太陽能具有清潔、方便、經濟、安全、環(huán)保，取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢，是世界今后能源關注的重點。而中國將光熱發(fā)電列為“十三五”的關鍵技術研究工作之一，預計在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，驅動汽輪發(fā)電機即能發(fā)電。傳熱蓄熱工質是儲能系統(tǒng)的關鍵，如圖1所示，導熱油和熔融鹽均可作為工質。導熱油系統(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?？捎^，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，工作溫度可達560℃，是傳統(tǒng)的碳氫化合物和導熱油等傳熱介質所無法相比的?？偟膩碚f，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。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，熔鹽的凍結將會造成較大風險，嚴重的可導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，在這些系統(tǒng)里的設備，吸熱塔和冷/熱熔鹽儲罐，都需要安裝開關及調節(jié)閥門，來控制調節(jié)工藝流程。要求安裝在這些設備上的閥門，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。從最開始的采用導熱油的工藝到現如今的熔融鹽工藝，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)電工藝技術開發(fā)的組織、公司進行合作，提供產品用于系統(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，大會現場將由艾默生最終控制業(yè)務發(fā)展經理楊海濤女士分享公司旗下品牌Vanessa產品在光熱行業(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動的密封表面構成。但是，三偏心蝶閥采用旋轉運動(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關斷，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構比較如圖3所示。

 
 

根據截止閥的設計，僅當密封元件處于關閉位置時才會產生一個單一的瞬間接觸，這是三偏心閥門能夠實現無摩擦關閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠實現雙向完全關閉。它的實現是借助于三個“偏心”(如圖4所示)：
 

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

·        軸設置在管道/閥門中心線的一側，產生凸輪效應，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錐中錐的設計概念要求使用金屬硬密封，以應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金屬硬密封。
 

Vanessa三偏心蝶閥在開啟和關閉的運行過程中，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節(jié)。這一特性使得三偏心蝶閥成為各種要求緊急關斷、快速泄放或高頻動作應用的理想閥門。
 

由于Vanessa三偏心蝶閥是角行程閥門，密封元件繞軸心旋轉，可以為用戶顯著節(jié)省現場的安裝空間，顯著改善動作性能。另外，角行程的旋轉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可實現手動、電動、氣動、液動操作。既可做切斷閥亦可作調節(jié)閥使用。
 

 

 

■ 針對熔融鹽的特殊工況，Vanessa做了如下的設計上的修改：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，因此采用了更適用于熔鹽介質的高溫密封材料。同時增加了額外的O型圈和活載荷效應碟形彈簧，最大程度避免閥桿處外漏的產生，以及積極應對光熱發(fā)電現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的結構更加緊湊簡單，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)，并在閥頸處設置電伴熱。在閥門多處設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效率，因此需要電伴熱輸入更高的能量。