劉 智，張智博，吳玉良，曹家亮，胡世強(qiáng)，葉凱強(qiáng)

（特技閥門集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325105）

隨著近幾年來(lái)社會(huì)不斷進(jìn)步，人們對(duì)能源應(yīng)用的要求越來(lái)越高；思維不再是停留在能用就行的基礎(chǔ)上，尤其是這幾年來(lái)國(guó)家對(duì)能源的應(yīng)用提出了更高的要求。熔鹽塔式電站技術(shù)現(xiàn)在越來(lái)越受到大家關(guān)注，它的運(yùn)行溫度更高，效率更高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，被視為光熱未來(lái)大力發(fā)展的技術(shù)路線[1]。

在熔鹽光熱發(fā)電整個(gè)系統(tǒng)中，氣體、液體、液態(tài)金屬以及熔鹽等幾大類都是作為傳熱介質(zhì)的主要材料。在這幾大類當(dāng)中，較為常見(jiàn)的熔鹽主要是二元熔鹽和三元熔鹽，二元熔鹽的成分主要是60%NaNO3和40%KNO3，三元熔鹽的成分主要是7%NaNO3和53%KNO3以及40%NaNO2組成。綜上各類傳導(dǎo)介質(zhì)，水和水蒸氣作為氣體和液體是最為經(jīng)濟(jì)方便的，因?yàn)樗麄儫o(wú)需做其它熱交換，可直接帶動(dòng)機(jī)組發(fā)電。常見(jiàn)的水電站發(fā)電就是最好的例子，但是在光熱發(fā)電系統(tǒng)上，流動(dòng)的水動(dòng)能不能隨之可取，且對(duì)于該系統(tǒng)應(yīng)用上，壓力需要增加到10MPA以上才能得以應(yīng)用。液態(tài)金屬雖然集聚有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是在高溫下很容易與其他金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕，甚至爆炸，危險(xiǎn)系數(shù)高。

熔鹽和以上介質(zhì)相比，具有極佳的熱傳導(dǎo)能力，而且能滿足各種使用溫度，價(jià)格成本低廉，適合大批量采購(gòu)；其次，它的安全系數(shù)高，外部泄露基本上不會(huì)造成安全事故；缺點(diǎn)就是在高達(dá)600攝氏度的溫度下，熔鹽閥門會(huì)遭受更多挑戰(zhàn)。最常見(jiàn)的就是。

（1）高溫熔鹽的強(qiáng)氧化性對(duì)閥門造成腐蝕的影響。

（2）填料區(qū)不能耐受高溫。

（3）防止熔鹽在221攝氏度以下凝固對(duì)閥門密封造成破壞。

（4）熔鹽性質(zhì)的不穩(wěn)定會(huì)造成閥門的腐蝕破壞，氣化過(guò)程會(huì)造成氣。

（5）高溫熔鹽是高能流密度流體，對(duì)閥門造成擾動(dòng)和震動(dòng)。

由于以上挑戰(zhàn)，因此應(yīng)采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施來(lái)保證熔鹽閥設(shè)計(jì)的可靠性。

首先，對(duì)閥門填料區(qū)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，避免接觸高溫；閥蓋密封圈采用鍍銀金屬；其次，為了防止熔鹽凝固造成的破壞，設(shè)計(jì)中引入電伴熱方案保護(hù)閥門關(guān)鍵部位，如轉(zhuǎn)接部，過(guò)熱保護(hù)，填料區(qū)加裝溫度傳感器；配合帶有熱電偶的鑄鋁加熱器；下面本文重點(diǎn)從新的熔鹽截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上講述如何規(guī)避熔鹽導(dǎo)致管道結(jié)晶堵塞密封失效的這一現(xiàn)象[2]。

1 新型光熱發(fā)電用高溫熔鹽截止閥整體結(jié)構(gòu)

