CSPPLAZA光熱發電網訊：近日，北京佳潔能新節能技術有限公司董事長陳金環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用》。

圖：陳金環

首批示范項目大壓差閥組問題分析

據陳金環介紹，下降管大壓差調節閥組至少包括以下工況：既是流量調節，又是大壓差壓力調節，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；熔鹽系統啟動后吸熱器充鹽工況；熔鹽介質逆流工況；熔鹽系統停運疏鹽工況等。工況繁多，下降管大壓差調節閥組的復雜性和技術難度可見一斑。

▋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給定的CV值、流量特性，來確定孔的大小、數量及排列形式，計算出一個最合理的數據是理想化的情況。

渣滓堵塞的情況可能會發生的。

2、確定沖蝕臨界點

陳金環指出，要想控制流速，就要知道熱熔鹽的溫度與流速對閥內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件沖蝕率成倍增加。

當流速一定時，溫度的升高熔鹽對閥內件磨損率成倍增加。

沖蝕主要出現在大壓差，含渣滓介質場合。在這些場合閥的節流口處的介質流速非常高，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，造成閥出現故障或報廢。同時經常伴隨堵塞尤其當閥處于小開度工作時，節流間隙更小，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，不可能通過調節閥把溫度降下來，

因此就要靠降低熱熔鹽通過節流件的流速。

相同的條件下流速越快，發生汽蝕的幾率越大，對閥內件的沖蝕就越大。

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件沖蝕的臨界點是至關重要的參數，陳金環建議可以通過實驗或其他途徑來獲得參數。

控制流速在臨界點之內是保證大壓差調節閥使用壽命最關鍵技術之一。

多種大壓差閥組選型對比

▋多層孔結構大壓差調節閥

多層套筒式調節閥典型結構特征是閥芯部分節流件由數層加工有小孔的套筒構成，每層套筒之間都留有一定的間隙，使流體流經套筒時得以緩沖，從而將流體速度控制在一定范圍內。陳金環總結了多層孔結構大壓差調節閥的特點，如下：

1）多級套筒式調節閥降壓級數可以設計得較大，降壓能力與串級式相比較強，能夠勝任高壓差的場合。

2）多層套筒式結構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，用于液體介質時，流體由最外側套筒流向最內側，液體介質在套筒中逐級降壓以減輕空化汽蝕現象的發生，并且流體最終從內側套筒上的小孔中噴射至中心閥腔區域，使汽泡在套筒中心部位破裂，不直接對閥門金屬表面產生傷害。

4）套筒加工過程比較復雜，成本較高。但安裝與維護簡便，易于更換。由于熔鹽介質是有渣滓的，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，反饋反復出現給定區間上下波動、跳變。

盡管如此，他表示在首批示范項目運行過程中，大壓差調節閥基本上都出現了問題。

▋串級式結構大壓差調節閥

串級式多級降壓結構這種結構把原本的一個整體的節流區域以多個分開的節流區域互相串聯，從而使較大的壓差轉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，使空化現象不再出現。下為串級式結構大壓差調節閥的特點：

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

在啟閉過程時作用于閥口的持續高壓逐級減輕，分擔了第一級節流口的壓力。

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節閥相比工藝較為簡單，加工方便，制造成本也較為低廉。

5）串級式調節閥一般降壓級數有限，多為3～4級，不能應用于壓差過高的場合。

但熔鹽介質帶有渣滓的，如果存在較大渣滓或其他焊渣，會導致閥芯擦傷或卡死。

▋迷宮式結構大壓差調節閥

迷宮盤片式多級降壓結構如圖所示，其核心節流部分由多個開有迷宮式溝槽的金屬盤片疊加而成。流體流經迷宮流道中經過多次碰撞轉折，消耗能量，在逐級降壓過程的同時，使流速也得到了控制。迷宮式結構大壓差調節閥特點如下：

1）迷宮流道的拐彎級數就是迷宮式調節閥的降壓級數，一般可達十幾到二十幾級，所以迷宮式多級降壓結構是常見多級降壓調節閥中降壓能力最強的，國外有產品最高可以達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象的發生。

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

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的清潔度要求較高，否則迷宮流道容易發生堵塞。

該結構每個流道進口截面積大，出口截面積小，加上流道拐彎多，可能會導致熔鹽渣滓堵塞流道。

大壓差調節閥布置方式對比

?一用一備

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

主路和旁路采用三偏心金屬密封蝶閥（截止閥）+大壓差調節閥。

圖：100%流量大壓差調節閥計算表

?兩用一備

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

?主路100%流量+旁路小流量

主路：熔鹽蝶閥+大壓差調節閥；旁路：截止閥+大壓差調節閥

主路100%流量，用于最大流量和額定流量調節，旁路用于小流量調節。

主路關斷依然采用三偏心金屬密封蝶閥，蝶閥內漏問題，大壓差調節閥開度大，克服了沖蝕。旁路管徑較小，關斷采用截止閥，大壓差調節閥開度大，使用壽命大大提高。

陳金環指出，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+節流孔板

陳金環介紹針對首批示范項目出現的問題，有項目業主方提出一用一備基礎上，在下降管管道加裝幾級節流孔板，降低壓差防止調閥汽蝕。

節流孔板可用于調節管路壓力、降低流量。但如果這些板上節流孔直徑與來流參數匹配不當或節流孔位置不合理，則可能會出現節流過度的現象。這將增加節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，產生噪聲，最終加速節流管道的疲勞。

