CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：近日，北京佳潔能新節(jié)能技術(shù)有限公司董事長陳金環(huán)出席了于杭州召開的2023中國國際光熱大會暨CSPPLAZA第十屆年會，并作主題報告《塔式下降管大壓差閥組問題探討與應(yīng)用》。

圖：陳金環(huán)

首批示范項目大壓差閥組問題分析

據(jù)陳金環(huán)介紹，下降管大壓差調(diào)節(jié)閥組至少包括以下工況：既是流量調(diào)節(jié)，又是大壓差壓力調(diào)節(jié)，各種工況熱熔鹽進熱罐壓力控制在0.3MPa左右，保證儲罐的安全；最大流量工況；額定流量工況；最小流量工況；熔鹽系統(tǒng)啟動后吸熱器充鹽工況；熔鹽介質(zhì)逆流工況；熔鹽系統(tǒng)停運疏鹽工況等。工況繁多，下降管大壓差調(diào)節(jié)閥組的復(fù)雜性和技術(shù)難度可見一斑。

▋問題分析

1、渣滓堵塞

高溫熔鹽運行不可能純凈無渣滓，孔的大小與套筒之間的縫隙大小，決定這些渣滓是否能流出或殘留。運行過程中很難預(yù)知熔鹽中的渣滓或其他東西的大小，且每個項目的渣滓也不可能完全一樣；其次閥籠上的孔是根據(jù)給定的CV值、流量特性，來確定孔的大小、數(shù)量及排列形式，計算出一個最合理的數(shù)據(jù)是理想化的情況。

渣滓堵塞的情況可能會發(fā)生的。

2、確定沖蝕臨界點

陳金環(huán)指出，要想控制流速，就要知道熱熔鹽的溫度與流速對閥內(nèi)件沖蝕的臨界點是多少。

當溫度一定時，流速的增加熔鹽對閥內(nèi)件沖蝕率成倍增加。

當流速一定時，溫度的升高熔鹽對閥內(nèi)件磨損率成倍增加。

沖蝕主要出現(xiàn)在大壓差，含渣滓介質(zhì)場合。在這些場合閥的節(jié)流口處的介質(zhì)流速非常高，具有很大動能，可以很快的將閥芯、閥座表面沖出流線行細槽，從而使密封面被破壞，造成閥出現(xiàn)故障或報廢。同時經(jīng)常伴隨堵塞尤其當閥處于小開度工作時，節(jié)流間隙更小，流體速度更快，沖刷破壞作用更大，閥使用壽命則更短。因此，耐沖蝕閥應(yīng)盡量避免小開度工作。

熱熔鹽的溫度也是吸熱器出口溫度，不可能通過調(diào)節(jié)閥把溫度降下來，

因此就要靠降低熱熔鹽通過節(jié)流件的流速。

相同的條件下流速越快，發(fā)生汽蝕的幾率越大，對閥內(nèi)件的沖蝕就越大。

控制流速也是克服汽蝕沖刷最有效的途徑。熱熔鹽的溫度與流速對閥內(nèi)件沖蝕的臨界點是至關(guān)重要的參數(shù)，陳金環(huán)建議可以通過實驗或其他途徑來獲得參數(shù)。

控制流速在臨界點之內(nèi)是保證大壓差調(diào)節(jié)閥使用壽命最關(guān)鍵技術(shù)之一。

多種大壓差閥組選型對比

▋多層孔結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥

多層套筒式調(diào)節(jié)閥典型結(jié)構(gòu)特征是閥芯部分節(jié)流件由數(shù)層加工有小孔的套筒構(gòu)成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經(jīng)套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內(nèi)。陳金環(huán)總結(jié)了多層孔結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥的特點，如下：

1）多級套筒式調(diào)節(jié)閥降壓級數(shù)可以設(shè)計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。

2）多層套筒式結(jié)構(gòu)既能滿足較高的壓降要求，同時又能在工作時保證較大的流量。

3）抗汽蝕性能良好，用于液體介質(zhì)時，流體由最外側(cè)套筒流向最內(nèi)側(cè)，液體介質(zhì)在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并且流體最終從內(nèi)側(cè)套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區(qū)域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產(chǎn)生傷害。

4）套筒加工過程比較復(fù)雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。由于熔鹽介質(zhì)是有渣滓的，很容易積存在套筒之間間隙，或者卡在套筒小孔上，造成閥芯擦傷。渣滓堵塞改變原先流量曲線，反饋反復(fù)出現(xiàn)給定區(qū)間上下波動、跳變。

