董偉 王滿(mǎn)意

摘 ?要：塔式光熱發(fā)電吸熱儲(chǔ)熱換熱過(guò)程（以魯能海西50MW光熱項(xiàng)目為例）是利用冷熔鹽泵將290℃的冷熔鹽從冷熔鹽罐中抽出，再打到高度約188m的吸熱塔頂?shù)奈鼰崞魑恢?，吸熱器聚集了定日鏡場(chǎng)4400面定日鏡所反射的太陽(yáng)能，吸熱器部位的冷熔鹽被太陽(yáng)能加熱到565℃，然后在重力作用下流回到熱熔鹽罐中，再通過(guò)熱熔鹽泵將被加熱的熔鹽抽到旁邊的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)，熱熔鹽經(jīng)過(guò)與液態(tài)水發(fā)生熱交換，最終，液態(tài)水轉(zhuǎn)化為高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。在日落時(shí)，將整個(gè)管路中的熔鹽回收至熔鹽罐;在次日系統(tǒng)重新運(yùn)行時(shí)，通過(guò)熔鹽管道上環(huán)繞電阻絲先對(duì)整個(gè)管道進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)定溫度后才充入熔鹽。該文從塔式光熱發(fā)電熔鹽儲(chǔ)換熱和熔鹽調(diào)節(jié)閥的選擇兩個(gè)方面展開(kāi)論述。

關(guān)鍵詞：塔式光熱發(fā)電 ?熔鹽儲(chǔ)換熱 ?熔鹽調(diào)節(jié)閥 ?研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ02 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）12（b）-0079-02

1 ?光熱發(fā)電儲(chǔ)熱和高效傳熱介質(zhì)

1.1 熔融鹽概述

熔融鹽也稱(chēng)為熔鹽，通常指無(wú)機(jī)鹽的熔融體，是陰陽(yáng)離子組成的在高溫下呈液態(tài)的無(wú)機(jī)化合物。廣義的熔融鹽包括氧化物熔體及熔融有機(jī)物，從構(gòu)成上可分為二元熔鹽和多元組合熔鹽，從使用溫度上可分為低溫熔鹽、中溫熔鹽、高溫熔鹽。通過(guò)多數(shù)專(zhuān)家學(xué)者研究和在光熱項(xiàng)目中的實(shí)踐證明，熔融鹽是最佳的高溫傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，熔融鹽在液態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如儲(chǔ)熱密度大、傳熱性能好、蒸汽壓低、經(jīng)濟(jì)性高、放熱工況穩(wěn)定、安全性高、壽命長(zhǎng)、易調(diào)節(jié)等，同時(shí)還具備溶解核燃料、金屬等不同材料的能力。

1.2 高效傳熱介質(zhì)

在光熱發(fā)電系統(tǒng)中，可作為傳熱介質(zhì)的材料大致分為氣體、液體、液態(tài)金屬以及熔鹽等幾類(lèi)，其中氣體主要是He、CO2、水蒸氣等，液體主要是水、導(dǎo)熱油等，熔鹽主要是二元熔鹽（40%KNO3+60%KNO3），三元熔鹽HTS（7% NaNO3+53%KNO3+40%NaNO2）等。

以上各種傳熱介質(zhì)中，水和水蒸氣最為經(jīng)濟(jì)方便，可以直接帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，無(wú)需和其他介質(zhì)進(jìn)行熱交換，但是，水和水蒸氣形成的系統(tǒng)壓力大（10MPa以上），且蒸汽傳熱能力較差。

導(dǎo)熱油在常溫下以液態(tài)形式存在，可想而知，它的最大優(yōu)勢(shì)在于流動(dòng)性良好。有利又有弊，導(dǎo)熱油的價(jià)格十分昂貴，不適宜于大量采購(gòu)、使用。

