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光热电站的关键设备熔盐阀,应该如何选择?
FCS流体控制解决方案
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2021-04-08
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        在当前的光热发电领域,熔盐作为储热介质已经得到了成熟的商业化应用,业界对熔盐储热技术的认可度也不断提升。熔盐阀作为储能系统中的关键设备,在整个系统运行的安全性和可靠性方面扮演着重要角色。

        太阳能光热发电的工作原理,是将太阳能聚集起来,加热工质,驱动汽轮发电机即能发电。传热蓄热工质是储能系统的关键,导热油和熔盐均可作为工质,但导热油系统蓄热温区和蒸汽温度均较熔盐系统低140-170℃左右,而高温蒸汽参数可使发电站发电效率增加约4%,年发电量提高15%,效益可观。实践证明,低熔点熔盐越来越成为更多光热发电公司的选择。




图1 传统导热油槽式与熔盐塔式系统比较


        哪种类型的阀门更适用于光热熔盐储热系统?

        在光热电站的传热以及蓄热系统都采用熔盐介质,其设备如吸热塔和冷/热熔盐储罐需要安装开关及调节阀门,来控制调节工艺流程。一般采用闸阀、截止阀或三偏心蝶阀,安装在这里的阀门必须满足下述工况:

        耐高温,设计温度高达595℃;

        阀门的热传导效率高,保证熔盐始终在其凝固点之上;

        很好的耐腐蚀性。

        在实际使用经验来看,更多的设计院和最终用户选择三偏心阀。这是因为其更好的密封性以及性价比。三偏心蝶阀采用了一个与截止阀相类似的密封系统,该系统由具有相同圆锥截面形状的一个固定阀座和一个可转动的密封表面构成。但是,三偏心蝶阀采用旋转运动(而非轴向运动),依靠锥顶相对于管道轴心倾斜的锥体来实现关断,这使得三偏心蝶阀成为了“角行程的截止阀”。




图2 三偏心蝶阀和截止阀的阀座结构比较

        截止阀仅当密封元件处于关闭位置时才会产生一个单一的瞬间接触,三偏心阀借助其三个“偏心”设计,能够实现双向完全关闭,如图3所示。另外,实现金属硬密封的另一个秘诀是采用高强度的Stellite® Gr.21堆焊阀座和不锈钢薄斜锥片式的密封圈。




图3 三偏心蝶阀的三个偏心

        电伴热计算能为工厂带来什么效益?

        电伴热的主要目的是保温,采用电能来补偿介质设备如阀门的热量损失,维持介质设备所需温度;电伴热也可以用来提升介质温度和加热(如电厂启动时的进盐过程)。电伴热适用于有一定辐射空间、功率适当且长时间使用的设备,如熔盐管道、阀门、储热罐、集热器等。精确的电伴热计算能够帮助光热电厂有效减少用电量,提高电厂的运行利润,且保证熔盐不会产生结晶而堵塞管道以及阀门,造成阀门无法动作或者损坏填料熔盐外漏。

        熔盐的缺点在于较低的凝固点,用于传热系统时最大的风险就是集热管、管道的堵塞或开裂。资深熔盐阀门制造商或设计院根据热传导原理的傅里叶定律、对流换热的基本规律牛顿冷却公式、物体辐射热流量斯忒潘-波尔兹曼定律等等进行电伴热需求功率计算,通常使用ANSYS软件进行电伴热功率和参数模拟计算,依据现场的工作和环境建立适合的边界条件,模拟计算冷熔盐和热熔盐阀门的进盐过程 (Transient State) 和日常运行过程 (Steady State) 中升温/保温所需要的最低功率。最终计算出每台熔盐阀的稳态热分析 (阀颈、阀腔以及阀根部在日常运行中需要保温的电伴热功率) 和瞬时热态分析 (如装置开车时的进盐过程中需要热管/阀门的电伴热功率),作为现场电伴热系统的设计以及安装指导。只有通过精确计算后的电伴热系统设计才能有效避免熔盐阀结晶堵塞问题,并大大节省电能。

