太阳能热发电站熔盐阀门的选型分析

陈明强，唐 娟，唐亚平，余志勇，毕文剑

(浙江可胜技术股份有限公司，杭州 310053)

0 引言

太阳能热发电是将聚光太阳能产生的高温能量，通过吸热和储、换热介质实现能量的收集与储存，并通过相关设备最终转换为日常需要的电力。太阳能热发电的技术路线主要有塔式、槽式、线性菲涅尔式及碟式，其中，塔式太阳能热发电技术因具有较高的聚光比、较高的汽轮机参数值及较高的汽轮机热效率而得到越来越多企业或研究机构的重视[1]。2016年，国家能源局公布的第1批20个太阳能热发电示范项目中，有9个是塔式太阳能热发电项目。目前，塔式太阳能热发电技术在中国、中东、南美及非洲等地区均得到蓬勃发展[2]。

对于塔式太阳能热发电站而言，其吸热、储热和换热介质的选择尤为关键。由于熔盐具有较宽的使用温度区间、较低的饱和蒸气压、较高的比热容、无毒且高温下性能稳定等特点，在太阳能热发电站中得到大量应用。目前，应用最多的熔盐是二元硝酸盐，包含40%的硝酸钾和60%的硝酸钠[3-4]，因此，本文中提到的太阳能热发电站均以熔盐作为储、换热介质，且熔盐均为二元硝酸盐。但由于熔盐具有低温凝固及高温氧化腐蚀特性[3]，导致熔盐阀门的选型一直是太阳能热发电站的技术难题之一。现有的太阳能热发电站中，熔盐阀门普遍存在内漏、外漏或卡死等情况，严重影响太阳能热发电站的可靠及稳定运行[5]。

本文从太阳能热发电站熔盐阀门的研究进展与应用情况、使用工况、选型关键点等方面进行分析与总结，以期对未来塔式或槽式等以熔盐为吸、储热介质的太阳能热发电站熔盐阀门的选型提供参考。

1 研究进展及应用情况

由于塔式太阳能热发电技术的起步晚于槽式太阳能热发电技术，因此，塔式太阳能热发电站熔盐阀门的选型前期多参考槽式太阳能热发电站进行熔盐阀门的选型和开发。国外部分实验室在熔盐阀门的设计选型及测试领域的研究开始的相对较早，主要有德国宇航中心(DLR)、美国国家可再生能源实验室(NREL)、桑迪亚国家实验室(SNL)等；此外，中国也有不少科研机构及企业投入较多精力对熔盐阀门展开了各种研究。

SNL在1988～1990年期间进行了熔盐系统的泵阀循环测试，采用高温熔盐及低温熔盐2套测试循环系统，对60 MWe级太阳能热发电站的高温熔盐阀门及低温熔盐阀门进行测试。测试结果显示：对于高温熔盐阀门，延长阀盖以降低填料温度是非常必要的[6]。

Rodríguez-garcía 等[7]对不同类型太阳能热发电站各子系统中熔盐阀门存在的主要问题及解决方案进行了分析，并提供了熔盐阀门测试的案例。该研究推荐采用波纹管熔盐阀门，并建议采用特殊的复合型腐蚀抑制剂及镍基合金密封填料。

Gill等[8]采用有限元模型研究了熔盐阀门密封填料在不同应力条件下的寿命情况，研究发现：当采用角行程阀门(比如：蝶阀)时，密封填料处的应力相对较小，密封填料的使用寿命相对较长。而采用直行程阀门(比如：截止阀/闸阀)时，密封填料处的应力相对较大，比如：美国的Solar Two项目经过长时间测试，发现截止阀出现的问题主要体现在密封填料处的熔盐泄漏，阀门中口的熔盐泄漏、电伴热失效造成阀门无法开关等。

Solar Two项目曾采用球阀作为熔盐阀门，但经过项目实际测试，发现球阀在项目中的使用并不可靠，主要体现在阀门无法正常开关[5]。

2 使用工况

熔盐阀门在太阳能热发电站的使用主要集中在吸热，储、换热及化盐等各分系统中。由于电站系统的复杂性及电站规模大小不同，电站所用熔盐阀门的数量从几十台至上百台不等，口径主要集中在DN20～DN600之间。

