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福斯:图文详解为光热发电应用定制的专用控制阀方案

2019.03.08 来自:CSPFocus光略咨询

集中式太阳能光热发电面临特殊挑战

 

作为一种新型的太阳能发电形式,集中式太阳能光热发电(CSP)系统较为复杂,部分环节对技术及设备要求较高。

 

光热电站面临的特殊挑战包括:高温、极端温度变化、工况产生的震动、管道系统内液体速度快速变化造成零部件摇动、传热介质的特点和环境条件。液体接触部件的材料须适用于既定温度和频繁的热载荷变化。在关键部位,还要求很好地适应热冲击。视流动介质不同,所用材料必须耐腐蚀,尤其是耐晶间腐蚀,还要有足够的耐磨性能。例如,合成油极易泄露。因其黏度极低、润滑性很小,在高温时流体会损坏密封件和导向面。尤其是当传热介质受到不断变化的运行温度影响时,更易观察到这些现象。

 

液态硝酸盐是强氧化液体。温度接近熔点时,液体结晶,在暴露部位可能还会固化。

 

而且,其中最重要的一点是设备的尺寸和选择。恶劣的运行条件,比如压差高或汽蚀现象,可能会损坏设备或导致设备彻底故障。

 

风、沙子、环境温度过高或过低、直接太阳辐射强度高或湿度过大等环境条件也可能会导致故障。定期清洁反射镜以保持发电厂高效运行是极为必要的。


福斯参与位于西班牙Gemasolar的全球首个熔盐塔式光热发电项目,提供产品支持


作为世界顶级流体控制产品及服务供应商之一,美国福斯(Flowserve)在全球范围内生产工程及工业用泵、阀门、密封、系统及自动化设备,并提供一系列相关的流体管理服务。福斯作为全球最早参与光热发电(CSP)项目泵阀等系统设计及设备供应的企业之一,在应对包括熔盐、导热油、水、蒸汽或空气等传热流体,以及极端工况条件方面积累了全面丰富的项目经验,其产品可达到最小化泄漏,即使在极端温度和压力工况下也可正常运作,并且具有抗腐蚀和磨损性能,在槽式、塔式和熔盐热能储存等具有挑战性的CSP应用中具有持久的功能性和可靠的稳定性。

 

目前,中国首批光热示范项目已批量开建,福斯也积极参与到中国第一批光热太阳能项目的建设中去,敦煌、德令哈,哈密、内蒙、海西州等项目将采用福斯应用于太阳能行业的拳头产品,包括立式熔盐泵、导热油泵、高性能熔盐控制阀、开关阀、闸阀等。


在即将于3月21-22日在北京召开的第九届CSPFocus光热发电中国聚焦大会上,福斯全球聚光太阳能阀门行业经理Angel Cantarero将会详解光热电站调试及运维过程中熔盐控制阀的应用,帮助业内人士更好的了解这一关键设备的特点及对光热电站的影响。


此外,福斯光热发电系统泵业务相关负责人也将出席本次大会,欢迎现场参与本次展会,与福斯面对面交流洽谈。


视频:光热发电中泵的应用--福斯flowserve(时长:7分15秒)


下文对光热发电项目中专用控制阀的方案详述:


为集中式太阳能光热发电应用定制的专用控制阀方案

 

作为熔盐阀的领先供应商,福斯深刻了解热变形和腐蚀对阀门设备的不利影响。因此福斯利用先进的热学验证技术和工程产品设计解决变形和腐蚀问题,提高工艺产量和正常运行时间。福斯Mark One和FlowTop控制阀可以灵活搭配,广泛应用于作为太阳能发电站各种传热流体的严苛工况中。阀门配备各种选配件,包括用来消除填料泄漏的波纹管密封,以及消除气蚀和噪声的严苛工况内件。


由于运行条件苛刻,控制阀对发电厂的安全性和可靠性具有重大影响。

 

将合成油用作传热介质极易发生泄漏,因此建议使用配有安全填料函的波纹管密封方式,密封阀杆。由于该流体润滑性极差,还必须注意阀芯材料是否有足够的耐磨损和耐磨耗性能。


福斯FlowTop截止型阀体,采用对接焊连接和波纹管密封型阀盖


在熔盐应用中完成调节任务的阀门主要是采用对接焊连接和加长阀盖的气动截止型或角型控制阀。采用直线焊接,以降低可能的泄漏。至于关键阀门,我们建议使用顶装式Globe阀,以便于维护。由于流体具有强氧化性、腐蚀性并且在某些条件下具有磨损性,因此熔盐控制阀采用了特殊设计。盐在过程中沉淀析出,可能以晶体形式存在,区别于实验室,实际应用中盐结晶现象难以避免,故熔盐阀设计需要具备“容错性”。

 

通常,手动操控截止阀,或为其配备电旋转执行机构。在熔盐应用中,波纹管阀门的阀盖伴热面临的挑战更大,因为流体可能会在波纹管内结晶或管道死区结晶进入波纹管内,导致波纹管破裂。更多建议采用无波纹管密封设计。因熔盐密度高动能大,阀门控制中易发生震动或震荡,会大大缩短使用寿命。

 

