太陽能熱發電站熔鹽閥門的選型分析

陳明強，唐 娟，唐亞平，余志勇，畢文劍

(浙江可勝技術股份有限公司，杭州 310053)

0 引言

太陽能熱發電是將聚光太陽能產生的高溫能量，通過吸熱和儲、換熱介質實現能量的收集與儲存，并通過相關設備最終轉換為日常需要的電力。太陽能熱發電的技術路線主要有塔式、槽式、線性菲涅爾式及碟式，其中，塔式太陽能熱發電技術因具有較高的聚光比、較高的汽輪機參數值及較高的汽輪機熱效率而得到越來越多企業或研究機構的重視[1]。2016年，國家能源局公布的第1批20個太陽能熱發電示范項目中，有9個是塔式太陽能熱發電項目。目前，塔式太陽能熱發電技術在中國、中東、南美及非洲等地區均得到蓬勃發展[2]。

對于塔式太陽能熱發電站而言，其吸熱、儲熱和換熱介質的選擇尤為關鍵。由于熔鹽具有較寬的使用溫度區間、較低的飽和蒸氣壓、較高的比熱容、無毒且高溫下性能穩定等特點，在太陽能熱發電站中得到大量應用。目前，應用最多的熔鹽是二元硝酸鹽，包含40%的硝酸鉀和60%的硝酸鈉[3-4]，因此，本文中提到的太陽能熱發電站均以熔鹽作為儲、換熱介質，且熔鹽均為二元硝酸鹽。但由于熔鹽具有低溫凝固及高溫氧化腐蝕特性[3]，導致熔鹽閥門的選型一直是太陽能熱發電站的技術難題之一。現有的太陽能熱發電站中，熔鹽閥門普遍存在內漏、外漏或卡死等情況，嚴重影響太陽能熱發電站的可靠及穩定運行[5]。

本文從太陽能熱發電站熔鹽閥門的研究進展與應用情況、使用工況、選型關鍵點等方面進行分析與總結，以期對未來塔式或槽式等以熔鹽為吸、儲熱介質的太陽能熱發電站熔鹽閥門的選型提供參考。

1 研究進展及應用情況

由于塔式太陽能熱發電技術的起步晚于槽式太陽能熱發電技術，因此，塔式太陽能熱發電站熔鹽閥門的選型前期多參考槽式太陽能熱發電站進行熔鹽閥門的選型和開發。國外部分實驗室在熔鹽閥門的設計選型及測試領域的研究開始的相對較早，主要有德國宇航中心(DLR)、美國國家可再生能源實驗室(NREL)、桑迪亞國家實驗室(SNL)等；此外，中國也有不少科研機構及企業投入較多精力對熔鹽閥門展開了各種研究。

SNL在1988～1990年期間進行了熔鹽系統的泵閥循環測試，采用高溫熔鹽及低溫熔鹽2套測試循環系統，對60 MWe級太陽能熱發電站的高溫熔鹽閥門及低溫熔鹽閥門進行測試。測試結果顯示：對于高溫熔鹽閥門，延長閥蓋以降低填料溫度是非常必要的[6]。

Rodríguez-garcía 等[7]對不同類型太陽能熱發電站各子系統中熔鹽閥門存在的主要問題及解決方案進行了分析，并提供了熔鹽閥門測試的案例。該研究推薦采用波紋管熔鹽閥門，并建議采用特殊的復合型腐蝕抑制劑及鎳基合金密封填料。

Gill等[8]采用有限元模型研究了熔鹽閥門密封填料在不同應力條件下的壽命情況，研究發現：當采用角行程閥門(比如：蝶閥)時，密封填料處的應力相對較小，密封填料的使用壽命相對較長。而采用直行程閥門(比如：截止閥/閘閥)時，密封填料處的應力相對較大，比如：美國的Solar Two項目經過長時間測試，發現截止閥出現的問題主要體現在密封填料處的熔鹽泄漏，閥門中口的熔鹽泄漏、電伴熱失效造成閥門無法開關等。

Solar Two項目曾采用球閥作為熔鹽閥門，但經過項目實際測試，發現球閥在項目中的使用并不可靠，主要體現在閥門無法正常開關[5]。

2 使用工況

熔鹽閥門在太陽能熱發電站的使用主要集中在吸熱，儲、換熱及化鹽等各分系統中。由于電站系統的復雜性及電站規模大小不同，電站所用熔鹽閥門的數量從幾十臺至上百臺不等，口徑主要集中在DN20～DN600之間。