        计算模拟熔盐阀电伴热功率的边界条件包括温度边界条件,阀门外壁和空气表面对流换热系数以及热流密度分布、空气对流换热系数、环境最低温度、最高风速等,还有保温材料、厚度和导热系数等。




图4 ANSYS软件的模拟计算示意图

        节能意味着更高的发电效率,三偏心阀较截止阀所需电伴热面积更少,仅需对阀颈裸露部分进行电伴热设置,如图5所示,有效避免结晶问题。且因其针对光热发电的特殊一体式阀体设计,使填料离阀门管道中心线更近,减少了存储在管道阀门中向外的热量损失。根据相关热损耗模拟实验表明,测试管道介质温度为560℃时,DN200的截止阀热损耗为1670W,三偏心阀仅为445W。




图5 三偏心蝶阀和截止阀隔热比较

        综上所述,通过精确计算的电伴热系统能够有效提高光热发电厂的运行利润,对比没有进行计算、或仅凭经验的电伴热系可节省能耗约15%。

        云母材质填料为什么很重要?

        目前不同的厂家对阀杆填料的选择主要有两种:全云母或石墨/云母混合材料。而云母以福来西公司生产的THERMICULITE®为最优选择。采用石墨/云母混合材料都是为了降低成本。

        作为三偏心蝶阀唯一的外漏点,阀杆的密封是保证阀门严密关断的重要一环,且如上文提到的熔盐阀三大必备条件中,阀门设计温度达到595℃。然而,根据研究表明,石墨在高于300℃的工况下就会与熔盐发生氧化反应,因此石墨/云母混合材料填料并不适用于熔盐阀,小小填料可能造成由小变大的泄漏,进而造成严重事故。

        结 语

        太阳能光热发电的发展时间还不长,从上世纪80年代的商业槽式导热油,到21世纪05年左右开始发展的熔盐塔式,熔盐阀大概是30年左右的时间。资深的熔盐阀制造商还在不断对其进行设计升级,他们的实践经验能够帮助设计院/最终用户选择更新技术、更优设计的熔盐阀产品。

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光热电站的关键设备熔盐阀,应该如何选择?
访问数:32      日期:2021-04-08      来源:FCS流体控制解决方案      分享到:
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        在当前的光热发电领域,熔盐作为储热介质已经得到了成熟的商业化应用,业界对熔盐储热技术的认可度也不断提升。熔盐阀作为储能系统中的关键设备,在整个系统运行的安全性和可靠性方面扮演着重要角色。

        太阳能光热发电的工作原理,是将太阳能聚集起来,加热工质,驱动汽轮发电机即能发电。传热蓄热工质是储能系统的关键,导热油和熔盐均可作为工质,但导热油系统蓄热温区和蒸汽温度均较熔盐系统低140-170℃左右,而高温蒸汽参数可使发电站发电效率增加约4%,年发电量提高15%,效益可观。实践证明,低熔点熔盐越来越成为更多光热发电公司的选择。




图1 传统导热油槽式与熔盐塔式系统比较


        哪种类型的阀门更适用于光热熔盐储热系统?

        在光热电站的传热以及蓄热系统都采用熔盐介质,其设备如吸热塔和冷/热熔盐储罐需要安装开关及调节阀门,来控制调节工艺流程。一般采用闸阀、截止阀或三偏心蝶阀,安装在这里的阀门必须满足下述工况:

        耐高温,设计温度高达595℃;

        阀门的热传导效率高,保证熔盐始终在其凝固点之上;

        很好的耐腐蚀性。

        在实际使用经验来看,更多的设计院和最终用户选择三偏心阀。这是因为其更好的密封性以及性价比。三偏心蝶阀采用了一个与截止阀相类似的密封系统,该系统由具有相同圆锥截面形状的一个固定阀座和一个可转动的密封表面构成。但是,三偏心蝶阀采用旋转运动(而非轴向运动),依靠锥顶相对于管道轴心倾斜的锥体来实现关断,这使得三偏心蝶阀成为了“角行程的截止阀”。




图2 三偏心蝶阀和截止阀的阀座结构比较

        截止阀仅当密封元件处于关闭位置时才会产生一个单一的瞬间接触,三偏心阀借助其三个“偏心”设计,能够实现双向完全关闭,如图3所示。另外,实现金属硬密封的另一个秘诀是采用高强度的Stellite® Gr.21堆焊阀座和不锈钢薄斜锥片式的密封圈。




图3 三偏心蝶阀的三个偏心

        电伴热计算能为工厂带来什么效益?

