太陽能具有清潔、方便、經(jīng)濟、安全、環(huán)保，取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢，是世界今后能源關(guān)注的重點。而中國將光熱發(fā)電列為“十三五”的關(guān)鍵技術(shù)研究工作之一，預(yù)計在2016年到2020年期間，光熱發(fā)電的裝機目標或定為10GW。
 

太陽能熱發(fā)電的工作原理，是將太陽能聚集起來，加熱工質(zhì)，驅(qū)動汽輪發(fā)電機即能發(fā)電。傳熱蓄熱工質(zhì)是儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵，如圖1所示，導(dǎo)熱油和熔融鹽均可作為工質(zhì)。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的熔鹽蓄熱溫區(qū)是286℃~393℃，每噸熔鹽只能蓄100℃的熱量，而熔鹽系統(tǒng)的蓄熱溫區(qū)可以達到150℃~550℃。導(dǎo)熱油系統(tǒng)蒸汽溫度最高可達到386℃，而熔鹽蒸汽溫度可達到535℃，提高蒸汽參數(shù)可以使發(fā)電站效率大約增加2%，年發(fā)電量提出14%，每年增加電站的收益非常可觀，實踐證明，低熔點熔融鹽越來越成為更多光熱發(fā)電公司的選擇。
 

 

那么，什么是熔融鹽？熔融鹽有什么特性？對閥門有何要求？電廠用熔鹽一般由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀混合而成，這種熔鹽在電場里用融熔狀態(tài)的鹽來傳遞熱量，稱其為熔融鹽。熔融鹽作為一種性能較好的傳熱介質(zhì)，工作溫度可達560℃，是傳統(tǒng)的碳氫化合物和導(dǎo)熱油等傳熱介質(zhì)所無法相比的。總的來說，融熔鹽是一種成本低、壽命長、換熱性能好的高溫(大于500℃)、高熱通量(大于105W/m2)和低壓(<2bar)傳熱介質(zhì)。其最大的屬性缺陷在于較高的凝固點，這使其較易造成集熱管管路堵塞。西班牙能源環(huán)境技術(shù)中心的Jesus Fernández-Reche表示，在儲熱罐中，熔鹽的凝固不會引起太大問題，在西班牙已運行電站的熔鹽儲熱系統(tǒng)中，熔鹽罐的溫度每天僅下降約1℃。但在傳熱系統(tǒng)中，熔鹽的凍結(jié)將會造成較大風(fēng)險，嚴重的可導(dǎo)致槽式電站集熱管的斷裂等。
 

以圖2熔鹽槽式電站為例，在傳熱以及蓄熱系統(tǒng)，都有熔融鹽的介質(zhì)，在這些系統(tǒng)里的設(shè)備，吸熱塔和冷/熱熔鹽儲罐，都需要安裝開關(guān)及調(diào)節(jié)閥門，來控制調(diào)節(jié)工藝流程。要求安裝在這些設(shè)備上的閥門，必須滿足下述工況：
 

 

·        耐高溫，高達560℃

·        閥門的熱傳導(dǎo)效率高，保證熔融鹽始終在其凝固點之上

·        很好的耐腐蝕性

 

艾默生（Emerson）旗下品牌Vanessa三偏心金屬硬密封蝶閥完全滿足上述要求，而現(xiàn)場閥門的使用工況也驗證了Vanessa非常適合這一工況。下文中會以Vanessa三偏心蝶閥為例，具體闡釋閥門在光熱發(fā)電項目中的應(yīng)用。

Vanessa工廠自2007年即開始參與全球眾多的太陽能光熱發(fā)電項目，見證了太陽能光熱發(fā)電的大發(fā)展的過程，亦為此做出了諸多貢獻。從最開始的采用導(dǎo)熱油的工藝到現(xiàn)如今的熔融鹽工藝，Vanessa都有針對性地對閥門進行了特殊的設(shè)計開發(fā)，并成功獲得訂單。
 

同時，Vanessa工廠也非常樂于與各從事光熱發(fā)電工藝技術(shù)開發(fā)的組織、公司進行合作，提供產(chǎn)品用于系統(tǒng)的開發(fā)試驗。為中國的光熱發(fā)電貢獻一份力量。
 

近日，艾默生最終控制事業(yè)部受CSP Focus光略咨詢的邀請，即將參與于3月22-23日在北京舉辦的第八屆CSP Focus光熱發(fā)電中國聚焦大會，大會現(xiàn)場將由艾默生最終控制業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理楊海濤女士分享公司旗下品牌Vanessa產(chǎn)品在光熱行業(yè)的解決方案。歡迎光熱行業(yè)人士出席會議并作現(xiàn)場交流。
 

三偏心蝶閥采用了一個與截止閥相類似的密封系統(tǒng)，該密封系統(tǒng)由具有相同圓錐截面形狀的一個固定閥座和一個可轉(zhuǎn)動的密封表面構(gòu)成。但是，三偏心蝶閥采用旋轉(zhuǎn)運動(而非軸向運動)，依靠錐頂相對于管道軸心傾斜的錐體來實現(xiàn)關(guān)斷，這使得三偏心蝶閥成為了“角行程的截止閥”。三偏心蝶閥和截止閥的閥座結(jié)構(gòu)比較如圖3所示。

