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　　太陽(yáng)能具有清潔、方便、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保，取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢(shì)，是世界今后能源關(guān)注的重點(diǎn)。而中國(guó)將光熱發(fā)電列為“十三五”的關(guān)鍵技術(shù)研究工作之一，預(yù)計(jì)在2016年到2020年期間，光熱發(fā)電的裝機(jī)目標(biāo)或定為10GW。
 

　　低熔點(diǎn)熔融鹽越來(lái)越成為更多光熱發(fā)電公司的選擇
 

　　太陽(yáng)能熱發(fā)電的工作原理，是將太陽(yáng)能聚集起來(lái)，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)即能發(fā)電。傳熱蓄熱工質(zhì)是儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵，如圖1所示，導(dǎo)熱油和熔融鹽均可作為工質(zhì)。導(dǎo)熱油系統(tǒng)的熔鹽蓄熱溫區(qū)是286℃~393℃，每噸熔鹽只能蓄100℃的熱量，而熔鹽系統(tǒng)的蓄熱溫區(qū)可以達(dá)到150℃~550℃。導(dǎo)熱油系統(tǒng)蒸汽溫度高可達(dá)到386℃，而熔鹽蒸汽溫度可達(dá)到535℃，提高蒸汽參數(shù)可以使發(fā)電站效率大約增加2%，年發(fā)電量提出14%，每年增加電站的收益非常可觀，實(shí)踐證明，低熔點(diǎn)熔融鹽越來(lái)越成為更多光熱發(fā)電公司的選擇。
 

 

　　那么，什么是熔融鹽？熔融鹽有什么特性？對(duì)閥門(mén)有何要求？電廠用熔鹽一般由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀混合而成，這種熔鹽在電場(chǎng)里用融熔狀態(tài)的鹽來(lái)傳遞熱量，稱(chēng)其為熔融鹽。熔融鹽作為一種性能較好的傳熱介質(zhì)，工作溫度可達(dá)560℃，是傳統(tǒng)的碳?xì)浠衔锖蛯?dǎo)熱油等傳熱介質(zhì)所無(wú)法相比的?？偟膩?lái)說(shuō)，融熔鹽是一種成本低、壽命長(zhǎng)、換熱性能好的高溫(大于500℃)、高熱通量(大于105W/m2)和低壓(<2bar)傳熱介質(zhì)。其大的屬性缺陷在于較高的凝固點(diǎn)，這使其較易造成集熱管管路堵塞。西班牙能源環(huán)境技術(shù)中心的Jesus Fernández-Reche表示，在儲(chǔ)熱罐中，熔鹽的凝固不會(huì)引起太大問(wèn)題，在西班牙已運(yùn)行電站的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)中，熔鹽罐的溫度每天僅下降約1℃。但在傳熱系統(tǒng)中，熔鹽的凍結(jié)將會(huì)造成較大風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重的可導(dǎo)致槽式電站集熱管的斷裂等。
 

　　熔融鹽光熱發(fā)電項(xiàng)目中的閥門(mén)要求
 

　　以圖2熔鹽槽式電站為例，在傳熱以及蓄熱系統(tǒng)，都有熔融鹽的介質(zhì)，在這些系統(tǒng)里的設(shè)備，吸熱塔和冷/熱熔鹽儲(chǔ)罐，都需要安裝開(kāi)關(guān)及調(diào)節(jié)閥門(mén)，來(lái)控制調(diào)節(jié)工藝流程。要求安裝在這些設(shè)備上的閥門(mén)，必須滿(mǎn)足下述工況：
 

　　·        耐高溫，高達(dá)560℃
 

　　·        閥門(mén)的熱傳導(dǎo)效率高，保證熔融鹽始終在其凝固點(diǎn)之上
 

　　·        很好的耐腐蝕性
 

 

