在當前的光熱發電領域，熔鹽作為儲熱介質已經得到了成熟的商業化應用，業界對熔鹽儲熱技術的認可度也不斷提升。熔鹽閥作為儲能系統中的關鍵設備，在整個系統運行的安全性和可靠性方面扮演着重要角色。

　　太陽能光熱發電的工作原理，是将太陽能聚集起來，加熱工質，驅動汽輪發電機即能發電。傳熱蓄熱工質是儲能系統的關鍵，導熱油和熔鹽均可作為工質，但導熱油系統蓄熱溫區和蒸汽溫度均較熔鹽系統低140-170℃左右，而高溫蒸汽參數可使發電站發電效率增加約4%，年發電量提高15%，效益可觀。實踐證明，低熔點熔鹽越來越成為更多光熱發電公司的選擇。

圖1 傳統導熱油槽式與熔鹽塔式系統比較

　　哪種類型的閥門更适用于光熱熔鹽儲熱系統？

　　在光熱電站的傳熱以及蓄熱系統都采用熔鹽介質，其設備如吸熱塔和冷/熱熔鹽儲罐需要安裝開關及調節閥門，來控制調節工藝流程。一般采用閘閥、截止閥或三偏心蝶閥，安裝在這裡的閥門必須滿足下述工況：

耐高溫，設計溫度高達595℃；

閥門的熱傳導效率高，保證熔鹽始終在其凝固點之上；

很好的耐腐蝕性。

　　在實際使用經驗來看，更多的設計院和最終用戶選擇三偏心閥。這是因為其更好的密封性以及性價比。三偏心蝶閥采用了一個與截止閥相類似的密封系統，該系統由具有相同圓錐截面形狀的一個固定閥座和一個可轉動的密封表面構成。但是，三偏心蝶閥采用旋轉運動（而非軸向運動），依靠錐頂相對于管道軸心傾斜的錐體來實現關斷，這使得三偏心蝶閥成為了“角行程的截止閥”。

圖2 三偏心蝶閥和截止閥的閥座結構比較

　　截止閥僅當密封元件處于關閉位置時才會産生一個單一的瞬間接觸，三偏心閥借助其三個“偏心”設計，能夠實現雙向完全關閉，如圖3所示。另外，實現金屬硬密封的另一個秘訣是采用高強度的Stellite® Gr.21堆焊閥座和不鏽鋼薄斜錐片式的密封圈。

圖3 三偏心蝶閥的三個偏心

　　電伴熱計算能為工廠帶來什麼效益？

　　電伴熱的主要目的是保溫，采用電能來補償介質設備如閥門的熱量損失，維持介質設備所需溫度；電伴熱也可以用來提升介質溫度和加熱（如電廠啟動時的進鹽過程）。電伴熱适用于有一定輻射空間、功率适當且長時間使用的設備，如熔鹽管道、閥門、儲熱罐、集熱器等。精确的電伴熱計算能夠幫助光熱電廠有效減少用電量，提高電廠的運行利潤，且保證熔鹽不會産生結晶而堵塞管道以及閥門，造成閥門無法動作或者損壞填料熔鹽外漏。

　　熔鹽的缺點在于較低的凝固點，用于傳熱系統時最大的風險就是集熱管、管道的堵塞或開裂。資深熔鹽閥門制造商或設計院根據熱傳導原理的傅裡葉定律、對流換熱的基本規律牛頓冷卻公式、物體輻射熱流量斯忒潘-波爾茲曼定律等等進行電伴熱需求功率計算，通常使用ANSYS軟件進行電伴熱功率和參數模拟計算，依據現場的工作和環境建立适合的邊界條件，模拟計算冷熔鹽和熱熔鹽閥門的進鹽過程 (Transient State) 和日常運行過程 (Steady State) 中升溫/保溫所需要的最低功率。最終計算出每台熔鹽閥的穩态熱分析 (閥頸、閥腔以及閥根部在日常運行中需要保溫的電伴熱功率) 和瞬時熱态分析 (如裝置開車時的進鹽過程中需要熱管/閥門的電伴熱功率)，作為現場電伴熱系統的設計以及安裝指導。隻有通過精确計算後的電伴熱系統設計才能有效避免熔鹽閥結晶堵塞問題，并大大節省電能。

　　計算模拟熔鹽閥電伴熱功率的邊界條件包括溫度邊界條件，閥門外壁和空氣表面對流換熱系數以及熱流密度分布、空氣對流換熱系數、環境最低溫度、最高風速等，還有保溫材料、厚度和導熱系數等。

圖4 ANSYS軟件的模拟計算示意圖

　　節能意味着更高的發電效率，三偏心閥較截止閥所需電伴熱面積更少，僅需對閥頸裸露部分進行電伴熱設置，如圖5所示，有效避免結晶問題。且因其針對光熱發電的特殊一體式閥體設計，使填料離閥門管道中心線更近，減少了存儲在管道閥門中向外的熱量損失。根據相關熱損耗模拟實驗表明，測試管道介質溫度為560℃時，DN200的截止閥熱損耗為1670W，三偏心閥僅為445W。

圖5 三偏心蝶閥和截止閥隔熱比較

　　綜上所述，通過精确計算的電伴熱系統能夠有效提高光熱發電廠的運行利潤，對比沒有進行計算、或僅憑經驗的電伴熱系可節省能耗約15%。

　　雲母材質填料為什麼很重要？

　　目前不同的廠家對閥杆填料的選擇主要有兩種：全雲母或石墨/雲母混合材料。而雲母以福來西公司生産的THERMICULITE®為最優選擇。采用石墨/雲母混合材料都是為了降低成本。

　　作為三偏心蝶閥唯一的外漏點，閥杆的密封是保證閥門嚴密關斷的重要一環，且如上文提到的熔鹽閥三大必備條件中，閥門設計溫度達到595℃。然而，根據研究表明，石墨在高于300℃的工況下就會與熔鹽發生氧化反應，因此石墨/雲母混合材料填料并不适用于熔鹽閥，小小填料可能造成由小變大的洩漏，進而造成嚴重事故。

　　結 語

　　太陽能光熱發電的發展時間還不長，從上世紀80年代的商業槽式導熱油，到21世紀05年左右開始發展的熔鹽塔式，熔鹽閥大概是30年左右的時間。資深的熔鹽閥制造商還在不斷對其進行設計升級，他們的實踐經驗能夠幫助設計院/最終用戶選擇更新技術、更優設計的熔鹽閥産品。（艾默生自動化解決方案）

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