1.1 主要組成部分

1閥體，2閥座（可本體堆焊），3閥芯部件（閥芯、對(duì)開(kāi)環(huán)、閥瓣蓋），4體蓋密封及緊固件，5閥桿，6閥桿密封件-波紋管截止閥，7填料組件，8碟簧預(yù)載緊固件，9氣動(dòng)執(zhí)行器，10手動(dòng)裝置（圖1高溫熔鹽閥總體結(jié)構(gòu)圖）（圖2高溫熔鹽閥實(shí)物圖）。

圖1 高溫熔鹽閥總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 高溫熔鹽閥實(shí)物圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)工況描述

100MW的機(jī)組塔高一般在200m以上，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閥來(lái)控制熔鹽進(jìn)罐的速率、壓力及流量。而這些熔鹽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，設(shè)計(jì)出優(yōu)良性能的熔鹽閥顯得尤為重要。

1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.3.1 C型圈密封設(shè)計(jì)

在閥門的閥體和閥體連接密封位置，一般以PTFE和石墨金屬墊最為常見(jiàn)。但是在熔鹽閥上這兩種密封一般都不被選用，PTFE密封墊片多用于常溫工況，超過(guò)200℃以后，該密封件會(huì)軟化失效；石墨金屬墊范圍相對(duì)較廣泛，但是在高溫高壓下，石墨很容易松散，逐漸隨介質(zhì)流走。C型金屬密封圈（圖3）作為近年來(lái)一種新型密封件，具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先圓形開(kāi)口設(shè)計(jì)，在體蓋一定的壓力下，具有良好的彈性，接觸面同體蓋相接觸，形成線密封，所需的比壓相對(duì)較小，壽命更長(zhǎng)。其次必要時(shí)，在C型圈密封位置采用鍍銀工藝，提高了抗汽蝕能力。

圖3 典型C型金屬密封圈

圖4 半八角環(huán)密封示意圖

1.3.2 半八角環(huán)密封設(shè)計(jì)

鑒于熔鹽介質(zhì)溫度變化范圍較大，密封要求等級(jí)高；為了進(jìn)一步保證閥體和閥蓋的密封性能，在其密封位置增設(shè)有半八角環(huán)密封，其結(jié)構(gòu)如（圖4），兩道密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保中法蘭外漏問(wèn)題得到徹底解決。

1.3.3 波紋管閥桿密封設(shè)計(jì)

熔鹽閥除了中法蘭外漏點(diǎn)外，另一個(gè)外漏點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)在閥桿密封位置，因?yàn)樵陂y門開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，閥桿需要做上下運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)件之間的密封一直是難點(diǎn)。為了解決閥桿密封的問(wèn)題，我們將閥桿處密封設(shè)計(jì)為波紋管密封結(jié)構(gòu)，材料選用耐高溫耐腐蝕的inconel625，其良好的彈性確保了溫差以及壓力變化下密封不受任何影響。

1.3.4 平衡套導(dǎo)向穩(wěn)壓設(shè)計(jì)

高溫熔鹽閥大多數(shù)為加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為了確保加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，我們?cè)陂y桿和加長(zhǎng)閥蓋內(nèi)部設(shè)置了平衡套。其作用在于：首先平衡套在閥桿和閥蓋之間起到軸套導(dǎo)向的作用，降低了閥桿擾動(dòng)的幅度，間接提高了閥桿強(qiáng)度，降低開(kāi)關(guān)扭矩；其次平衡套上開(kāi)有小孔，該孔連通加長(zhǎng)閥蓋內(nèi)腔和閥體內(nèi)流道，防止加長(zhǎng)閥蓋內(nèi)部熔鹽介質(zhì)升壓或積聚對(duì)閥門性能造成影響。

1.3.5 體蓋連接碟簧預(yù)緊補(bǔ)償設(shè)計(jì)

為了確保閥體和閥蓋連接處緊固件在溫度壓力大范圍變化造成的螺絲松動(dòng)，我們?cè)陂y體和閥蓋連接螺栓螺母之間增設(shè)蝶形彈簧，成對(duì)裝配的蝶形彈簧能夠充分彌補(bǔ)