不同于火力發電廠或化工廠，太陽能熱發電站具有典型的“間斷運行”特點，主要體現為白天天氣良好，太陽能熱發電系統聚光并發電，晚上因沒有太陽光，聚光吸熱系統停運；同時也存在太陽能熱發電站晴天運行，陰雨天停機的工況。“間斷運行”特點造成熔鹽閥門的頻繁開關問題，也導致熔鹽閥門所承受的壓力和溫度大范圍波動。

槽式太陽能熱發電站中，熔鹽的使用溫度上限約為390～400 ℃；塔式太陽能熱發電站中，熔鹽的使用溫度上限接近575 ℃。高溫引發熔鹽的強氧化性，對熔鹽閥門密封填料、墊片等的選擇提出嚴峻挑戰。另外，由于熔鹽在溫度低于238 ℃時會出現凝固，凝固后的熔鹽容易粘合閥門密封面及密封填料與閥桿的結合面等，對閥門的可靠使用產生嚴重影響。

3 選型關鍵點

3.1 開關閥的閥型

目前，熔鹽閥門廣泛使用的開關閥閥型為截止閥和三偏心蝶閥。比如：在中國第一批太陽能熱發電示范項目中，多數采用截止閥和三偏心蝶閥作為熔鹽閥門的開關閥。其中，對于小口徑熔鹽閥門，其開關閥多采用截止閥；對于大口徑熔鹽閥門，其開關閥則多采用三偏心蝶閥。

截止閥通過閥芯的上下運動實現閥門的啟閉。作為使用最廣泛的開關閥之一，其具有密封面摩擦力小、開啟高度小、制造容易、維修方便等特點。熔鹽閥門最早在SNL進行測試，經過長時間測試，發現截止閥運行可靠。因此，在之后開展的Solar Two項目中，截止閥得到了大量應用，并且截止閥在該項目中的優異表現也使其在后續的正式商業化項目中得到廣泛應用。但由于大口徑截止閥的重量較大、成本較高，且不方便布置，因此截止閥更多應用于疏鹽、排氣等小管路或前后壓差相對較小的調節管道上。

三偏心蝶閥是蝶閥的一種，通過蝶板的旋轉實現閥門的啟閉。三偏心蝶閥的第一偏心是指閥桿軸心偏離蝶板中心，第二偏心是指閥桿中心偏離本體中心，第三偏心是指蝶板密封面的圓錐型軸線偏斜于本體圓柱軸線。三偏心蝶閥得益于早期在槽式太陽能熱發電站熔鹽系統管路中的大量應用和優秀表現，使其在塔式太陽能熱發電站中的應用占得先機。三偏心蝶閥具有結構輕巧，易于布置，成本相對低廉，開、關速度快等特點，在現有的太陽能熱發電站中同樣被廣泛采用。通常，三偏心蝶閥適用于大口徑熔鹽閥門，一般作為大口徑管道上的開關閥使用。

除了截止閥和三偏心蝶閥，閘閥在SNL的測試及Solar Two項目中的使用也均表現出可靠性及穩定性。閘閥采用閘板作為啟閉件，通過控制閘閥的升降來實現閥門的開關，其具有流動阻力小，啟、閉時較為省力等優點，主要用于大口徑閥門。但相對于三偏心蝶閥，閘閥的成本更高且結構尺寸更大，使其在太陽能熱發電站中的使用相對較少。然而，由于閘閥的結構簡單、承壓性能好、密封可靠且易于維修，其也是一種較為合適的熔鹽閥門的開關閥。

截止閥、三偏心蝶閥及閘閥的特點對比如表1所示。

表1 截止閥、三偏心蝶閥及閘閥的特點對比Table 1 Comparison of characteristics of globe valve，triple eccentric butterfly valve and gate valve

SNL在Solar Two項目上對球閥進行了測試，發現球閥并不適合作為熔鹽工況下的開關閥[9]，主要是因為此類閥門易發生卡澀。自此之后，太陽能熱發電站熔鹽閥門采用球閥作為開關閥的情況相對較少。

