在可再生能源领域，聚光太阳能发电（CSP）可谓是支柱型技术，因为它能最大限度将太阳光能转化为电能。对于聚光太阳能发电站而言，决定其运行效率和可靠性的关键设备之一，就是技术先进的熔盐管理阀门。熔盐既是传热流体（HTF）又是热能储存（TES）材料。
本文旨在深入探讨此类阀门在设计中需要考量的因素，面临的挑战和可能的创新。
1. 热能储存（TES）和熔盐的应用
在聚光太阳能发电站中，热能储存是最关键的工艺环节。它的功能是将一天中峰值日照时间富余的热能储存起来，并在无日照的时间里用于发电。这样就可以使聚光太阳能发电站在夜间或阴天也能发电，提高了它的可靠性和效率。熔盐既是传热流体（HTF），又是热能储存材料。它可以高效地储存和传递热能，因此非常适用于这样的场合。此外，熔盐还能被用作冷却剂。某些情况下，也能用作核电站的燃料，和高温熔盐电池中的电解液。
2. 为何使用盐类混合物？
简单盐需要大量热能才会熔化，而且比混合盐更容易降解。为了提高盐的热性能，需要将硝酸盐、碳酸盐、氟化物和氯化物等盐类，按照特定比例混合在一起。这样的混合物熔点较低，沸点较高，蒸气压较低，而且热稳定性较好。（详情见表一）
3. 槽式和塔式聚光太阳能发电
聚光太阳能发电站（CSP）的设计通常分为两种类型：槽式和塔式。大多数第二代CSP都会采用硝酸盐混合物作为工艺介质，其具体成分通常是60%硝酸钠和40%硝酸钾。这种混合物的熔点是221℃，在238℃开始晶体化。在CSP的工艺流程中，盐被聚光塔或抛物槽加热（>400℃），并储存在热槽中，温度保持在500℃左右。冷盐（<400℃）会被预热，使其温度高于凝固点，随后被泵入塔中，进入后续加热工序并反复循环，确保电站连续发电。
4. 优势和挑战
- CSP采用的熔盐具有多种优势，包括热稳定性高，密度高，不可燃，蒸气压低，因此运行效率和安全性都较高。
- 然而挑战也同样存在，包括盐的结晶现象会给泵和阀门等设备带来严重风险，同时也可能会导致运营成本上升。
- 由于技术局限性，CS P 比其它能源发电的成本更高一些， 热能储存（TES）效率大约是90%，但是电能转化率仅为50%。
5. 用于CSP发电站的几种阀门类型
CSP发电站会用到若干种类型的阀门来控制蒸汽和空气。但是在熔盐工况下，截止（控制）阀和三偏心蝶阀比较受青睐，因为它们的结构设计特殊，能有效地控制熔盐流的流动，同时确保装置高效运行。以下是几种适用于CSP发电站的阀门类型：• 闸阀：大型管道中，熔盐可以不受阀门阻碍地流动，最大限度地降低流动阻力。• 蝶阀：结构紧凑，适合在大型管道中控制流体，尤其是在空间有限的场合。
• 截止阀：可以精确控制熔盐流速，这对于优化热传递非常重要。
• 止回阀：可以防止逆流，确保熔盐只能按照设计的方向流动。
• 控制阀：配置有执行器，可以精确控制流速、压力和温度。
• 泄压阀（压力安全阀）：压力超过设定值时自动泄压，防止系通超压，保障安全。
• 热膨胀阀：可以承受熔盐的热胀冷缩，因此能维持系统的整体完好性。
6. 对阀门的常规要求
6.1 应用于熔盐工况的阀门，必须符合以下各项要求：
• 必须采用金属阀座。对接触介质的密封件应使用特殊石墨。
• 开关阀必须符合ISO 5208/API 598/EN 13344-1 Rate-A标准；控制阀必须符合FCI 70-2 Class V标准。
• 为实现可靠密封，推荐采用对接焊连接。• 填料泄漏率必须符合ISO 15848Rate-A标准。
• 阀门必须能在不拆卸执行器的情况下，在线进行维护和填料更换。• 需配置加热保温系统，以便装置妥善运行。• 阀门必须能承受CSP固有的热循环。
• 填料和密封垫材质必须和阀门相匹配。
6.2 阀门还必须符合相关电站的特定要求，例如：
• 必须能承受地震荷载。• 噪音和振动必须控制在可以接受的范围内。
• 电气设备必须适配现场条件。
• 阀门的最低使用寿命必须符合项目和设施的要求。
• 阀门必须能承受2万至2万五千次热循环。
• 填料和密封垫的选型必须满足业主提出的技术规范。
• 必须与指定的管道壁厚相匹配。
• 阀门必须能在一定温度范围内正常控制熔盐流动。
• 阀门材质必须和混合盐及相关构件材质相适配。
• 必须保证足够厚度的保温层。
• 优化能耗水平，确保符合电伴热系统（EHT）的要求。
• 阀门必须接受严格测试，操作人员必须接受全方面的培训。
• 必须提前准备好零配件和专用维护工具。
7. 设计时需考量的因素
7.1 三偏心蝶阀（TOBV）