1.3.6 填料壓套壓蓋自定心設(shè)計(jì)

延長(zhǎng)閥蓋的結(jié)構(gòu)，閥桿細(xì)長(zhǎng)比更大，穩(wěn)定性更差，為了更好的規(guī)避由此造成的閥桿晃動(dòng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了填料壓套和壓蓋分離定位結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓套和壓蓋定位臺(tái)階導(dǎo)向，確保閥桿和閥體內(nèi)腔的同軸度，既降低了扭矩，也提高了閥門的整體穩(wěn)定性。

1.3.7 填料碟簧預(yù)緊補(bǔ)償設(shè)計(jì)

熔鹽閥一般內(nèi)外溫差比較大，為了確保填料的密封性能，保證內(nèi)部介質(zhì)不外漏以及外部介質(zhì)不滲入內(nèi)腔，我們?cè)谔盍蠅荷w的螺栓和螺母之間增設(shè)了蝶形彈簧，彈性預(yù)緊補(bǔ)償確保了填料保持在有效密封范圍內(nèi)。

1.3.8 閥芯密封面表面硬化設(shè)計(jì)

熔鹽閥在溫度降低后，容易造成結(jié)晶并積聚在閥門內(nèi)腔，在開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)密封面造成損傷。為了提高密封面的耐磨性能，我們對(duì)閥門密封面噴焊了碳化鎢，配磨后其硬度可以達(dá)到HRC60以上，使閥門密封壽命提高一倍以上。

1.3.9 氣動(dòng)手動(dòng)多種啟閉選擇方式設(shè)計(jì)

為了方便現(xiàn)場(chǎng)使用，同時(shí)也為了防止因?yàn)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)出故障而導(dǎo)致閥門不能開(kāi)啟的問(wèn)題，我們?cè)趩㈤]閥門上設(shè)計(jì)了兩種形式，手動(dòng)+氣動(dòng)，當(dāng)氣動(dòng)執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí)，能通過(guò)手動(dòng)臨時(shí)控制閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉。

1.3.10 電伴熱精確控溫設(shè)計(jì)

為了避免閥腔內(nèi)部因溫度變化導(dǎo)致的熔鹽結(jié)晶聚集等系列問(wèn)題，我們?cè)陂y門多部位單獨(dú)設(shè)置了電伴熱。閥門的電伴熱和管道的電伴熱分開(kāi)，并設(shè)置獨(dú)立的溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)不同位置的需求，設(shè)置不同的溫控點(diǎn)，精確控溫，徹底規(guī)避了內(nèi)部結(jié)晶問(wèn)題。

1.3.11 驅(qū)動(dòng)裝置過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)

由于熔鹽閥所使用的位置內(nèi)外部工況都比較特殊，我們配置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是有特殊要求的，其過(guò)熱保護(hù)就是其中之一，有效防止執(zhí)行器因溫度太高而降低其調(diào)節(jié)控制精度[3]。

2 其它應(yīng)用

該閥門除了在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的熔鹽介質(zhì)使用外，在其它任何類似的惡劣工況（降溫易導(dǎo)致結(jié)晶）下，都能平穩(wěn)運(yùn)行，尤其是類似苯等需要管道上保溫使用的工況，或者以上多種綜合運(yùn)行工況下，都能應(yīng)用，市場(chǎng)潛力巨大。

3 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目上的熔鹽閥都是采用進(jìn)口，但由于其使用位置苛刻，閥門的更換頻率依然很高，而且現(xiàn)場(chǎng)基本上都不具備維修的條件。我公司順應(yīng)國(guó)際能源的發(fā)展趨勢(shì)，充分吸收國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，并結(jié)合國(guó)情，持續(xù)性投入和不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出的熔鹽系類閥門，性能穩(wěn)定，隨著國(guó)際能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，必將在市場(chǎng)上開(kāi)創(chuàng)新的篇章。