福斯生产的Valtek Mark One控制阀配备了重型双阀杆导向阀芯、阀座护圈和夹紧式阀座环。该设计具有相当小的无效区和易于更换的阀座,且其定制阀芯的供应便利,因而是熔盐应用的优先选择。可用于适合熔盐应用且无重大改动的密封件。

 

有配套减震装置和伴热系统的降液管控制阀                               专用定制型控制阀

福斯Valtek Mark One                                              采用多级阀芯和波状外形阀座

       采用CavControl阀芯                                                 适用于排放管道中的熔盐

                                                                                      福斯 Valtek Mark One


需要使用加长阀盖,将填料温度保持在允许值范围内,以免执行机构暴露于不可接受的高温,并为安装伴热装置预留空间。


至于非临界运行条件,压差最高约为10bar时,使用抛物线形阀芯。如采用抛物线形阀芯,流动方向为流开(FTO)。在更极端的运行条件下,比如搭配降液管或防喘振阀门使用时,多级阀芯运行状况良好。因存在形成熔盐结晶的风险,不可使用平衡式阀芯。不建议使用适合金属与金属密封、无密封部件的螺纹式阀座环,因为在出现腐蚀时,螺纹处有可能发生泄漏。


双螺杆导向、阀笼固定设计搭配角型阀体和改进型阀座,可在关闭时排空管道系统。该阀门在溢出时被操控,阀座有波状外形。波状外形阀座保证在低于10%的极低载荷下也具有良好的调节性能。因密封部位与缩流面隔离开,未暴露在高流速下,阀座泄漏量可以在长时间运行期间保持较低水平。多级阀芯将避免高压差时出现临界危急运行条件。


由于流体流速快速变化,执行机构的刚度可能是个难题,会产生“水锤”现象,可能需要减震装置。

 

熔盐控制阀所用材料

 

根据不同的运行温度,适合用于阀体的材料是碳钢,等级高达427℃,温度更高时使用铬钼钢,最高温度达570℃,或温度高达600℃时使用稳定化奥氏体钢。需要使用稳定化奥氏体不锈钢,以避免晶间腐蚀。温度超出600℃时,需使用镍合金。


通常,阀芯材质为不锈钢或在较高温度下使用稳定化不锈钢。用于恶劣工况时,阀座部位和外形采用6系合金。导向衬套和阀杆表面应采用6系合金或类似材质,以避免磨损和磨耗。工作温度高于600℃时,需要使用镍合金。

 

由于熔盐具有强氧化性,碳或石墨不适合直接接触该流体。垫圈和填料需采用特殊设计和材质。对于常用填料材料,可使用英高镍合金编织填料保护石墨。其他材料,比如云母,缺少足够的强度和紧密度,因此,合适的填料函系统一般由不同材料组合而成。可以在填料区内表面涂上一层为高温条件下填料环设计的分离剂。其作用是防止腐蚀,提高紧密性,方便更换填料。作为阀体和阀盖的密封件,阀笼和阀座环采用了久经验证的金属C型环或金属O型环。


左图:填料函装置,运行温度高达400℃

右图:自载型填料函装置,运行温度高达600℃

 

适用于熔盐的伴热系统

 

应特别留意伴热系统,避免导致熔盐阀故障或损坏。避免传热介质结晶甚至是呈现固态,对于发电厂的正常运行极其重要。使用熔盐时,温度始终至少高于熔融温度50℃。常用填料函系统的温度上限约为300℃,但最高为400℃。如果传热介质结晶,一个行程即足以损坏阀杆、导向套和阀杆密封件。温度过高会缩短阀杆密封件使用寿命,可能损坏伴热设备。常见的管道系统伴热及其技术一般不能充分加热控制阀的加长阀盖。因此,定制解决方案意义重大。应在现场调节温度下限和上限,以减轻控制系统压力。至于热元件和绝热设计,要针对对不同规格和设计计算需热量,通过模拟详细说明这些计算。计算时要考虑到所处位置的环境温度和可能的风载荷。

 

阀杆密封是敏感部位,因此温度传感器的位置应尽可能选择合理,以确保温度在所有运行状态下都保持在规定限值内。阀体或阀盖处的绝热材料必须适用于既定温度。也要保护绝热材料,防止受到风沙的影响。由于需要较多维护工作,填料函系统必须易于接近。还应防止发生可轻易渗入绝热材料的泄漏。

 

对配备加长阀盖的Globe阀进行热分析

福斯 Valtek Mark One

 

作为参与了西班牙Gemasolar(全球首个熔盐塔式光热发电项目)、美国新月沙丘电站(全球目前装机规模最大及已经运行的熔盐塔式光热电站)、摩洛哥Noor 1(目前全球单机最大的槽式光热电站)、Noor3(目前最大容量的熔盐塔式光热电站)南非Bokpoort、Kaxu等全球多个知名光热电站的领先供应商,Flowserve始终扮演着光热发电泵阀技术领域的领头羊角色。


在今后更多光热发电项目中,作为全球光热发电领域的领导者,福斯将持续展示并证明其丰富广泛的经验和雄厚的实力其先进的技术和全套产品组合,来支持中国可持续能源发展方面发挥重要作用。



相关线下活动:


第九届CSP Focus光热发电中国聚焦大会(2019.3.21-22,北京)

第四届CSP Focus光热发电中东北非聚焦大会(2019.6.27-28,迪拜)


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