• TOBV的设计必须遵循ASM EB16.34，API 609 和ASME第八卷第一册（Sec VIII Div.1）等行业标准。
• 必须按照要求采用对接焊连接和金属-金属密封，并且有效地和加热系统整合，以便防止熔盐凝固。
• 内置紧固件必须能承受热紊流，且性能不受影响。阀颈/导杆的设计必须和电伴热系统（EHT）适配。
• 接口密封元件、阀杆填料和密封圈必须能防止盐和石墨相接触。
• 温度传感器必须安排在最不能获得有效加热的区域，例如填料、底部垫片和阀体内的流道等区域。
• 阀体填料函延长段的设计，必须以热力学有限元分析为基础，并充分考虑到现场条件、保温层容纳空间和供热的情况。
7.2 截止（控制）阀（GCV）
• GCV 的设计同样应遵循A S M EB16.34，API 623，ASME 第八卷第一册等行业标准。
• 设计应优先考虑防止填料区域接触到热熔盐流，并将填料函区域的温度维持在允许范围之内。
• 配置HT延长阀盖的特制填料系统，也是设计时应关注的重点：
i. 如果最高温度达到400℃ ，必须采用Garlock 1200 PBI，GarlockThermaPUR 4122和锌环等材料。
ii. 如果最高温度达到600℃，有必要采用Garlock Quickset 9001和Garlock 1303 FEP填料。
8. 验证和确认
8.1 热力学有限元分析
热力学有限元分析对于阀门设计的验证非常重要。对于冷盐工况的阀门而言，它有助于识别并减少低温区域。对于热盐工况的阀门，它能帮助分析填料劣化情况和热载荷。瞬态热结构分析能帮助判断阀门是否遭受热冲击，并判断其疲劳寿命和蠕变寿命，确保阀门在聚光太阳能发电站的工况中可靠运行。
8.2 现场确认
在模拟的聚光太阳能发电（CSP）工况中测试阀门，包括进行热循环和密封性能测试，能深入了解阀门在实际应用中的性能表现。和相关专业机构合作，进行阀门性能现场确认，有助于确保设计的整体完好性和运行效率。
9. 聚光太阳能发电站（CSP plant）的节能和热损失有效的加热和热能管理对于CSP而言非常关键。重点包括：
• 选择管状或陶瓷基加热器，有利于优化能耗和缩小加热器尺寸。
• 冷盐管道中的阀门被加热至盐的熔点以上， 以防止结冰。阀门外表面采用保温设计。
• 采用形状与被加热部件表面契合的加热器，并精确计算传感器的安装位置，可以降低热损失。
• 找到能耗和几何外形之间的平衡点，就能实现运行效率的最大化、降低成本，并且提高可持续性。
10. 发展和未来展望
与熔盐相关的技术进步，推动着阀门行业不断产生各种高价值的发明创造，尤其是在CSP发电应用领域。技术的进步需要阀门承受更极端的温度，腐蚀性工况，和各种苛刻的工艺条件。关键技术包括：
• 熔盐快速反应堆（MSFR）
• 氟盐冷却高温堆（FHR）• 液态氟化钍反应堆（LFTR）
• 一体化熔盐堆结合硫化物循环工艺（HyS IMSR）
• 第三代聚光太阳能发电（Gen-3 CSP）
• 甲烷热解
• 重组
• 脱盐每项技术都要用到专门设计的阀门，以便在高温和腐蚀环境中保持经久耐用，保障安全和运行效率。
聚光太阳能发电（CSP）的市场注定会出现大幅度增长，市场价值预计将从2023年的283亿美元，飙升到2034年的5523亿美元。年度综合增长率（CAGR）将达34.6%。2022年的发电产能为6602兆瓦，预计在2023至2030期间，将以5.6%的年度综合增长率连续增长。促成增长的因素，既有政府对可再生能源的激励计划，也有全球对太阳能发电基础设施的投资热潮。
总之，不断扩大的CSP市场给阀门行业提供了重大商机，引导后者开发和创造各种满足苛刻要求的阀门产品，使产品能成功应用于先进的熔盐发电技术。通过投资开发新材料，改进设计和采用智能技术，阀门行业有望在未来可持续发展的能源领域扮演重要角色。
作者简介
Krishna Kumar Viswanathan是美国福斯公司（Flowserve）蝶阀产品全球工程经理，在新产品开发、阀门设计、驱动系统设计、隔离阀和控制阀测试及评估等领域拥有15年工作经验。包括三偏心和双偏心蝶阀、截止控制阀和执行器在内，无论是回转式还是线性控制阀，他都积累了丰富的专业知识。他拥有机械工程专业的工程学士（B.E.）学位。Vignesh Murugan是美国福斯公司阀门事业部的蝶阀产品工程师，在阀门设计领域拥有5年工作经验，擅长三偏心阀门、闸阀、截止阀和止回阀的设计。他拥有机械工程专业的工程学士（B.E.）学位。
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