　　艾默生(Emerson)旗下品牌Vanessa三偏心金屬硬密封蝶閥完全滿(mǎn)足上述要求，而現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)的使用工況也驗(yàn)證了Vanessa非常適合這一工況。下文中會(huì)以Vanessa三偏心蝶閥為例，具體闡釋閥門(mén)在光熱發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用。
 

　　Vanessa工廠自2007年即開(kāi)始參與全球眾多的太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目，見(jiàn)證了太陽(yáng)能光熱發(fā)電的大發(fā)展的過(guò)程，亦為此做出了諸多貢獻(xiàn)。從開(kāi)始的采用導(dǎo)熱油的工藝到現(xiàn)如今的熔融鹽工藝，Vanessa都有針對(duì)性地對(duì)閥門(mén)進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并成功獲得訂單。
 

　　同時(shí)，Vanessa工廠也非常樂(lè)于與各從事光熱發(fā)電工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)的組織、公司進(jìn)行合作，提供產(chǎn)品用于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。為中國(guó)的光熱發(fā)電貢獻(xiàn)一份力量。
 

　　近日，艾默生終控制事業(yè)部受CSP Focus光略咨詢(xún)的邀請(qǐng)，即將參與于3月22-23日在北京舉辦的第八屆CSP Focus光熱發(fā)電中國(guó)聚焦大會(huì)，大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)將由艾默生終控制業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理?xiàng)詈糠窒砉酒煜缕放芕anessa產(chǎn)品在光熱行業(yè)的解決方案。歡迎光熱行業(yè)人士出席會(huì)議并作現(xiàn)場(chǎng)交流。
 

　　艾默生Vanessa 三偏心蝶閥密封原理
 

　　三偏心蝶閥采用了一個(gè)與截止閥相類(lèi)似的密封系統(tǒng)，該密封系統(tǒng)由具有相同圓錐截面形狀的一個(gè)固定閥座和一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的密封表面構(gòu)成。但是，三偏心蝶閥采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(而非軸向運(yùn)動(dòng))，依靠錐頂相對(duì)于管道軸心傾斜的錐體來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，這使得三偏心蝶閥成為了“角行程的截止閥”。三偏心蝶閥和截止閥的閥座結(jié)構(gòu)比較如圖3所示。
 

 

　　根據(jù)截止閥的設(shè)計(jì)，僅當(dāng)密封元件處于關(guān)閉位置時(shí)才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)單一的瞬間接觸，這是三偏心閥門(mén)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)摩擦關(guān)閉的原因。然而，與截止閥不同，三偏心閥能夠?qū)崿F(xiàn)雙向完全關(guān)閉。它的實(shí)現(xiàn)是借助于三個(gè)“偏心”(如圖4所示)：
 

　　·        軸設(shè)置在密封面的后面，使得閥門(mén)獲得了一個(gè)完整的連續(xù)密封面；
 

　　·        軸設(shè)置在管道/閥門(mén)中心線的一側(cè)，產(chǎn)生凸輪效應(yīng)，在開(kāi)啟行程中密封圈與閥座不接觸，有效降低扭矩；
 

　　·        閥座和密封圈錐體中心線相對(duì)于管道/閥門(mén)中心線是傾斜的，完全消除了90°行程中的密封圈與閥座間的摩擦。
 

 

　　Vanessa錐中錐的設(shè)計(jì)概念要求使用金屬硬密封，以應(yīng)對(duì)所以可能的壓力水平。Vanessa使用高強(qiáng)度的Stellite® Gr.21閥座堆焊和一個(gè)高強(qiáng)度的雙相不銹鋼層片式的密封圈來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬硬密封。
 

　　Vanessa三偏心蝶閥在開(kāi)啟和關(guān)閉的運(yùn)行過(guò)程中，閥座和密封圈之間的接觸完全消除，有效延長(zhǎng)了密封元件和閥門(mén)的整體壽命。這與閥門(mén)角行程的特性相結(jié)合，使得閥門(mén)的運(yùn)行扭矩更低更穩(wěn)定，閥門(mén)的動(dòng)作更快更易于操作。同時(shí)使得閥門(mén)能夠在較小的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。這一特性使得三偏心蝶閥成為各種要求緊急關(guān)斷、快速泄放或高頻動(dòng)作應(yīng)用的理想閥門(mén)。
 