盡管如此，他表示在首批示范項目運行過程中，大壓差調(diào)節(jié)閥基本上都出現(xiàn)了問題。

▋串級式結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥

串級式多級降壓結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)把原本的一個整體的節(jié)流區(qū)域以多個分開的節(jié)流區(qū)域互相串聯(lián)，從而使較大的壓差轉(zhuǎn)換為多個較小的壓差，使每一次的降壓范圍都控制在飽和蒸汽壓以上，使空化現(xiàn)象不再出現(xiàn)。下為串級式結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥的特點：

1）啟閉過程中能夠減輕持續(xù)壓差，每一級節(jié)流口的動作均滯后于上一級節(jié)流口，可以使

在啟閉過程時作用于閥口的持續(xù)高壓逐級減輕，分擔了第一級節(jié)流口的壓力。

2）流阻較小，可以勝任流體清潔度不高，甚至固液兩相流的場合。

3）串級式閥芯一般進行碳化鎢噴涂硬化處理，抗沖刷汽蝕性能良好。

4）制造過程與其他多級降壓調(diào)節(jié)閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。

5）串級式調(diào)節(jié)閥一般降壓級數(shù)有限，多為3～4級，不能應(yīng)用于壓差過高的場合。

但熔鹽介質(zhì)帶有渣滓的，如果存在較大渣滓或其他焊渣，會導(dǎo)致閥芯擦傷或卡死。

▋迷宮式結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥

迷宮盤片式多級降壓結(jié)構(gòu)如圖所示，其核心節(jié)流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經(jīng)迷宮流道中經(jīng)過多次碰撞轉(zhuǎn)折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。迷宮式結(jié)構(gòu)大壓差調(diào)節(jié)閥特點如下：

1）迷宮流道的拐彎級數(shù)就是迷宮式調(diào)節(jié)閥的降壓級數(shù)，一般可達十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結(jié)構(gòu)是常見多級降壓調(diào)節(jié)閥中降壓能力最強的，國外有產(chǎn)品最高可以達40mpa。

2）出色的抗汽蝕沖刷及消聲減振性能，多級拐彎迷宮式流道可以有效地控制流體流速，避免空化、噪聲及振動等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

3）通過使用不同形式的迷宮盤片進行組合，迷宮式調(diào)節(jié)閥可以達到不同的流量特性調(diào)節(jié)曲線。

4）迷宮式盤片制造精度要求很高，一般由司太立合金堆焊，有較長的使用壽命；安裝與維護比較簡便，盤片易更換。

5）迷宮式流道對流體介質(zhì)的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發(fā)生堵塞。

該結(jié)構(gòu)每個流道進口截面積大，出口截面積小，加上流道拐彎多，可能會導(dǎo)致熔鹽渣滓堵塞流道。

大壓差調(diào)節(jié)閥布置方式對比

▋一用一備

陳金環(huán)表明，一用一備是首批示范項目典型的布置方式，后續(xù)項目也將延續(xù)這種布置。

主路和旁路采用三偏心金屬密封蝶閥（截止閥）+大壓差調(diào)節(jié)閥。

圖：100%流量大壓差調(diào)節(jié)閥計算表

▋兩用一備

兩路50%運行，一路50%作為備用，采用熔鹽截止閥+大壓差調(diào)節(jié)閥模式。管徑小可以不采用三偏心金屬密封蝶閥，設(shè)計成截止閥形式，可以解決蝶閥內(nèi)漏問題；大壓差調(diào)節(jié)閥口徑變小，整套閥組造價也相應(yīng)降低。

▋主路100%流量+旁路小流量

主路：熔鹽蝶閥+大壓差調(diào)節(jié)閥；旁路：截止閥+大壓差調(diào)節(jié)閥

主路100%流量，用于最大流量和額定流量調(diào)節(jié)，旁路用于小流量調(diào)節(jié)。

主路關(guān)斷依然采用三偏心金屬密封蝶閥，蝶閥內(nèi)漏問題，大壓差調(diào)節(jié)閥開度大，克服了沖蝕。旁路管徑較小，關(guān)斷采用截止閥，大壓差調(diào)節(jié)閥開度大，使用壽命大大提高。