對于其他類型的熔鹽閥門開關閥，均因成本或易造成卡澀等原因，很少應用于太陽能熱發電站的熔鹽系統。

3.2 熔鹽閥門的選材

針對不同金屬材質在不同熔鹽溫度下的特性，國內外很多學者進行過相關研究。1985年，Slusser等[10]對鎳基合金在不同熔鹽溫度下的腐蝕速率進行研究，發現當鎳基合金中鉻的含量在15%～20%之間時，材料的耐腐蝕性能最佳。2013年，SNL對不銹鋼321(SS-321)和不銹鋼347(SS-347)，以及鎳基合金Inconel 625和哈式合金230材料在不同熔鹽溫度下的腐蝕行為進行了研究，研究發現：在熔鹽溫度為600 ℃時，SS-321和SS-347的年腐蝕速度分別為15.9 μm和 10.4 μm[11]。

在Solar Two項目中，低溫熔鹽管道(熔鹽溫度小于等于400 ℃)的管道材質采用ASTM A106B，高溫熔鹽管道(熔鹽溫度大于400℃ )的管道材質采用 ASTM A312-321/347；低溫熔鹽閥門(設計溫度小于等于400 ℃)的材質選用ASTM A105(2寸以下的閥門)或ASTM A216 WCB (3 寸以上的閥門 )，高溫熔鹽閥門(設計溫度大于400 ℃)材質選用ASTM A182 Gr321/347(2 寸 以 下 閥 門 )或 ASTM A351 CF8C (3寸以上閥門)[9]。目前，太陽能熱發電站的熔鹽閥門選材多是沿用或參考Solar Two項目的閥門選材，即對于設計溫度小于等于400 ℃的熔鹽閥門，其殼體材料推薦選用ASTM A216 WCB或ASTM A105；設計溫度在400～585 ℃之間的高溫熔鹽閥門，其殼體材料推薦選用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347。

3.3 熔鹽閥門的密封性能

3.3.1 密封方式

適用于熔鹽閥門的密封填料最早是由SNL測試發現的。SNL的科研人員在冷熔鹽循環和熱熔鹽循環系統中分別測試了以石墨填料、聚苯并咪唑(PBI)纖維、玻璃纖維、鋁絲等作為熔鹽閥門的密封填料。測試結果顯示：無論是角行程閥門還是直行程閥門，玻璃纖維和PBI纖維作為密封填料都表現出較好的適用性[12]。

包錦峰[13]采用試驗手段分別對石墨填料和蛭石填料進行了不同熔鹽溫度下的填料熱失重測試及閥門逸散性試驗。試驗結果顯示：熔鹽溫度低于400 ℃時，石墨填料和蛭石填料的熱失重都達到較為理想的水平；但當熔鹽溫度超過400 ℃時，石墨填料出現比較明顯的熱失重。當采用蛭石填料時，隨著閥桿動作次數的增加，閥門逸散性能迅速下降。另外，由于蛭石填料的材質較為特殊，其一旦接觸水很容易失效，會發生熔鹽泄漏，這給采用蛭石填料的熔鹽閥門及熔鹽系統的壓力測試帶來新的挑戰。

石墨填料作為一種密封性非常好的密封材料，在國內外的太陽能熱發電站中得到較多應用。但由于石墨在高溫下的抗氧化性能降低，導致其密封效果不如蛭石填料，因此，在此種情況下蛭石填料的應用較為普遍。

對于波紋管密封方式，盡管波紋管可以隔絕密封填料和熔鹽，但由于波紋管中波紋低點的存在，一旦熔鹽發生凝固，此時任何操作(含故障復位)都可能造成波紋管的破壞。因此，采用波紋管密封不僅會增加閥門的維修成本，而且對后期的閥門維護也提出了更高的要求。

3.3.2 閥門密封用墊片

目前，塔式太陽能熱發電站閥門密封用墊片主要有C型墊片、金屬環墊片、金屬齒形墊片、復合金屬墊片等。

C型墊片利用閥門內部的流體壓力，通過C型墊片的膨脹實現密封。C型墊片通常在墊片外側設有金屬鍍層，以提高密封效果。但是C型墊片對于閥門法蘭面的粗糙度及墊片安裝精度等要求較高，導致閥門裝配及閥門維修難度相對較大。

