太阳能光热发电用高温熔盐截止阀的设计

刘 智，张智博，吴玉良，曹家亮，胡世强，叶凯强

（特技阀门集团有限公司，浙江 温州 325105）

随着近几年来社会不断进步，人们对能源应用的要求越来越高；思维不再是停留在能用就行的基础上，尤其是这几年来国家对能源的应用提出了更高的要求。熔盐塔式电站技术现在越来越受到大家关注，它的运行温度更高，效率更高，系统结构相对简单，被视为光热未来大力发展的技术路线[1]。

在熔盐光热发电整个系统中，气体、液体、液态金属以及熔盐等几大类都是作为传热介质的主要材料。在这几大类当中，较为常见的熔盐主要是二元熔盐和三元熔盐，二元熔盐的成分主要是60%NaNO3和40%KNO3，三元熔盐的成分主要是7%NaNO3和53%KNO3以及40%NaNO2组成。综上各类传导介质，水和水蒸气作为气体和液体是最为经济方便的，因为他们无需做其它热交换，可直接带动机组发电。常见的水电站发电就是最好的例子，但是在光热发电系统上，流动的水动能不能随之可取，且对于该系统应用上，压力需要增加到10MPA以上才能得以应用。液态金属虽然集聚有众多优点，但是在高温下很容易与其他金属产生化学反应，导致腐蚀，甚至爆炸，危险系数高。

熔盐和以上介质相比，具有极佳的热传导能力，而且能满足各种使用温度，价格成本低廉，适合大批量采购；其次，它的安全系数高，外部泄露基本上不会造成安全事故；缺点就是在高达600摄氏度的温度下，熔盐阀门会遭受更多挑战。最常见的就是。

（1）高温熔盐的强氧化性对阀门造成腐蚀的影响。

（2）填料区不能耐受高温。

（3）防止熔盐在221摄氏度以下凝固对阀门密封造成破坏。

（4）熔盐性质的不稳定会造成阀门的腐蚀破坏，气化过程会造成气。

（5）高温熔盐是高能流密度流体，对阀门造成扰动和震动。

由于以上挑战，因此应采取适当的应对措施来保证熔盐阀设计的可靠性。

首先，对阀门填料区进行特殊设计，避免接触高温；阀盖密封圈采用镀银金属；其次，为了防止熔盐凝固造成的破坏，设计中引入电伴热方案保护阀门关键部位，如转接部，过热保护，填料区加装温度传感器；配合带有热电偶的铸铝加热器；下面本文重点从新的熔盐截止阀结构设计上讲述如何规避熔盐导致管道结晶堵塞密封失效的这一现象[2]。

1 新型光热发电用高温熔盐截止阀整体结构

1.1 主要组成部分

1阀体，2阀座（可本体堆焊），3阀芯部件（阀芯、对开环、阀瓣盖），4体盖密封及紧固件，5阀杆，6阀杆密封件-波纹管截止阀，7填料组件，8碟簧预载紧固件，9气动执行器，10手动装置（图1高温熔盐阀总体结构图）（图2高温熔盐阀实物图）。

图1 高温熔盐阀总体结构图

图2 高温熔盐阀实物图

1.2 现场工况描述

100MW的机组塔高一般在200m以上，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阀来控制熔盐进罐的速率、压力及流量。而这些熔盐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，设计出优良性能的熔盐阀显得尤为重要。

1.3 设计要点

1.3.1 C型圈密封设计

在阀门的阀体和阀体连接密封位置，一般以PTFE和石墨金属垫最为常见。但是在熔盐阀上这两种密封一般都不被选用，PTFE密封垫片多用于常温工况，超过200℃以后，该密封件会软化失效；石墨金属垫范围相对较广泛，但是在高温高压下，石墨很容易松散，逐渐随介质流走。C型金属密封圈（图3）作为近年来一种新型密封件，具有以下优点：首先圆形开口设计，在体盖一定的压力下，具有良好的弹性，接触面同体盖相接触，形成线密封，所需的比压相对较小，寿命更长。其次必要时，在C型圈密封位置采用镀银工艺，提高了抗汽蚀能力。