 
 

根據(jù)截止閥的設(shè)計，僅當(dāng)密封元件處于關(guān)閉位置時才會產(chǎn)生一個單一的瞬間接觸，這是三偏心閥門能夠?qū)崿F(xiàn)無摩擦關(guān)閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠?qū)崿F(xiàn)雙向完全關(guān)閉。它的實現(xiàn)是借助于三個“偏心”(如圖4所示)：
 

·        軸設(shè)置在密封面的后面，使得閥門獲得了一個完整的連續(xù)密封面；

·        軸設(shè)置在管道/閥門中心線的一側(cè)，產(chǎn)生凸輪效應(yīng)，在開啟行程中密封圈與閥座不接觸，有效降低扭矩；

·        閥座和密封圈錐體中心線相對于管道/閥門中心線是傾斜的，完全消除了90°行程中的密封圈與閥座間的摩擦。

 

 

Vanessa錐中錐的設(shè)計概念要求使用金屬硬密封，以應(yīng)對所以可能的壓力水平。Vanessa使用高強度的Stellite® Gr.21閥座堆焊和一個高強度的雙相不銹鋼層片式的密封圈來實現(xiàn)金屬硬密封。
 

Vanessa三偏心蝶閥在開啟和關(guān)閉的運行過程中，閥座和密封圈之間的接觸完全消除，有效延長了密封元件和閥門的整體壽命。這與閥門角行程的特性相結(jié)合，使得閥門的運行扭矩更低更穩(wěn)定，閥門的動作更快更易于操作。同時使得閥門能夠在較小的角度進行調(diào)節(jié)。這一特性使得三偏心蝶閥成為各種要求緊急關(guān)斷、快速泄放或高頻動作應(yīng)用的理想閥門。
 

由于Vanessa三偏心蝶閥是角行程閥門，密封元件繞軸心旋轉(zhuǎn)，可以為用戶顯著節(jié)省現(xiàn)場的安裝空間，顯著改善動作性能。另外，角行程的旋轉(zhuǎn)運動也減少了對于填料的不利影響，避免了在直行程閥門閥桿上下運動時擠出磨損填料，造成外漏(如圖5所示)。Vanessa可實現(xiàn)手動、電動、氣動、液動操作。既可做切斷閥亦可作調(diào)節(jié)閥使用。
 

 

 

■ 針對熔融鹽的特殊工況，Vanessa做了如下的設(shè)計上的修改：首先，由于熔鹽的易滲透性、易腐蝕性，對于管道及閥門的外漏必然有極高的要求。與截止閥相比，Vanessa僅有閥體與管道連接處、閥桿處兩個外漏點，而截止閥除此之外還需要考慮螺栓連接的閥蓋處的泄漏(如圖6所示)。
 

 

其次，在材料的選擇上充分考慮了耐高溫。對整個閥門剩下的唯一的外漏點的閥桿處的密封做了特殊的改進。由于在高溫下，石墨容易與熔鹽發(fā)生氧化反應(yīng)，因此采用了更適用于熔鹽介質(zhì)的高溫密封材料。同時增加了額外的O型圈和活載荷效應(yīng)碟形彈簧，最大程度避免閥桿處外漏的產(chǎn)生，以及積極應(yīng)對光熱發(fā)電現(xiàn)場特有的極大的晝夜溫差造成的熱脹冷縮的影響。
 

最后，對于太陽能發(fā)電項目來說，節(jié)能意味著更高的發(fā)電效率。與截止閥相比，Vanessa的結(jié)構(gòu)更加緊湊簡單，因此在對管道進行隔熱保護的時候，操作更方便(如圖7所示)。而所需的電伴熱更少，僅需要針對閥頸處裸露的部分進行電伴熱設(shè)置。而同時，Vanessa還特別將填料改到了距離閥門中心更近的位置，最大程度減少熱量的損失。
 

 

 

Vanessa工廠專門針對閥門的熱消耗進行了很多的研究分析工作。以口徑為3''的閥門作為樣品進行了熱散失的分析。該試驗閥門在低溫與高溫之間進行熱循環(huán)，并在閥頸處設(shè)置電伴熱。在閥門多處設(shè)置溫度探頭進行溫度檢測。圖8中第一張圖指出了熱量一旦到達閥頸處即刻散失，溫度明顯下降。而第二張圖中說明了，熱量僅通過沒有進行隔熱的閥桿散失到外部。而當(dāng)伴熱輸入230W的熱量時，這部分損失掉的熱量即得到了平衡。熱量的消耗隨尺寸的增大而增加，最大測試24''的樣品的熱量消耗為1350W。此外，碳鋼材料比不銹鋼材料有更高的熱傳導(dǎo)效率，因此需要電伴熱輸入更高的能量。