实战经验分享:光热电站熔盐阀运维中存在哪些主要问题?如何改进?
发布者:Catherine | 0评论 | 726查看 | 2024-06-21 14:22:17    

4月26日,2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会在内蒙古呼和浩特盛大召开,北京佳洁能新节能技术有限公司(简称:北京佳洁能)董事长陈金环出席会议并作主题报告《解决熔盐阀运维中的主要问题,助力光热+关键设备国产化》。


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图:陈金环


熔盐阀可靠性对于光热电站运行至关重要


陈金环指出,熔盐阀的国产化,首先要满足光热电站运行工况,保证熔盐系统集、储、换的正常运行。若采用廉价却不成熟的产品,严重时可能会导致电站停运,造成更大损失。因此,成熟可靠可控的国产化熔盐阀产品是助力光热发电降低成本的基本条件。


陈金环举例,在首批示范项目中,冷罐泵出口关断阀采用三偏心金属密封蝶阀的,大多存在内漏情况。他指出,若关断阀内漏2%~3%,每小时则至少有50吨以上的熔盐通过备用泵返回熔盐罐。


以某项目参数作为参考,熔盐泵打出1吨熔盐约需1.375KW,这些熔盐通过备用泵返回熔盐罐里再打出来还需同样的电,50×1.375=68.75×2=137.5KW,按一天10小时运行,一年300天计算,137.5×10×300=412500KW。


他表示,热罐备用泵也是同样的问题,运行时一旦备用泵反转,一小时内漏或将超过100吨,加上再循环的漏盐,熔盐大量泄漏到热罐,不仅降低了热盐的温度,也降低了蒸汽参数。由于熔盐阀的内漏,一个100MW光热电站一年至少损失100万千瓦的能量,同时给后期运维增加了大量的工作和难度。


北京佳洁能通过从首批示范项目熔盐系统运维中发现的一些问题,结合现场工况加以改进,希望能给这批“光热+”项目的设计和选型及已发电项目的改造提出一点参考,让熔盐系统运行更加安全可靠,降低运维成本。


陈金环还强调,国产化并非盲目追求成本价格从进口一台50万元直接降至5万元,他认为,在成本合理降低的同时,应首先保证产品的可靠性,并根据具体工况来研发合适的熔盐阀。“一个系统关键位置的可靠熔盐阀,一年可为项目节省几十万千瓦的能源,这是助力国产化降本的一个重要方向。”


冷泵至吸热器熔盐阀改进措施


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如上图所示,冷盐泵有气动或电液动三偏心快关蝶阀,止回阀+调节阀,止回阀三种配置。


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气动或电液动三偏心快关蝶阀的目的是止回和关断。止回作用是防止熔盐泵反转,靠气动或电液动快关实现。关断作用是隔断熔盐介质倒流,蝶阀产生内漏,熔盐通过备用泵倒流罐里。


当备用泵的出口关断阀出现微量内漏时,最大的危害是熔盐倒流至泵内部,使熔盐残留在泵的轴承及轴套上,熔盐凝结造成泵卡涩;当大量内漏时,则会使泵倒转,长此以往,泵的紧固件容易松动脱落,造成泵的晃动及大幅振动,使得泵无法正常运行。


陈金环指出,首批示范项目以三偏心蝶阀作为止回和关断,基本上都出现了问题。因为三偏心蝶阀不适合熔盐长期温变的工况,且冷泵出口的工作压力较高。


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为何出现内漏?陈金环分析,阀杆轴线径向偏心,在阀杆力矩的作用下,密封圈周边的密封力和产生的应力不等,有高压力区和低压力区,导致密封圈周边的变形不一致,沿周边不一致的变形,影响了阀门的密封效果;此外,频繁的温度变化,导致密封圈和阀座的变形,甚至固定密封圈的螺栓脱落,留下一定的隐患。


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图:模拟光热熔盐运行工况三偏心蝶阀阀瓣、密封圈温度场


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图:模拟光热熔盐运行工况三偏心蝶阀密封圈应力分布


如上图。从三偏心蝶板密封面等效应力和蝶板变形图可以看出,蝶阀密封面受力受扭矩影响大,在蝶板的上下面由于受锥面几何形状的影响,无法产生足够的密封比压;整个蝶板由于扭矩和介质力的影响容易产生非对称形变,故常见三偏心蝶阀很难做到零泄漏或V级以上密封等级。