不同于火力发电厂或化工厂，太阳能热发电站具有典型的“间断运行”特点，主要体现为白天天气良好，太阳能热发电系统聚光并发电，晚上因没有太阳光，聚光吸热系统停运；同时也存在太阳能热发电站晴天运行，阴雨天停机的工况。“间断运行”特点造成熔盐阀门的频繁开关问题，也导致熔盐阀门所承受的压力和温度大范围波动。

槽式太阳能热发电站中，熔盐的使用温度上限约为390～400 ℃；塔式太阳能热发电站中，熔盐的使用温度上限接近575 ℃。高温引发熔盐的强氧化性，对熔盐阀门密封填料、垫片等的选择提出严峻挑战。另外，由于熔盐在温度低于238 ℃时会出现凝固，凝固后的熔盐容易粘合阀门密封面及密封填料与阀杆的结合面等，对阀门的可靠使用产生严重影响。

3 选型关键点

3.1 开关阀的阀型

目前，熔盐阀门广泛使用的开关阀阀型为截止阀和三偏心蝶阀。比如：在中国第一批太阳能热发电示范项目中，多数采用截止阀和三偏心蝶阀作为熔盐阀门的开关阀。其中，对于小口径熔盐阀门，其开关阀多采用截止阀；对于大口径熔盐阀门，其开关阀则多采用三偏心蝶阀。

截止阀通过阀芯的上下运动实现阀门的启闭。作为使用最广泛的开关阀之一，其具有密封面摩擦力小、开启高度小、制造容易、维修方便等特点。熔盐阀门最早在SNL进行测试，经过长时间测试，发现截止阀运行可靠。因此，在之后开展的Solar Two项目中，截止阀得到了大量应用，并且截止阀在该项目中的优异表现也使其在后续的正式商业化项目中得到广泛应用。但由于大口径截止阀的重量较大、成本较高，且不方便布置，因此截止阀更多应用于疏盐、排气等小管路或前后压差相对较小的调节管道上。

三偏心蝶阀是蝶阀的一种，通过蝶板的旋转实现阀门的启闭。三偏心蝶阀的第一偏心是指阀杆轴心偏离蝶板中心，第二偏心是指阀杆中心偏离本体中心，第三偏心是指蝶板密封面的圆锥型轴线偏斜于本体圆柱轴线。三偏心蝶阀得益于早期在槽式太阳能热发电站熔盐系统管路中的大量应用和优秀表现，使其在塔式太阳能热发电站中的应用占得先机。三偏心蝶阀具有结构轻巧，易于布置，成本相对低廉，开、关速度快等特点，在现有的太阳能热发电站中同样被广泛采用。通常，三偏心蝶阀适用于大口径熔盐阀门，一般作为大口径管道上的开关阀使用。

除了截止阀和三偏心蝶阀，闸阀在SNL的测试及Solar Two项目中的使用也均表现出可靠性及稳定性。闸阀采用闸板作为启闭件，通过控制闸阀的升降来实现阀门的开关，其具有流动阻力小，启、闭时较为省力等优点，主要用于大口径阀门。但相对于三偏心蝶阀，闸阀的成本更高且结构尺寸更大，使其在太阳能热发电站中的使用相对较少。然而，由于闸阀的结构简单、承压性能好、密封可靠且易于维修，其也是一种较为合适的熔盐阀门的开关阀。

截止阀、三偏心蝶阀及闸阀的特点对比如表1所示。

表1 截止阀、三偏心蝶阀及闸阀的特点对比Table 1 Comparison of characteristics of globe valve，triple eccentric butterfly valve and gate valve

SNL在Solar Two项目上对球阀进行了测试，发现球阀并不适合作为熔盐工况下的开关阀[9]，主要是因为此类阀门易发生卡涩。自此之后，太阳能热发电站熔盐阀门采用球阀作为开关阀的情况相对较少。