　　由于Vanessa三偏心蝶閥是角行程閥門(mén)，密封元件繞軸心旋轉(zhuǎn)，可以為用戶(hù)顯著節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)的安裝空間，顯著改善動(dòng)作性能。另外，角行程的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)也減少了對(duì)于填料的不利影響，避免了在直行程閥門(mén)閥桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)擠出磨損填料，造成外漏(如圖5所示)。Vanessa可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)操作。既可做切斷閥亦可作調(diào)節(jié)閥使用。
 

 

　　■ 針對(duì)熔融鹽的特殊工況，Vanessa做了如下的設(shè)計(jì)上的修改：首先，由于熔鹽的易滲透性、易腐蝕性，對(duì)于管道及閥門(mén)的外漏必然有極高的要求。與截止閥相比，Vanessa僅有閥體與管道連接處、閥桿處兩個(gè)外漏點(diǎn)，而截止閥除此之外還需要考慮螺栓連接的閥蓋處的泄漏(如圖6所示)。
 

 

　　其次，在材料的選擇上充分考慮了耐高溫。對(duì)整個(gè)閥門(mén)剩下的唯一的外漏點(diǎn)的閥桿處的密封做了特殊的改進(jìn)。由于在高溫下，石墨容易與熔鹽發(fā)生氧化反應(yīng)，因此采用了更適用于熔鹽介質(zhì)的高溫密封材料。同時(shí)增加了額外的O型圈和活載荷效應(yīng)碟形彈簧，大程度避免閥桿處外漏的產(chǎn)生，以及積極應(yīng)對(duì)光熱發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)特有的極大的晝夜溫差造成的熱脹冷縮的影響。
 

　　后，對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，節(jié)能意味著更高的發(fā)電效率。與截止閥相比，Vanessa的結(jié)構(gòu)更加緊湊簡(jiǎn)單，因此在對(duì)管道進(jìn)行隔熱保護(hù)的時(shí)候，操作更方便(如圖7所示)。而所需的電伴熱更少，僅需要針對(duì)閥頸處裸露的部分進(jìn)行電伴熱設(shè)置。而同時(shí)，Vanessa還特別將填料改到了距離閥門(mén)中心更近的位置，大程度減少熱量的損失。
 

 

　　Vanessa工廠專(zhuān)門(mén)針對(duì)閥門(mén)的熱消耗進(jìn)行了很多的研究分析工作。以口徑為3''的閥門(mén)作為樣品進(jìn)行了熱散失的分析。該試驗(yàn)閥門(mén)在低溫與高溫之間進(jìn)行熱循環(huán)，并在閥頸處設(shè)置電伴熱。在閥門(mén)多處設(shè)置溫度探頭進(jìn)行溫度檢測(cè)。圖8中張圖指出了熱量一旦到達(dá)閥頸處即刻散失，溫度明顯下降。而第二張圖中說(shuō)明了，熱量?jī)H通過(guò)沒(méi)有進(jìn)行隔熱的閥桿散失到外部。而當(dāng)伴熱輸入230W的熱量時(shí)，這部分損失掉的熱量即得到了平衡。熱量的消耗隨尺寸的增大而增加，大測(cè)試24''的樣品的熱量消耗為1350W。此外，碳鋼材料比不銹鋼材料有更高的熱傳導(dǎo)效率，因此需要電伴熱輸入更高的能量。
 

 

　　如圖9所示，Vanessa工廠亦針對(duì)同口徑的截止閥做了熱損耗的比較。以8''口徑的閥門(mén)作為測(cè)試樣品，測(cè)試溫度為560℃。測(cè)試結(jié)果，截止閥熱損耗為1670W時(shí)，Vanessa三偏心蝶閥僅損耗445W的熱量。