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艾默生Vanessa三偏心閥在熔融鹽光熱電站中的應(yīng)用

   2018-03-07 CSP Focus光略咨詢616120
核心提示:太陽能具有清潔、方便、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保,取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢,是世界今后能源關(guān)注的重點(diǎn)。而中國將光熱發(fā)電列為十三五的
太陽能具有清潔、方便、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保,取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢,是世界今后能源關(guān)注的重點(diǎn)。而中國將光熱發(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)熔融鹽越來越成為更多光熱發(fā)電公司的選擇

太陽能熱發(fā)電的工作原理,是將太陽能聚集起來,加熱工質(zhì),驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)即能發(fā)電。傳熱蓄熱工質(zhì)是儲能系統(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)蒸汽溫度最高可達(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?對閥門有何要求?電廠用熔鹽一般由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀混合而成,這種熔鹽在電場里用融熔狀態(tài)的鹽來傳遞熱量,稱其為熔融鹽。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)所無法相比的。總的來說,融熔鹽是一種成本低、壽命長、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)。其最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,在儲熱罐中,熔鹽的凝固不會引起太大問題,在西班牙已運(yùn)行電站的熔鹽儲熱系統(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)將會造成較大風(fēng)險,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/熱熔鹽儲罐,都需要安裝開關(guān)及調(diào)節(jié)閥門,來控制調(diào)節(jié)工藝流程。要求安裝在這些設(shè)備上的閥門,必須滿足下述工況:
 
 
·        耐高溫,高達(dá)560℃
·        閥門的熱傳導(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足上述要求,而現(xiàn)場閥門的使用工況也驗(yàn)證了Vanessa非常適合這一工況。下文中會以Vanessa三偏心蝶閥為例,具體闡釋閥門在光熱發(fā)電項(xiàng)目中的應(yīng)用。
Vanessa工廠自2007年即開始參與全球眾多的太陽能光熱發(fā)電項(xiàng)目,見證了太陽能光熱發(fā)電的大發(fā)展的過程,亦為此做出了諸多貢獻(xiàn)。從最開始的采用導(dǎo)熱油的工藝到現(xiàn)如今的熔融鹽工藝,Vanessa都有針對性地對閥門進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)開發(fā),并成功獲得訂單。
 
同時,Vanessa工廠也非常樂于與各從事光熱發(fā)電工藝技術(shù)開發(fā)的組織、公司進(jìn)行合作,提供產(chǎn)品用于系統(tǒng)的開發(fā)試驗(yàn)。為中國的光熱發(fā)電貢獻(xiàn)一份力量。
 
近日,艾默生最終控制事業(yè)部受CSP Focus光略咨詢的邀請,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)電中國聚焦大會,大會現(xiàn)場將由艾默生最終控制業(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)人士出席會議并作現(xiàn)場交流。
 
艾默生Vanessa 三偏心蝶閥密封原理

三偏心蝶閥采用了一個與截止閥相類似的密封系統(tǒng),該密封系統(tǒng)由具有相同圓錐截面形狀的一個固定閥座和一個可轉(zhuǎn)動的密封表面構(gòu)成。但是,三偏心蝶閥采用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(而非軸向運(yùn)動),依靠錐頂相對于管道軸心傾斜的錐體來實(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)閉位置時才會產(chǎn)生一個單一的瞬間接觸,這是三偏心閥門能夠?qū)崿F(xiàn)無摩擦關(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“偏心”(如圖4所示):
 
·        軸設(shè)置在密封面的后面,使得閥門獲得了一個完整的連續(xù)密封面;
·        軸設(shè)置在管道/閥門中心線的一側(cè),產(chǎn)生凸輪效應(yīng),在開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于管道/閥門中心線是傾斜的,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閥座堆焊和一個高強(qiáng)度的雙相不銹鋼層片式的密封圈來實(shí)現(xiàn)金屬硬密封。
 
Vanessa三偏心蝶閥在開啟和關(guān)閉的運(yùn)行過程中,閥座和密封圈之間的接觸完全消除,有效延長了密封元件和閥門的整體壽命。這與閥門角行程的特性相結(jié)合,使得閥門的運(yùn)行扭矩更低更穩(wěn)定,閥門的動作更快更易于操作。同時使得閥門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、快速泄放或高頻動作應(yīng)用的理想閥門。
 
由于Vanessa三偏心蝶閥是角行程閥門,密封元件繞軸心旋轉(zhuǎn),可以為用戶顯著節(jié)省現(xiàn)場的安裝空間,顯著改善動作性能。另外,角行程的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動也減少了對于填料的不利影響,避免了在直行程閥門閥桿上下運(yùn)動時擠出磨損填料,造成外漏(如圖5所示)。Vanessa可實(shí)現(xiàn)手動、電動、氣動、液動操作。既可做切斷閥亦可作調(diào)節(jié)閥使用。
 
 

 
■ 針對熔融鹽的特殊工況,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,對于管道及閥門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。對整個閥門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。同時增加了額外的O型圈和活載荷效應(yīng)碟形彈簧,最大程度避免閥桿處外漏的產(chǎn)生,以及積極應(yīng)對光熱發(fā)電現(xiàn)場特有的極大的晝夜溫差造成的熱脹冷縮的影響。
 
最后,對于太陽能發(fā)電項(xiàng)目來說,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)更加緊湊簡單,因此在對管道進(jìn)行隔熱保護(hù)的時候,操作更方便(如圖7所示)。而所需的電伴熱更少,僅需要針對閥頸處裸露的部分進(jìn)行電伴熱設(shè)置。而同時,Vanessa還特別將填料改到了距離閥門中心更近的位置,最大程度減少熱量的損失。
 
 

 
Vanessa工廠專門針對閥門的熱消耗進(jìn)行了很多的研究分析工作。以口徑為3''的閥門作為樣品進(jìn)行了熱散失的分析。該試驗(yàn)閥門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。在閥門多處設(shè)置溫度探頭進(jìn)行溫度檢測。圖8中第一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。而第二張圖中說明了,熱量僅通過沒有進(jìn)行隔熱的閥桿散失到外部。而當(dāng)伴熱輸入230W的熱量時,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,最大測試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工廠亦針對同口徑的截止閥做了熱損耗的比較。以8''口徑的閥門作為測試樣品,測試溫度為560℃。測試結(jié)果,截止閥熱損耗為1670W時,Vanessa三偏心蝶閥僅損耗445W的熱量。 
 
標(biāo)簽: 光熱電站
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