金屬環墊片及金屬齒形墊片均采用法蘭螺栓緊固密封。作為目前大量采用的密封方式，這2種墊片具有連接可靠、密封牢固等優點，而且金屬環墊片可以多次重復使用；但一旦法蘭拆卸，金屬齒形墊片易發生墊片失效現象。

對于復合金屬墊片，同樣涉及到復合材料的選型。對于低溫熔鹽閥門，石墨是一種較為合適的復合金屬墊片材質；對于高溫熔鹽閥門，通常選用蛭石復合墊片，但是對于蛭石材料的墊片的使用，必須避免閥門與水發生接觸，以免造成墊片失效。

3.3.3 密封面

對于閥門密封面的選擇，在考慮耐磨損性的同時，還需要考慮熔鹽對密封面材料的腐蝕。

司太立合金具有較高的硬度和耐磨性，因此其在閥門密封面的應用非常廣泛。SNL對采用司太立合金的閥門進行測試，測試結果顯示：無論是在高溫條件下還是低溫條件下，司太立合金都是一種合適的密封面材料[9]。

文獻[7]中指出，在閥芯和閥座密封面采用司太立合金，可以解決熔鹽的腐蝕問題。

考慮到閥門后期的檢修及熔鹽的低溫凝固特性，推薦熔鹽閥門密封面采用司太立合金的同時，建議密封面的厚度選擇應考慮到后期的重新研磨需求。

3.4 選型原則

對于熔鹽閥門型式的選擇，小口徑熔鹽閥門建議采用截止閥作為其開關閥型式，大口徑熔鹽閥門推薦采用三偏心蝶閥或閘閥作為其開關閥型式。

進行熔鹽閥門結構設計與安裝時，應盡量減小熔鹽閥門的液體死區，以降低熔鹽堆積凝固風險。

對于熔鹽閥門的材質選擇，設計溫度小于等于400 ℃時，熔鹽閥門推薦采用ASTM A216 WCB 或 ASTM A105材料；設計溫度大于400 ℃時，熔鹽閥門推薦采用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347 材料。由于閥門內件與閥體材質可能存在不一致的情況，在熔鹽閥門設計選型過程中，應考慮閥門材料的不同熱膨脹狀態。

考慮到熔鹽閥門密封填料的使用溫度及熔鹽在高溫條件下的氧化腐蝕性等問題，熔鹽閥門的閥蓋推薦采用延長設計。通過延長閥蓋長度，降低密封填料所處環境的溫度，從而降低熔鹽對填料的腐蝕。熔鹽閥門的閥蓋延長應綜合考慮材料成本及填料的使用溫度區間。

熔鹽在低溫下易發生凝固，熔鹽閥門的電伴熱與溫度控制單元的設計顯得尤為重要，由于熔鹽閥門的特殊結構，其單位長度上所需要的電伴熱長度與功率均因管道不同而不同，熔鹽閥門采用單獨的電伴熱設計和單獨的溫度控制單元十分必要。閥門電伴熱的設計通常需要配置一定比例的冗余，在部分電伴熱故障的條件下仍能夠確保閥門可以正常運行，降低因閥門故障導致的停機事件發生的概率。

4 結論

本文從熔鹽閥門的研究進展與應用情況、使用工況、選型關鍵點等方面進行分析與總結，得到以下結論：

1)對于塔式太陽能熱發電站，目前較為廣泛采用的熔鹽閥門開關為截止閥及三偏心蝶閥，閘閥因具有密封可靠、方便維修等特點，也是一種合適的大口徑熔鹽閥門開關閥。

2)石墨填料和蛭石填料是目前應用較多的熔鹽閥門填料，蛭石填料的使用應嚴格控制其與水的接觸，避免因填料失效引發熔鹽泄漏。熔鹽閥門的閥蓋推薦延長設計，以降低填料所處環境的熔鹽溫度，降低熔鹽氧化腐蝕性，延長填料的使用壽命。

3)對于閥門密封用墊片，C型墊片對墊片精度及閥門安裝精度要求較高，后續的維修難度較大。熔鹽閥門墊片推薦采用金屬環墊片、金屬齒形墊片或復合金屬墊片。

4)熔鹽閥門的卡澀或無法動作等問題主要是由于熔鹽發生凝固引發的。熔鹽閥門的電伴熱及溫度控制單元應單獨進行設計，并且配置一定的冗余，以提高閥門的可靠性，降低閥門的故障率。