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陈金环表示,在本批光热+项目,北京佳洁能和某设计院进行了改进,去掉三偏心快关蝶阀,采用止回阀+调节阀形式设计。止回阀依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣,用来防止介质倒流。调节阀作为流量调节的同时,把密封等级做到零泄漏,实现介质的关断。这种设计既能保护熔盐泵,又能隔断介质倒流。关键是要求有一种能适应熔盐工况的专用止回阀,且阀腔不能有死角残留熔盐,同时还要适应疏盐工况的要求。


他指出,如果用汽水止回阀代替熔盐专用止回阀,阀体底部长期积盐不易排除,且盐垢不易化开,影响阀瓣动作。因此常规的汽水旋启式止回阀明显不适应熔盐系统。


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熔盐逆止阀依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣,用来防止介质倒流,结构上无死角,熔盐不会在阀体内残留导致冻死,无需外部动力,故障率低。逆止阀相对于电液动快关阀,设备无需维护,价格较低。


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陈金环表示,只采用止回阀的设计虽能保护熔盐泵,但由于止回阀关闭后需要两秒左右的双向压力平衡才能关紧,而且有人担心运行时间长了,止回阀的阀瓣与阀座的密封面是否会擦伤,导致无法关紧。


改进方案:自紧式偏心止回关断双功能蝶阀


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陈金环介绍,自紧式偏心止回关断双功能蝶阀靠启泵后熔盐的压力打开,停泵或事故靠熔盐的倒流压力3秒内迅速关闭,这两个过程电动执行机构不产生作用。止回功能实现后,电动执行器动作,对阀瓣施加一定的力,加上熔盐反向的压力辅助,达到了关闭后的严密性。


如果设计上认为变频泵不需要调节阀,那么熔盐泵出口只需设置止回关断双功能的自紧式偏心金属密封蝶阀,既能达到止回阀的功能,又克服了三偏心蝶阀内漏问题,节省了投资。


自紧式三偏心金属密封蝶阀(止回关断双功能)蝶板阀中主要包括阀体、支架、阀杆、阀板、


连杆机构等组成,结构简单可靠。阀门密封面采用锥面设计,阀门密封采用介质自身压力达到自紧密封,同时阀杆可提供辅助关闭力,泄漏等级可达Ⅴ级;阀门开关采用连杆结构,蝶板的开启靠泵出口的压力,止回作用时依靠介质的倒流迅速关闭,同时执行机构动作,对关闭的阀瓣施加一定的推力,保证关闭的严密性,达到了零泄漏。


此外,蝶板采用偏心设计,开启时蝶板密封面与阀座密封面完全脱离,确保蝶板与阀座无磨损,延长使用寿命。阀门开启后蝶板与流道平行,流阻小,流通能力大。


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图:自紧式三偏心金属密封蝶阀(止回、关断双功能)蠕变应力分析


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图:自紧式三偏心金属密封蝶阀(止回、关断双功能)蠕变应力分析


冷泵再循环管道阀门方面,陈金环表示,熔盐泵再循环设计为截止阀时,小流量阀门开度很小,由于力高(达到7MPa多)熔盐冲蚀力特别强,该阀几次密封和阀芯就会严重冲涮,泄漏就越来越严重。当系统运行时,熔盐一直在通过该阀漏到冷盐罐。至于对系统的影响我们不得而知,但明显浪费了能源。从冷盐泵出来需要消耗电能,回到冷盐罐后,再通过冷盐打出来也要消耗电能,等于消耗了两次电能。冷泵再循环应设计为多级降压调节阀,系统运行后关闭零泄漏。虽然多级降压调节阀价位高,但长久的效益方面比截止阀要好很多。


下降管至进热罐冷罐熔盐阀改进措施


陈金环表示,光热在运行时,热盐通过调节阀减压降速后进入热罐冷罐,如果降压效果不好,或者说运行一段时间后,进热罐热盐压力较大流速增大,给热罐带来严重的隐患。因此下降管大压差调节阀的改进措施也极为重要。


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图:下降管至进热罐冷罐熔盐阀系统


大压差调节阀采用多层孔结构,运维中该阀易出现的问题包括:疏盐时调节阀中部出现漏盐;多层孔下部出现渣滓堵塞,节流孔无出现冲涮汽蚀;节流孔出现冲涮汽蚀,无出现渣滓堵塞。


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基于此,陈金环提出了两个思路:思路1,套筒的结构与节流孔的大小与套筒之间的缝隙大小,决定这些渣滓的流出与堵塞;思路2,热熔盐的温度与流速对阀内件冲蚀的临界点是决定冲蚀与否的主要因素。