对于其他类型的熔盐阀门开关阀，均因成本或易造成卡涩等原因，很少应用于太阳能热发电站的熔盐系统。

3.2 熔盐阀门的选材

针对不同金属材质在不同熔盐温度下的特性，国内外很多学者进行过相关研究。1985年，Slusser等[10]对镍基合金在不同熔盐温度下的腐蚀速率进行研究，发现当镍基合金中铬的含量在15%～20%之间时，材料的耐腐蚀性能最佳。2013年，SNL对不锈钢321(SS-321)和不锈钢347(SS-347)，以及镍基合金Inconel 625和哈式合金230材料在不同熔盐温度下的腐蚀行为进行了研究，研究发现：在熔盐温度为600 ℃时，SS-321和SS-347的年腐蚀速度分别为15.9 μm和 10.4 μm[11]。

在Solar Two项目中，低温熔盐管道(熔盐温度小于等于400 ℃)的管道材质采用ASTM A106B，高温熔盐管道(熔盐温度大于400℃ )的管道材质采用 ASTM A312-321/347；低温熔盐阀门(设计温度小于等于400 ℃)的材质选用ASTM A105(2寸以下的阀门)或ASTM A216 WCB (3 寸以上的阀门 )，高温熔盐阀门(设计温度大于400 ℃)材质选用ASTM A182 Gr321/347(2 寸 以 下 阀 门 )或 ASTM A351 CF8C (3寸以上阀门)[9]。目前，太阳能热发电站的熔盐阀门选材多是沿用或参考Solar Two项目的阀门选材，即对于设计温度小于等于400 ℃的熔盐阀门，其壳体材料推荐选用ASTM A216 WCB或ASTM A105；设计温度在400～585 ℃之间的高温熔盐阀门，其壳体材料推荐选用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347。

3.3 熔盐阀门的密封性能

3.3.1 密封方式

适用于熔盐阀门的密封填料最早是由SNL测试发现的。SNL的科研人员在冷熔盐循环和热熔盐循环系统中分别测试了以石墨填料、聚苯并咪唑(PBI)纤维、玻璃纤维、铝丝等作为熔盐阀门的密封填料。测试结果显示：无论是角行程阀门还是直行程阀门，玻璃纤维和PBI纤维作为密封填料都表现出较好的适用性[12]。

包锦峰[13]采用试验手段分别对石墨填料和蛭石填料进行了不同熔盐温度下的填料热失重测试及阀门逸散性试验。试验结果显示：熔盐温度低于400 ℃时，石墨填料和蛭石填料的热失重都达到较为理想的水平；但当熔盐温度超过400 ℃时，石墨填料出现比较明显的热失重。当采用蛭石填料时，随着阀杆动作次数的增加，阀门逸散性能迅速下降。另外，由于蛭石填料的材质较为特殊，其一旦接触水很容易失效，会发生熔盐泄漏，这给采用蛭石填料的熔盐阀门及熔盐系统的压力测试带来新的挑战。

石墨填料作为一种密封性非常好的密封材料，在国内外的太阳能热发电站中得到较多应用。但由于石墨在高温下的抗氧化性能降低，导致其密封效果不如蛭石填料，因此，在此种情况下蛭石填料的应用较为普遍。

对于波纹管密封方式，尽管波纹管可以隔绝密封填料和熔盐，但由于波纹管中波纹低点的存在，一旦熔盐发生凝固，此时任何操作(含故障复位)都可能造成波纹管的破坏。因此，采用波纹管密封不仅会增加阀门的维修成本，而且对后期的阀门维护也提出了更高的要求。

3.3.2 阀门密封用垫片

目前，塔式太阳能热发电站阀门密封用垫片主要有C型垫片、金属环垫片、金属齿形垫片、复合金属垫片等。

C型垫片利用阀门内部的流体压力，通过C型垫片的膨胀实现密封。C型垫片通常在垫片外侧设有金属镀层，以提高密封效果。但是C型垫片对于阀门法兰面的粗糙度及垫片安装精度等要求较高，导致阀门装配及阀门维修难度相对较大。