陳金環(huán)指出，此方式在幾種布置方案中造價最低，運行最可靠，唯一的缺點是沒有備用。

▋一用一備+節(jié)流孔板

陳金環(huán)介紹針對首批示范項目出現(xiàn)的問題，有項目業(yè)主方提出一用一備基礎(chǔ)上，在下降管管道加裝幾級節(jié)流孔板，降低壓差防止調(diào)閥汽蝕。

節(jié)流孔板可用于調(diào)節(jié)管路壓力、降低流量。但如果這些板上節(jié)流孔直徑與來流參數(shù)匹配不當或節(jié)流孔位置不合理，則可能會出現(xiàn)節(jié)流過度的現(xiàn)象。這將增加節(jié)流孔上下游的速度差，強化管道中的湍流和壓力波動，從而引起管路振動，產(chǎn)生噪聲，最終加速節(jié)流管道的疲勞。

經(jīng)過對比，最后，陳金環(huán)分別按照運行可靠性和運行經(jīng)濟性給上述幾種大壓差調(diào)節(jié)閥布置方式排序。

從運行可靠性依次排列：

從運行經(jīng)濟性依次排列：

創(chuàng)新型大壓差閥組研發(fā)與應(yīng)用

無論是堵塞的控制，還是流速的控制，終歸是結(jié)構(gòu)問題。

為優(yōu)化大壓差閥組的結(jié)構(gòu)問題，陳金環(huán)提出了新的研發(fā)思路，可提煉為兩個字：避讓。避讓是最簡單、行之有效的方法：改變結(jié)構(gòu)是避讓堵塞最有效的途徑；控制流速是避讓沖蝕最有效的方法。兩者結(jié)合，可以完美解決下降管調(diào)閥所遇到的主要問題。

▋循環(huán)對流盤片式大壓差熔鹽調(diào)節(jié)閥

1.避讓渣滓結(jié)構(gòu)

循環(huán)對流迷宮式盤片的進口截面積尺寸和出口截面積尺寸相同，大顆渣滓不會進去，小顆渣滓也不會卡在流道內(nèi)部。盤片內(nèi)的流道為圓環(huán)形，拐角無死區(qū)，保證雜質(zhì)不會堆積，長久產(chǎn)生堵塞。

底部可以根據(jù)小流量要求，將流道設(shè)計得小一點，并提高小流量時調(diào)閥的開度。

2.控制流速

流體在盤片內(nèi)部經(jīng)過轉(zhuǎn)彎和碰撞后，逐級降壓和減速，消耗能量，從而起到減速的效果。

出口流速是由壓差和降壓級數(shù)經(jīng)過計算而得。公式為：

其中：v—盤片出口速度（m/s）

△P=ρgh，壓差（m）

n—流體轉(zhuǎn)彎次數(shù)

3.降壓效果

上圖為壓力分布云圖，經(jīng)過流體分析軟件模擬而得。從圖中可以看出，顏色深的為高壓（入口壓力），藍色為低壓（出口壓力）。出口壓力是根據(jù)設(shè)計提供的參數(shù)確定的。壓力的分布是逐級減小，而在兩股液體相撞時會偏高。

4.防止閥芯卡死

盤片組件與閥芯接觸面有相應(yīng)的溝槽，如果有小顆粒流到與閥芯接觸面，會被閥芯擋住，并暫時儲存在盤片的溝槽內(nèi)，當閥芯打開后，顆粒便被沖走，從而克服了閥芯的卡死問題。

5.抗流體沖刷

在經(jīng)過循環(huán)對流迷宮盤片組件多級降壓減速后，流經(jīng)密封面的速度控制臨界點之內(nèi)。同時閥座和閥芯密封面堆焊stellite6合金，硬度達到40-45HRC，高硬度和耐腐蝕密封面提高了閥門的抗沖刷性能。

陳金環(huán)總結(jié)，以上改進和創(chuàng)新效果顯著，自應(yīng)用于某10MW光熱項目并運行三年以來，原本明顯的振動小時，調(diào)節(jié)性能良好，反饋不再反復(fù)出現(xiàn)給定區(qū)間上下波動、跳變，并未出現(xiàn)任何故障。

關(guān)于大壓差閥組切斷閥問題

▋?nèi)慕饘倜芊獾y

首批示范項目均采用三偏心金屬密封蝶閥，幾乎都出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象。

高溫熔鹽的溫度接近材料回火溫度，加上運行工況長期溫變，閥座與閥板變形是不可避免的，即遲早會出現(xiàn)蝶閥內(nèi)漏現(xiàn)象。

▋雙桿式金屬密封蝶閥

蝶閥內(nèi)漏現(xiàn)象避無可避，可在閥體上直接加工閥座密封面，再堆焊司太立合金，代替鑲嵌的閥座，只要閥體不變形，閥座也不會變形。也可在閥板上直接加工閥板密封面，再堆焊司太立合金，代替螺栓固定的密封圈，閥板整塊鑄造或鍛造，只要有足夠的強度，閥板是不會變形的，如此一來，蝶閥在目前熔鹽的工況就可以得到滿足。