經過對比，最后，陳金環分別按照運行可靠性和運行經濟性給上述幾種大壓差調節閥布置方式排序。

從運行可靠性依次排列：

從運行經濟性依次排列：

創新型大壓差閥組研發與應用

無論是堵塞的控制，還是流速的控制，終歸是結構問題。

為優化大壓差閥組的結構問題，陳金環提出了新的研發思路，可提煉為兩個字：避讓。避讓是最簡單、行之有效的方法：改變結構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。兩者結合，可以完美解決下降管調閥所遇到的主要問題。

?循環對流盤片式大壓差熔鹽調節閥

1.避讓渣滓結構

循環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部。盤片內的流道為圓環形，拐角無死區，保證雜質不會堆積，長久產生堵塞。

底部可以根據小流量要求，將流道設計得小一點，并提高小流量時調閥的開度。

2.控制流速

流體在盤片內部經過轉彎和碰撞后，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經過計算而得。公式為：

其中：v—盤片出口速度（m/s）

△P=ρgh，壓差（m）

n—流體轉彎次數

3.降壓效果

上圖為壓力分布云圖，經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）。出口壓力是根據設計提供的參數確定的。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，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

在經過循環對流迷宮盤片組件多級降壓減速后，流經密封面的速度控制臨界點之內。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。

陳金環總結，以上改進和創新效果顯著，自應用于某10MW光熱項目并運行三年以來，原本明顯的振動小時，調節性能良好，反饋不再反復出現給定區間上下波動、跳變，并未出現任何故障。

關于大壓差閥組切斷閥問題

?三偏心金屬密封蝶閥

首批示范項目均采用三偏心金屬密封蝶閥，幾乎都出現內漏現象。

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，即遲早會出現蝶閥內漏現象。

?雙桿式金屬密封蝶閥

蝶閥內漏現象避無可避，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。

該結構既解決了熔鹽內漏問題，同時也克服了三偏心蝶閥的兩個漏點；執行機構扭矩小了，閥桿無需電伴熱，節省了能源。

?先導式熔鹽截止閥

截止閥是強制密封的，不平衡力結構，特別是口徑≥DN300的截止閥重量大，閥桿粗，開啟和關閉需要執行器力矩非常大。

可通過對閥芯的結構的改變，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構上殘留的解決辦法。

關于大壓差閥組密封問題

大壓差調節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，主要是密封的結構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，石墨墊片會發生應力損失。溫度越高，應力損失越快。

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用工況下的密封性能表現，而上圖很好地顯示了蛭石墊片更優異的密封性能。其性能曲線的平行段，表現的是墊片在應力減小的情況下密封性能表現，蛭石墊片表現出在這種情況下的優異密封性能。作為填料或墊片，明顯看出在熔鹽系統閥門上，石墨材料是不可取的，蛭石材料能適應各種高溫工況。

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力的增加，蛭石板材的泄漏率持續下降到可以忽略不計的數值。而同樣的測試條件下，云母板材墊片即使在50 MPa的應力下，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，膨化蛭石為基礎的墊片的密封性都遠遠好于云母墊片。

通過以上試驗數據對比，可以總結出以下幾點，作為熔鹽介質閥桿密封材料：

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

自適應密封技術是解決這兩處熔鹽內漏和閥體與閥蓋密封處漏鹽的關鍵

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構，以及螺栓的預緊力，才不會導致O型圈變形，失去密封效果。材料選擇625或718.需要復雜的彈力計算和預緊力的計算。

C型金屬密封圈

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

選擇適當的C形環，并保證其具有合適的預緊，即可保證C形環接觸壓力大于被密封介質壓力，實現密封。

C型圈材料可選擇625或718.彈力計算和預緊力的計算比O型圈簡單。

關于北京佳潔能新節能技術有限公司

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

2017年，哈鍋與浙江大學、山東電力建設第三工程公司共同合作，在浙江大學校內聯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品。試驗臺從2018年6月開始運行至今，運行期間無出現內漏和外漏，無出現動作滯澀等質量問題，啟閉順暢，調節性能較好，達到設計要求。佳潔能熔鹽閥可以滿足光熱發電集熱儲熱換熱系統使用，該項目負責人浙江大學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50兆瓦發電示范項目首批運行集熱系統建成，并成功實現550攝氏度高溫運行測試，系統各項指標均達到設計要求。該系統所用熔鹽閥門皆為佳潔能國產熔鹽閥。在此基礎上，蘭州大成敦煌50兆瓦光熱發電示范項目采用了佳潔能近200臺閥門，這也是國內首批光熱發電示范項目較大規模采用國產熔鹽閥。

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，閥門結構的設計，以及密封填料等方面進行優化，并于2021年年底順利交貨。

月前，北京佳潔能新節能技術有限公司收到中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司發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、熔鹽下塔大壓差調閥、熔鹽截止閥、熔鹽調節閥。

表：佳潔能相關業績

針對大基地光熱光熱項目，佳潔能推出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年之內所有配件是免費提供并提供免費現場服務；

3、定期不定期派出技術服務人員到現場，與現場運維技術人員對熔鹽閥進行維護；

4、運行5年后配件收取成本費，并派技術人員協作現場運維人員進行更換或維修。