液態(tài)金屬雖然有諸多優(yōu)良性能，比如良好的換熱能力、可達(dá)溫度值高、蒸汽壓也較低，但不可避免的是，與其他介質(zhì)比較，它具有較強(qiáng)腐蝕性強(qiáng)，如Na就極易發(fā)生泄漏，甚至爆炸事故，危及人生安全。

熔融鹽具有極佳的傳熱性能，能滿(mǎn)足各種使用溫度，且價(jià)格低，可滿(mǎn)足大批量采購(gòu)、使用。另外，熔融鹽安全性較高，若發(fā)生泄漏，一般不會(huì)造成事故。唯一的不足之處是在流動(dòng)傳熱過(guò)程中容易凝固，從而導(dǎo)致管道堵塞。

綜上所述，經(jīng)全面分析比較，熔融鹽是太陽(yáng)能傳熱領(lǐng)域最合適的一種傳熱、儲(chǔ)熱介質(zhì)，應(yīng)用價(jià)值極高。

2 ?熔鹽調(diào)節(jié)閥的選擇

50MW的機(jī)組塔高一般在180～200m，被加熱到565℃的熔鹽通過(guò)下降管回到熔鹽熱罐。通過(guò)在熔鹽進(jìn)熱熔鹽罐的管路中安裝熔鹽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制熔鹽進(jìn)罐的速率、壓力及流量。而這些熔鹽調(diào)節(jié)閥位置往往壓差比較高，過(guò)高的壓差會(huì)導(dǎo)致熔鹽流速過(guò)快，過(guò)快的熔鹽流速必然帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題，如振動(dòng)、沖刷汽蝕、噪聲等。因此，選擇優(yōu)良性能的熔鹽調(diào)節(jié)閥顯得尤為重要。

以下是幾種熔鹽調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及性能對(duì)比。

2.1 單座式調(diào)節(jié)閥

單座式調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)設(shè)計(jì)有兩大部件，分別為閥芯和閥座，其特點(diǎn)在于：泄漏量小。但該閥不平衡力大，其允許壓差較小，在高壓差、大口徑情況下不宜使用。

2.2 串級(jí)式調(diào)節(jié)閥

串級(jí)式調(diào)節(jié)閥多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是可以防止空化現(xiàn)象的出現(xiàn)。它的原理是：把原來(lái)的一個(gè)整體的截留區(qū)域劃分成多個(gè)節(jié)流區(qū)域，而這多個(gè)節(jié)流區(qū)域相互串聯(lián)在一起，壓力一級(jí)一級(jí)地降低，能有效地控制熔鹽壓力，使每一級(jí)的降壓值都高于飽和蒸汽壓，這樣就不會(huì)出現(xiàn)空化現(xiàn)象。其特點(diǎn)在于：在使用過(guò)程中可以有效降低每一級(jí)節(jié)流口的壓力;由于流動(dòng)阻力低，可以應(yīng)用于流體清潔度不高的場(chǎng)合;串級(jí)式調(diào)節(jié)閥制造工藝不復(fù)雜，成本投入較低;但串級(jí)式調(diào)節(jié)閥不適宜于流體壓差過(guò)高，流體流速過(guò)快的情況，因?yàn)槭茏陨硖攸c(diǎn)制約，其降壓級(jí)數(shù)無(wú)法設(shè)計(jì)得過(guò)多，至多僅為3～4級(jí)。

2.3 多層套筒式調(diào)節(jié)閥

多層套筒式調(diào)節(jié)閥與其他形式調(diào)節(jié)閥明顯不同的地方在于其典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由無(wú)數(shù)套筒構(gòu)成，套筒設(shè)計(jì)有多層，每層套筒上開(kāi)有小孔。流體從每層套筒的間隙流過(guò)，其結(jié)果是流體壓力一步步得到有效緩沖。其特點(diǎn)在于：較之串級(jí)式調(diào)節(jié)閥，多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級(jí)數(shù)可以設(shè)計(jì)制作得較多，故而降壓能力比串級(jí)式強(qiáng);多層套筒式調(diào)節(jié)閥不僅能滿(mǎn)足熔鹽高壓降、快流速、大流量的要求，而且能能允許固液兩相流的流動(dòng);熔鹽在流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，其主要工作區(qū)域在套筒中心區(qū)域，不直接對(duì)閥門(mén)金屬表面產(chǎn)生沖擊;抗噪聲、抗振動(dòng)性能、抗汽蝕性能良好;但套筒加工過(guò)程比較復(fù)雜，需投入較高成本。

