塔式光热发电熔盐储换热及熔盐调节阀浅谈

董伟 王满意

摘  要：塔式光热发电吸热储热换热过程（以鲁能海西50MW光热项目为例）是利用冷熔盐泵将290℃的冷熔盐从冷熔盐罐中抽出，再打到高度约188m的吸热塔顶的吸热器位置，吸热器聚集了定日镜场4400面定日镜所反射的太阳能，吸热器部位的冷熔盐被太阳能加热到565℃，然后在重力作用下流回到热熔盐罐中，再通过热熔盐泵将被加热的熔盐抽到旁边的蒸汽发生器系统，热熔盐经过与液态水发生热交换，最终，液态水转化为高温高压蒸汽，高温高压蒸汽驱动汽轮机发电系统发电。在日落时，将整个管路中的熔盐回收至熔盐罐;在次日系统重新运行时，通过熔盐管道上环绕电阻丝先对整个管道进行预热，达到预定温度后才充入熔盐。该文从塔式光热发电熔盐储换热和熔盐调节阀的选择两个方面展开论述。

关键词：塔式光热发电  熔盐储换热  熔盐调节阀  研究

中图分类号：TQ02                文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）12（b）-0079-02

1  光热发电储热和高效传热介质

1.1 熔融盐概述

熔融盐也称为熔盐，通常指无机盐的熔融体，是阴阳离子组成的在高温下呈液态的无机化合物。广义的熔融盐包括氧化物熔体及熔融有机物，从构成上可分为二元熔盐和多元组合熔盐，从使用温度上可分为低温熔盐、中温熔盐、高温熔盐。通过多数专家学者研究和在光热项目中的实践证明，熔融盐是最佳的高温传热储热介质，熔融盐在液态下表现出优异的性能，例如储热密度大、传热性能好、蒸汽压低、经济性高、放热工况稳定、安全性高、寿命长、易调节等，同时还具备溶解核燃料、金属等不同材料的能力。

1.2 高效传热介质

在光热发电系统中，可作为传热介质的材料大致分为气体、液体、液态金属以及熔盐等几类，其中气体主要是He、CO2、水蒸气等，液体主要是水、导热油等，熔盐主要是二元熔盐（40%KNO3+60%KNO3），三元熔盐HTS（7% NaNO3+53%KNO3+40%NaNO2）等。

以上各种传热介质中，水和水蒸气最为经济方便，可以直接带动汽轮机发电，无需和其他介质进行热交换，但是，水和水蒸气形成的系统压力大（10MPa以上），且蒸汽传热能力较差。

导热油在常温下以液态形式存在，可想而知，它的最大优势在于流动性良好。有利又有弊，导热油的价格十分昂贵，不适宜于大量采购、使用。

液态金属虽然有诸多优良性能，比如良好的换热能力、可达温度值高、蒸汽压也较低，但不可避免的是，与其他介质比较，它具有较强腐蚀性强，如Na就极易发生泄漏，甚至爆炸事故，危及人生安全。

熔融盐具有极佳的传热性能，能满足各种使用温度，且价格低，可满足大批量采购、使用。另外，熔融盐安全性较高，若发生泄漏，一般不会造成事故。唯一的不足之处是在流动传热过程中容易凝固，从而导致管道堵塞。

综上所述，经全面分析比较，熔融盐是太阳能传热领域最合适的一种传热、储热介质，应用价值极高。

2  熔盐调节阀的选择

50MW的机组塔高一般在180～200m，被加热到565℃的熔盐通过下降管回到熔盐热罐。通过在熔盐进热熔盐罐的管路中安装熔盐调节阀来控制熔盐进罐的速率、压力及流量。而这些熔盐调节阀位置往往压差比较高，过高的压差会导致熔盐流速过快，过快的熔盐流速必然带来严重的问题，如振动、冲刷汽蚀、噪声等。因此，选择优良性能的熔盐调节阀显得尤为重要。