图3 典型C型金属密封圈

图4 半八角环密封示意图

1.3.2 半八角环密封设计

鉴于熔盐介质温度变化范围较大，密封要求等级高；为了进一步保证阀体和阀盖的密封性能，在其密封位置增设有半八角环密封，其结构如（图4），两道密封结构设计，确保中法兰外漏问题得到彻底解决。

1.3.3 波纹管阀杆密封设计

熔盐阀除了中法兰外漏点外，另一个外漏点经常出现在阀杆密封位置，因为在阀门开启和关闭过程中，阀杆需要做上下运动或者旋转运动，运动件之间的密封一直是难点。为了解决阀杆密封的问题，我们将阀杆处密封设计为波纹管密封结构，材料选用耐高温耐腐蚀的inconel625，其良好的弹性确保了温差以及压力变化下密封不受任何影响。

1.3.4 平衡套导向稳压设计

高温熔盐阀大多数为加长结构，为了确保加长结构的稳定性，我们在阀杆和加长阀盖内部设置了平衡套。其作用在于：首先平衡套在阀杆和阀盖之间起到轴套导向的作用，降低了阀杆扰动的幅度，间接提高了阀杆强度，降低开关扭矩；其次平衡套上开有小孔，该孔连通加长阀盖内腔和阀体内流道，防止加长阀盖内部熔盐介质升压或积聚对阀门性能造成影响。

1.3.5 体盖连接碟簧预紧补偿设计

为了确保阀体和阀盖连接处紧固件在温度压力大范围变化造成的螺丝松动，我们在阀体和阀盖连接螺栓螺母之间增设蝶形弹簧，成对装配的蝶形弹簧能够充分弥补

1.3.6 填料压套压盖自定心设计

延长阀盖的结构，阀杆细长比更大，稳定性更差，为了更好的规避由此造成的阀杆晃动，我们设计了填料压套和压盖分离定位结构，通过压套和压盖定位台阶导向，确保阀杆和阀体内腔的同轴度，既降低了扭矩，也提高了阀门的整体稳定性。

1.3.7 填料碟簧预紧补偿设计

熔盐阀一般内外温差比较大，为了确保填料的密封性能，保证内部介质不外漏以及外部介质不渗入内腔，我们在填料压盖的螺栓和螺母之间增设了蝶形弹簧，弹性预紧补偿确保了填料保持在有效密封范围内。

1.3.8 阀芯密封面表面硬化设计

熔盐阀在温度降低后，容易造成结晶并积聚在阀门内腔，在开关过程中对密封面造成损伤。为了提高密封面的耐磨性能，我们对阀门密封面喷焊了碳化钨，配磨后其硬度可以达到HRC60以上，使阀门密封寿命提高一倍以上。

1.3.9 气动手动多种启闭选择方式设计

为了方便现场使用，同时也为了防止因为执行机构出故障而导致阀门不能开启的问题，我们在启闭阀门上设计了两种形式，手动+气动，当气动执行器出现故障时，能通过手动临时控制阀门的开启和关闭。

1.3.10 电伴热精确控温设计

为了避免阀腔内部因温度变化导致的熔盐结晶聚集等系列问题，我们在阀门多部位单独设置了电伴热。阀门的电伴热和管道的电伴热分开，并设置独立的温度控制系统，根据不同位置的需求，设置不同的温控点，精确控温，彻底规避了内部结晶问题。

1.3.11 驱动装置过热保护设计

由于熔盐阀所使用的位置内外部工况都比较特殊，我们配置的执行机构也是有特殊要求的，其过热保护就是其中之一，有效防止执行器因温度太高而降低其调节控制精度[3]。

2 其它应用

该阀门除了在太阳能光热发电系统的熔盐介质使用外，在其它任何类似的恶劣工况（降温易导致结晶）下，都能平稳运行，尤其是类似苯等需要管道上保温使用的工况，或者以上多种综合运行工况下，都能应用，市场潜力巨大。

3 结论

目前国内大多数的太阳能光热发电项目上的熔盐阀都是采用进口，但由于其使用位置苛刻，阀门的更换频率依然很高，而且现场基本上都不具备维修的条件。我公司顺应国际能源的发展趋势，充分吸收国际领先技术，并结合国情，持续性投入和不断进行结构优化和模拟实验，开发出的熔盐系类阀门，性能稳定，随着国际能源结构的调整，必将在市场上开创新的篇章。