金属环垫片及金属齿形垫片均采用法兰螺栓紧固密封。作为目前大量采用的密封方式，这2种垫片具有连接可靠、密封牢固等优点，而且金属环垫片可以多次重复使用；但一旦法兰拆卸，金属齿形垫片易发生垫片失效现象。

对于复合金属垫片，同样涉及到复合材料的选型。对于低温熔盐阀门，石墨是一种较为合适的复合金属垫片材质；对于高温熔盐阀门，通常选用蛭石复合垫片，但是对于蛭石材料的垫片的使用，必须避免阀门与水发生接触，以免造成垫片失效。

3.3.3 密封面

对于阀门密封面的选择，在考虑耐磨损性的同时，还需要考虑熔盐对密封面材料的腐蚀。

司太立合金具有较高的硬度和耐磨性，因此其在阀门密封面的应用非常广泛。SNL对采用司太立合金的阀门进行测试，测试结果显示：无论是在高温条件下还是低温条件下，司太立合金都是一种合适的密封面材料[9]。

文献[7]中指出，在阀芯和阀座密封面采用司太立合金，可以解决熔盐的腐蚀问题。

考虑到阀门后期的检修及熔盐的低温凝固特性，推荐熔盐阀门密封面采用司太立合金的同时，建议密封面的厚度选择应考虑到后期的重新研磨需求。

3.4 选型原则

对于熔盐阀门型式的选择，小口径熔盐阀门建议采用截止阀作为其开关阀型式，大口径熔盐阀门推荐采用三偏心蝶阀或闸阀作为其开关阀型式。

进行熔盐阀门结构设计与安装时，应尽量减小熔盐阀门的液体死区，以降低熔盐堆积凝固风险。

对于熔盐阀门的材质选择，设计温度小于等于400 ℃时，熔盐阀门推荐采用ASTM A216 WCB 或 ASTM A105材料；设计温度大于400 ℃时，熔盐阀门推荐采用ASTM A351 CF8C 或 ASTM A182 F347 材料。由于阀门内件与阀体材质可能存在不一致的情况，在熔盐阀门设计选型过程中，应考虑阀门材料的不同热膨胀状态。

考虑到熔盐阀门密封填料的使用温度及熔盐在高温条件下的氧化腐蚀性等问题，熔盐阀门的阀盖推荐采用延长设计。通过延长阀盖长度，降低密封填料所处环境的温度，从而降低熔盐对填料的腐蚀。熔盐阀门的阀盖延长应综合考虑材料成本及填料的使用温度区间。

熔盐在低温下易发生凝固，熔盐阀门的电伴热与温度控制单元的设计显得尤为重要，由于熔盐阀门的特殊结构，其单位长度上所需要的电伴热长度与功率均因管道不同而不同，熔盐阀门采用单独的电伴热设计和单独的温度控制单元十分必要。阀门电伴热的设计通常需要配置一定比例的冗余，在部分电伴热故障的条件下仍能够确保阀门可以正常运行，降低因阀门故障导致的停机事件发生的概率。

4 结论

本文从熔盐阀门的研究进展与应用情况、使用工况、选型关键点等方面进行分析与总结，得到以下结论：

1)对于塔式太阳能热发电站，目前较为广泛采用的熔盐阀门开关为截止阀及三偏心蝶阀，闸阀因具有密封可靠、方便维修等特点，也是一种合适的大口径熔盐阀门开关阀。

2)石墨填料和蛭石填料是目前应用较多的熔盐阀门填料，蛭石填料的使用应严格控制其与水的接触，避免因填料失效引发熔盐泄漏。熔盐阀门的阀盖推荐延长设计，以降低填料所处环境的熔盐温度，降低熔盐氧化腐蚀性，延长填料的使用寿命。

3)对于阀门密封用垫片，C型垫片对垫片精度及阀门安装精度要求较高，后续的维修难度较大。熔盐阀门垫片推荐采用金属环垫片、金属齿形垫片或复合金属垫片。

4)熔盐阀门的卡涩或无法动作等问题主要是由于熔盐发生凝固引发的。熔盐阀门的电伴热及温度控制单元应单独进行设计，并且配置一定的冗余，以提高阀门的可靠性，降低阀门的故障率。