以下是几种熔盐调节阀的结构及性能对比。

2.1 单座式调节阀

单座式调节阀阀体内设计有两大部件，分别为阀芯和阀座，其特点在于：泄漏量小。但该阀不平衡力大，其允许压差较小，在高壓差、大口径情况下不宜使用。

2.2 串级式调节阀

串级式调节阀多级降压结构最大的优势是可以防止空化现象的出现。它的原理是：把原来的一个整体的截留区域划分成多个节流区域，而这多个节流区域相互串联在一起，压力一级一级地降低，能有效地控制熔盐压力，使每一级的降压值都高于饱和蒸汽压，这样就不会出现空化现象。其特点在于：在使用过程中可以有效降低每一级节流口的压力;由于流动阻力低，可以应用于流体清洁度不高的场合;串级式调节阀制造工艺不复杂，成本投入较低;但串级式调节阀不适宜于流体压差过高，流体流速过快的情况，因为受自身特点制约，其降压级数无法设计得过多，至多仅为3～4级。

2.3 多层套筒式调节阀

多层套筒式调节阀与其他形式调节阀明显不同的地方在于其典型结构特征是阀芯部分节流件由无数套筒构成，套筒设计有多层，每层套筒上开有小孔。流体从每层套筒的间隙流过，其结果是流体压力一步步得到有效缓冲。其特点在于：较之串级式调节阀，多级套筒式调节阀降压级数可以设计制作得较多，故而降压能力比串级式强;多层套筒式调节阀不仅能满足熔盐高压降、快流速、大流量的要求，而且能能允许固液两相流的流动;熔盐在流经调节阀时，其主要工作区域在套筒中心区域，不直接对阀门金属表面产生冲击;抗噪声、抗振动性能、抗汽蚀性能良好;但套筒加工过程比较复杂，需投入较高成本。

2.4 创新迷宫式调节阀

创新迷宫式调节阀其核心节流部分的重要组件就是多个开有迷宫式沟槽的金属盘片。当流体在流经迷宫流道时，迂回转折，因而能量能得到消耗。在此过程中，流体不仅得到逐级降压，而且流体流速也被控制在合理的范围之内。多级套筒式调节阀之所以可以胜任高压差的场合，是因为它的降压级数可以设计得较大，一般可达十几到二十几级。其特点在于：多级拐弯迷宫式流道可以灵活自如地控制流体流速，防止空化、汽蚀冲刷、噪声及振动等不良现象的发生;不难看出，迷宫流道有多少道拐弯，它就有多少级降压级数，由于流道可以制造得相当多，所以它的降压能力是非常强的;创新迷宫式调节阀安装与维护比较简便，盘片易更换;迷宫式流道可以针对不同流体介质进行改进，迷宫流道不易发生堵塞。但迷宫式盘片制造精度要求很高。

从以上几种调节阀进行比较，可以看出单座式调节阀与串级式多级降压不适应光热发电特殊位置的基本要求。多层套筒式调节阀使用时间过久会出现小范围的汽蚀和较严重的冲刷现象。创新迷宫式调节阀基本上不会出现震动，再通过对流道进行改进后，加上有效的伴热措施，不易产生堵塞，同时保证了长期运行阀后进罐的压力保持在可靠的范围之内。

3  结语

光热发电是一种清洁无污染的太阳能发电技术，而我国对光热发电技术的研究和应用还处于起步阶段，有巨大的发展空间。塔式光热发电是所有光热发电技术中相对比较成熟的一种方式，随着我国科学技术、能源形势和生态环境的发展，塔式光热发电关键技术也必然会得到更大的突破。

通过上文论述，我们认为创新迷宫式调节阀性能优越，是冷熔盐上塔与热熔盐回到热熔盐罐管路中所需熔盐调节阀的首选。调节阀在各个位置的不同所产生的作用也是不同的，设计单位在选型的时候应该根据该阀在所在的位置所起的作用进行选型，调节阀厂家设计时除了考虑设计单位提出的参数外，还应该着重考虑熔盐的最大饱和蒸气压，才能生产出合格的熔盐调节阀。

参考文献

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