該結(jié)構(gòu)既解決了熔鹽內(nèi)漏問題，同時也克服了三偏心蝶閥的兩個漏點；執(zhí)行機構(gòu)扭矩小了，閥桿無需電伴熱，節(jié)省了能源。

▋先導(dǎo)式熔鹽截止閥

截止閥是強制密封的，不平衡力結(jié)構(gòu)，特別是口徑≥DN300的截止閥重量大，閥桿粗，開啟和關(guān)閉需要執(zhí)行器力矩非常大。

可通過對閥芯的結(jié)構(gòu)的改變，把不平衡力改為平衡力；閥門啟閉為平衡力，閥桿就不那么粗大了，所需執(zhí)行器的扭力就大大減小了；力可控，則閥門的可控性增強。但也要需要考慮熔鹽結(jié)構(gòu)上殘留的解決辦法。

關(guān)于大壓差閥組密封問題

大壓差調(diào)節(jié)閥和其他熔鹽閥一樣，外漏部分主要為兩個地方：閥桿密封填料處與閥體與閥蓋密封處，主要是密封的結(jié)構(gòu)與密封材料選擇的問題。

石墨墊片在高溫下的氧化燒失，由于石墨的氧化，石墨墊片會發(fā)生應(yīng)力損失。溫度越高，應(yīng)力損失越快。

如果閥頸加長，使得閥桿密封填料處的溫度低于300℃，采用石墨作為密封材料。熔鹽系統(tǒng)運行，565℃的熔鹽溫度加上熔鹽閥外部保溫，傳熱的作用很難把閥桿填料處溫度降低到300℃，高溫造成石墨材料氧化，導(dǎo)致閥桿填料處漏鹽。

佳潔能參考國外材料對比了石墨墊片和蛭石墊片的泄露率。

圖：石墨墊片泄漏率

圖：蛭石墊片泄漏率

蛭石墊片泄漏率在40 bar氦氣條件，160 MPa墊片應(yīng)力下為1×10-7 mg/(s·m-1)；石墨墊片在同等條件下，160 MPa墊片應(yīng)力作用下，泄漏率為5.6×10-5 mg/(s·m-1)。石墨墊片和蛭石墊片在安裝和應(yīng)用工況下的密封性能表現(xiàn)，而上圖很好地顯示了蛭石墊片更優(yōu)異的密封性能。其性能曲線的平行段，表現(xiàn)的是墊片在應(yīng)力減小的情況下密封性能表現(xiàn)，蛭石墊片表現(xiàn)出在這種情況下的優(yōu)異密封性能。作為填料或墊片，明顯看出在熔鹽系統(tǒng)閥門上，石墨材料是不可取的，蛭石材料能適應(yīng)各種高溫工況。

圖：云母與蛭石對比

從圖表上可以看出，隨著填料或墊片表面應(yīng)力的增加，蛭石板材的泄漏率持續(xù)下降到可以忽略不計的數(shù)值。而同樣的測試條件下，云母板材墊片即使在50 MPa的應(yīng)力下，泄漏率任然大于200 mL/min.同樣的溫壓工況、測試條件、安裝載荷、墊片尺寸等測試條件下，膨化蛭石為基礎(chǔ)的墊片的密封性都遠遠好于云母墊片。

通過以上試驗數(shù)據(jù)對比，可以總結(jié)出以下幾點，作為熔鹽介質(zhì)閥桿密封材料：

1.不可以選擇石墨材料。

2.慎重選擇云母+石墨材料。

3.云母是一種較好的選擇。

4.高純度蛭石是最佳選擇。

閥芯與閥籠密封、閥體與閥蓋密封自適應(yīng)密封技術(shù)是解決這兩處熔鹽內(nèi)漏和閥體與閥蓋密封處漏鹽的關(guān)鍵。

O型金屬密封圈

需要計算各種溫度變化的膨脹量來配合密封結(jié)構(gòu)，以及螺栓的預(yù)緊力，才不會導(dǎo)致O型圈變形，失去密封效果。材料選擇625或718.需要復(fù)雜的彈力計算和預(yù)緊力的計算。