2.4 創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥

創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥其核心節(jié)流部分的重要組件就是多個(gè)開(kāi)有迷宮式溝槽的金屬盤(pán)片。當(dāng)流體在流經(jīng)迷宮流道時(shí)，迂回轉(zhuǎn)折，因而能量能得到消耗。在此過(guò)程中，流體不僅得到逐級(jí)降壓，而且流體流速也被控制在合理的范圍之內(nèi)。多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥之所以可以勝任高壓差的場(chǎng)合，是因?yàn)樗慕祲杭?jí)數(shù)可以設(shè)計(jì)得較大，一般可達(dá)十幾到二十幾級(jí)。其特點(diǎn)在于：多級(jí)拐彎迷宮式流道可以靈活自如地控制流體流速，防止空化、汽蝕沖刷、噪聲及振動(dòng)等不良現(xiàn)象的發(fā)生;不難看出，迷宮流道有多少道拐彎，它就有多少級(jí)降壓級(jí)數(shù)，由于流道可以制造得相當(dāng)多，所以它的降壓能力是非常強(qiáng)的;創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥安裝與維護(hù)比較簡(jiǎn)便，盤(pán)片易更換;迷宮式流道可以針對(duì)不同流體介質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，迷宮流道不易發(fā)生堵塞。但迷宮式盤(pán)片制造精度要求很高。

從以上幾種調(diào)節(jié)閥進(jìn)行比較，可以看出單座式調(diào)節(jié)閥與串級(jí)式多級(jí)降壓不適應(yīng)光熱發(fā)電特殊位置的基本要求。多層套筒式調(diào)節(jié)閥使用時(shí)間過(guò)久會(huì)出現(xiàn)小范圍的汽蝕和較嚴(yán)重的沖刷現(xiàn)象。創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥基本上不會(huì)出現(xiàn)震動(dòng)，再通過(guò)對(duì)流道進(jìn)行改進(jìn)后，加上有效的伴熱措施，不易產(chǎn)生堵塞，同時(shí)保證了長(zhǎng)期運(yùn)行閥后進(jìn)罐的壓力保持在可靠的范圍之內(nèi)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

光熱發(fā)電是一種清潔無(wú)污染的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，而我國(guó)對(duì)光熱發(fā)電技術(shù)的研究和應(yīng)用還處于起步階段，有巨大的發(fā)展空間。塔式光熱發(fā)電是所有光熱發(fā)電技術(shù)中相對(duì)比較成熟的一種方式，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)、能源形勢(shì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展，塔式光熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)也必然會(huì)得到更大的突破。

通過(guò)上文論述，我們認(rèn)為創(chuàng)新迷宮式調(diào)節(jié)閥性能優(yōu)越，是冷熔鹽上塔與熱熔鹽回到熱熔鹽罐管路中所需熔鹽調(diào)節(jié)閥的首選。調(diào)節(jié)閥在各個(gè)位置的不同所產(chǎn)生的作用也是不同的，設(shè)計(jì)單位在選型的時(shí)候應(yīng)該根據(jù)該閥在所在的位置所起的作用進(jìn)行選型，調(diào)節(jié)閥廠家設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮設(shè)計(jì)單位提出的參數(shù)外，還應(yīng)該著重考慮熔鹽的最大飽和蒸氣壓，才能生產(chǎn)出合格的熔鹽調(diào)節(jié)閥。

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