        电伴热的主要目的是保温,采用电能来补偿介质设备如阀门的热量损失,维持介质设备所需温度;电伴热也可以用来提升介质温度和加热(如电厂启动时的进盐过程)。电伴热适用于有一定辐射空间、功率适当且长时间使用的设备,如熔盐管道、阀门、储热罐、集热器等。精确的电伴热计算能够帮助光热电厂有效减少用电量,提高电厂的运行利润,且保证熔盐不会产生结晶而堵塞管道以及阀门,造成阀门无法动作或者损坏填料熔盐外漏。

        熔盐的缺点在于较低的凝固点,用于传热系统时最大的风险就是集热管、管道的堵塞或开裂。资深熔盐阀门制造商或设计院根据热传导原理的傅里叶定律、对流换热的基本规律牛顿冷却公式、物体辐射热流量斯忒潘-波尔兹曼定律等等进行电伴热需求功率计算,通常使用ANSYS软件进行电伴热功率和参数模拟计算,依据现场的工作和环境建立适合的边界条件,模拟计算冷熔盐和热熔盐阀门的进盐过程 (Transient State) 和日常运行过程 (Steady State) 中升温/保温所需要的最低功率。最终计算出每台熔盐阀的稳态热分析 (阀颈、阀腔以及阀根部在日常运行中需要保温的电伴热功率) 和瞬时热态分析 (如装置开车时的进盐过程中需要热管/阀门的电伴热功率),作为现场电伴热系统的设计以及安装指导。只有通过精确计算后的电伴热系统设计才能有效避免熔盐阀结晶堵塞问题,并大大节省电能。

        计算模拟熔盐阀电伴热功率的边界条件包括温度边界条件,阀门外壁和空气表面对流换热系数以及热流密度分布、空气对流换热系数、环境最低温度、最高风速等,还有保温材料、厚度和导热系数等。




图4 ANSYS软件的模拟计算示意图

        节能意味着更高的发电效率,三偏心阀较截止阀所需电伴热面积更少,仅需对阀颈裸露部分进行电伴热设置,如图5所示,有效避免结晶问题。且因其针对光热发电的特殊一体式阀体设计,使填料离阀门管道中心线更近,减少了存储在管道阀门中向外的热量损失。根据相关热损耗模拟实验表明,测试管道介质温度为560℃时,DN200的截止阀热损耗为1670W,三偏心阀仅为445W。




图5 三偏心蝶阀和截止阀隔热比较

        综上所述,通过精确计算的电伴热系统能够有效提高光热发电厂的运行利润,对比没有进行计算、或仅凭经验的电伴热系可节省能耗约15%。

        云母材质填料为什么很重要?

        目前不同的厂家对阀杆填料的选择主要有两种:全云母或石墨/云母混合材料。而云母以福来西公司生产的THERMICULITE®为最优选择。采用石墨/云母混合材料都是为了降低成本。

        作为三偏心蝶阀唯一的外漏点,阀杆的密封是保证阀门严密关断的重要一环,且如上文提到的熔盐阀三大必备条件中,阀门设计温度达到595℃。然而,根据研究表明,石墨在高于300℃的工况下就会与熔盐发生氧化反应,因此石墨/云母混合材料填料并不适用于熔盐阀,小小填料可能造成由小变大的泄漏,进而造成严重事故。

        结 语

        太阳能光热发电的发展时间还不长,从上世纪80年代的商业槽式导热油,到21世纪05年左右开始发展的熔盐塔式,熔盐阀大概是30年左右的时间。资深的熔盐阀制造商还在不断对其进行设计升级,他们的实践经验能够帮助设计院/最终用户选择更新技术、更优设计的熔盐阀产品。

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