C型金屬密封圈

C形環(huán)密封屬于自緊式密封，一方面密封環(huán)回彈張開，另一方面在內(nèi)壓作用下，線接觸處越壓越緊。

選擇適當?shù)腃形環(huán)，并保證其具有合適的預(yù)緊，即可保證C形環(huán)接觸壓力大于被密封介質(zhì)壓力，實現(xiàn)密封。

C型圈材料可選擇625或718.彈力計算和預(yù)緊力的計算比O型圈簡單。

關(guān)于北京佳潔能新節(jié)能技術(shù)有限公司

2016年，北京佳潔能新節(jié)能技術(shù)有限公司（以下簡稱“佳潔能”）與蘇州德蘭建立研發(fā)團隊，并與科研院所加強合作，通過持續(xù)的人力物力財力的投入，已獲得十多項熔鹽閥國家授權(quán)專利。其中與中科院上海應(yīng)用物理研究所合作研發(fā)，熔鹽制備上截止閥，MCSH超高溫熔鹽調(diào)節(jié)閥等先后應(yīng)用在各自系統(tǒng)上。MCSH超高溫熔鹽調(diào)節(jié)閥工作溫度達到720℃，也是行業(yè)里從未涉及到的熔鹽高溫工況。

2017年，哈鍋與浙江大學(xué)、山東電力建設(shè)第三工程公司共同合作，在浙江大學(xué)校內(nèi)聯(lián)合搭建了一個塔式光熱實驗平臺，該平臺主要進行熔鹽儲熱釋熱試驗，試驗運行過程中熔鹽最低溫度為235攝氏度，最高溫度為565攝氏度，所用熔鹽閥門26臺全部采用佳潔能的產(chǎn)品。試驗臺從2018年6月開始運行至今，運行期間無出現(xiàn)內(nèi)漏和外漏，無出現(xiàn)動作滯澀等質(zhì)量問題，啟閉順暢，調(diào)節(jié)性能較好，達到設(shè)計要求。佳潔能熔鹽閥可以滿足光熱發(fā)電集熱儲熱換熱系統(tǒng)使用，該項目負責人浙江大學(xué)熱能工程研究所教授周昊對佳潔能熔鹽閥給予高度評價。

2019年4月15日，蘭州大成敦煌50兆瓦發(fā)電示范項目首批運行集熱系統(tǒng)建成，并成功實現(xiàn)550攝氏度高溫運行測試，系統(tǒng)各項指標均達到設(shè)計要求。該系統(tǒng)所用熔鹽閥門皆為佳潔能國產(chǎn)熔鹽閥。在此基礎(chǔ)上，蘭州大成敦煌50兆瓦光熱發(fā)電示范項目采用了佳潔能近200臺閥門，這也是國內(nèi)首批光熱發(fā)電示范項目較大規(guī)模采用國產(chǎn)熔鹽閥。

2021年，首航高科與西交大合作的高溫吸熱器項目，所涉及的是另一種熔點更高的熔鹽，使用溫度更高。佳潔能和德蘭團隊從材料選擇，閥門結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及密封填料等方面進行優(yōu)化，并于2021年年底順利交貨。

表：佳潔能相關(guān)業(yè)績

月前，北京佳潔能新節(jié)能技術(shù)有限公司收到中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司發(fā)來的四個中標通知書，確定其中標阿克塞哈薩克族自治縣匯東新能源有限責任公司750MW光熱+光伏試點項目EPC工程總承包項目熔鹽止回閥、熔鹽下塔大壓差調(diào)閥、熔鹽截止閥、熔鹽調(diào)節(jié)閥。

此外，不得不提的是，針對大基地光熱光熱項目，佳潔能推出了一個熔鹽閥門增值計劃：

1、整個光熱項目除熔鹽安全閥外，我們提供其他所有熔鹽閥總承包（不包括安裝），承諾熔鹽閥總價低于進口品牌近3000萬；

2、佳潔能承諾運行5年之內(nèi)所有配件是免費提供并提供免費現(xiàn)場服務(wù)；

3、定期不定期派出技術(shù)服務(wù)人員到現(xiàn)場，與現(xiàn)場運維技術(shù)人員對熔鹽閥進行維護；

4、運行5年后配件收取成本費，并派技術(shù)人員協(xié)作現(xiàn)場運維人員進行更換或維修。