以实现24h连续发电[1]。

1.2塔式光热电站

塔式光热电站与槽式电站最大的区别在于太阳岛结构不同。塔式电站由成千上万个逐日平面镜将太阳光聚集到吸热塔上并加热工质，其原理如图2所示，加热后的工质与蒸汽换热提高蒸汽的能量。塔式光热电站一般采用熔盐工质，其最高工作温度可达到565℃，相比于槽式光热电站，塔式电站具有更高蒸汽温度和较高朗肯循环发电效率。由于塔式电站的技术成熟度不高，目前世界上建设成功的塔式电站相对比较少，但是塔式相比于槽式具有初投资低和效率高等优点，现阶段塔式光热电站有取代槽式的趋势。另外塔式电站为了实现持续发电，一般也会配有储热系统，其储热系统结构与槽式相似。

2.光热电站阀门分析

2.1电站用工质

光热电站使用的工质比较多，有水蒸汽、液态钠、熔盐和导热油等等。目前主流使用的工质有导热油和熔盐2种，其中导热油一般作为槽式和菲涅尔式的吸热介质，近年来已经有开始研究熔盐槽式光热电站。而熔盐主要用于塔式电站和其他技术类型光热电站的储能工质。导光热电站中一般使用化学合成导热油，由于导热油具有易燃等特点，因此对管道设备的密封性要求较高。另外，现阶段光热电站使用的导热都有一个凝固点，因此当气温较低时，应对配管、仪表和阀门等设备配有防冻的伴热系统。熔盐作为一种由化学纯硝酸盐混合体组成的低共熔点混合物，可以分为二元盐和三元盐2种。现阶段光热电站使用的熔盐主要以二元盐为主，其凝固温度和最高使用温度都相对较高。二元盐相对于三元盐具有更高的温度上限，但同时也具有较高的凝固温度，对于电站的防冻堵要求也较高，因此电站的管道和阀门外部一般配有伴热系统，以保持整个系统在工质凝固点温度之上[2]。

2.2阀门工况

不同技术类型的光热电站的运行工况较为明确，表1列出了槽式和塔式光热电站的管道工作压力和温度，对于不同机组容量的光热电站，其运行参数会有所不同。对于塔式电站，由于集热塔的高度较高，其太阳岛内部介质的工作压力一般高于储热系统的介质压力，储热系统的工作压力在0.7～1.1MPa。而槽式电站的导热油一般工作压力根据导热油管道的长度设计，如100MW的槽式电站，其导热油阀门一般选择Class600lb。

2.3阀门要求

由于光热电站阀门内部工质不同于普通阀门，因此阀门所采用的结构与材料也与常规阀门有所不同。对于槽式电站集热系统，其流通介质为具有易燃特性的导热油，因此对于阀门的外漏要求也相对较高，填料处的密封一般选择波纹管加石墨填料双重密封结构。对于熔盐阀门，因熔盐工作温度较高，加上熔盐在高温下具有较强氧化性，对金属和非金属都会产生较强的腐蚀。另外二元熔盐在低于220℃以下会凝固，一旦阀门内疏盐不彻底，会导致阀门无法启闭。熔盐阀门相比于普通的阀门具有一定的特殊要求。

（1）阀门频繁启闭时能保证正常工作，且疏盐时阀体内尽量不积盐，防止熔盐冻结导致阀门无法实现密封。（2）熔盐阀门本体材料能耐熔盐的腐蚀。（3）阀门的非金属垫片和填料能承受高温熔盐的腐蚀。（4）光热电站集热系统受太阳光照的影响（当有云遮住太阳时），因此设备会间歇运行，因此阀门能承受冷热温度交变的要求。（5）为了防止熔盐阀门冻结，熔盐阀门一般配有电伴热要求。

2.4阀门选型

针对熔盐具有较高的凝固点的特性，在阀门选型时需要考虑到熔盐凝固给阀门带来的影响，因此对于中腔易积液的阀门（如球阀、闸阀）则不太适合熔盐系统。结合实际的使用经验分析，熔盐阀一般的选型分为2种，一种是Goble波纹管阀门，其主要针对口径较小的阀门。对于大口径的熔鹽管道，一般选择蝶阀。另外考虑到实际工况的温度交变性和现场熔盐泄漏的安全性，一般熔盐阀门采用焊接端连接方式，不宜采用法兰结构，避免由于温度交变导致法兰处的泄漏。

3.结语

随着光热电站技术及商业化的成熟，光热电站建设已呈现新的增长，并随光热电站规模的增大，其发电成本也呈逐步下降的趋势。目前，中国正在逐步研究第二批光热电站示范项目，光热电站的关键设备特别是熔盐阀、熔盐泵等设备的国产化已经成为行业内一致的共识[3]。

参考文献：

[1]史忠录，杜佩英，屈小荣，马彦军.光热发电及熔盐的应用前景[J].盐科学与化工，2019，48（04）：19-21.

[2]何军.熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究[J].节能与环保，2019（02）：100-101.

[3]金姗.太阳能光热发电项目熔盐蒸汽发生系统整体布置研究[J].东方电气评论，2018，32（04）：80-83.