陈金环认为,应寻找一种结构,能同时解决上述问题,既能避免渣滓堵塞,又能克服冲涮汽蚀。


改进方案:循环换对流式盘片组合熔盐大压差调节阀


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图:循环对流式结构


陈金环介绍,循环对流式的特点是避让。改变流道结构是避让堵塞最有效的途径;控制熔盐流速是避让冲蚀最有效的方法。两者结合,可以完美解决下降管调阀所遇到的主要问题。


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图:北京佳洁能大压差调节阀


假如大压差调节阀冲蚀,出口压力、流速太高,进热盐罐电动开关阀不能降压降流速,进热盐罐的压力、流速够高会产生安全隐患,热盐罐里的盐动起来,惯性力会使罐体薄弱或有瑕疵的焊缝裂开,将会造成严重的损失。因此,下塔调节阀长期运行的降压降速是不能打折扣的。


针对充盐和疏盐工况,一种设计是通过下降管进冷罐,如果进热罐的开关阀内漏,不达到温度要求的盐进冷罐的同时也进热罐,降低热盐的温度,蒸发器效率就降低。陈金环表示,这里的开关阀大多设计成三偏心金属密封蝶阀,北京佳洁能对这些开关阀进行了改进。


采用泵出口的自紧式偏心关断蝶阀,把止回的功能去掉,打开和关闭靠执行机构的力来实现,把阀的流向换一个方向后,关闭后介质的倒流压力辅助执行器关闭效果更好,达到零泄漏。变角行程的三偏心蝶阀为直行程后,阀座和阀瓣的密封通过阀座和阀瓣本体堆焊加工,就不会出现三偏心蝶阀密封圈变形了的问题。


热泵至蒸发器母管熔盐阀改进措施


陈金环介绍,热盐罐出口熔盐阀的布置方式包括:


1、气动快关三偏心蝶阀


气动快关三偏心蝶阀采用通用三偏心蝶阀,快关是当止回阀用,同时也当关断阀用。这在首批示范项目的实际运行中出现大量内漏,备用泵出现了反转,给现场运行带来麻烦。


2、止回阀+电动调节阀(0泄漏)


止回阀关闭后会有3秒左右压力平衡才能达到关断作用;担心止回阀内漏,所以加上调节阀,调节阀要求零泄漏,通过与泵连锁,停泵后调节阀关闭达到零泄漏。阿克塞汇东项目采用该方案。缺点是总包方热泵多了三台调节阀的成本。


3.止回阀


陈金环表示,该方案已在首航敦煌100MW上运行3年多,效果也很好,但必须要求止回阀底部无死角,否则熔盐残留无法排出。因此需采用专用的熔盐止回阀。“有人会担心运行时间长,阀瓣动作会不会产生对阀座密封面的擦伤,导致泄漏。该阀只有在系统停机或故障时动作一次,频率较低,使用寿命还是很长的,但这担心是有道理的。”


改进方案:自紧式偏心止回关断双功能蝶阀


该阀与上述所述冷泵出口一样,采用自紧式偏心止回关断双功能蝶阀,靠启泵后熔盐的压力打开,停泵或事故靠熔盐的倒流压力可在2秒内迅速关闭,这两个过程电动执行机构不产生作用。止回功能实现后,电动执行器动作,对阀瓣施加一定的力,介质反向的压力辅助,达到了关闭后的严密性。系统运行前,先通过执行机构把阀瓣打开,可与泵做连锁。既能达到止回阀的功能,又克服了三偏心蝶阀内漏问题,节省了投资。


关于北京佳洁能:


作为国产主流熔盐阀供应商之一,北京佳洁能自2014年起与苏州德兰联合研发熔盐阀门,与多个权威科研院所合作,获得十几项有关熔盐阀专利授权,同时在多个熔盐阀试验平台和首批多个示范项目应用近300台,无故障运行时间大多超三年。


北京佳洁能光热相关业绩展示:


1.中科院上海应用物理研究所熔盐制备、超高温储能截止阀、调节阀


2.浙江大学热能工程研究所山东电建三委托建设熔盐试验平台截止阀、调节阀


3.兰州大成敦煌聚光热电有限公司50MW项目截止阀、调节阀


4.首航高科能源技术股份有限公司10MW项目截止阀、调节阀、下塔调节阀、逆止阀等


5.首航高科能源技术股份有限公司100MW项目截止阀、调节阀、下塔调节阀改造、逆止阀等


6.首航高科能源技术股份有限公司10MW+100MW光热项目熔盐调节阀、截止阀维修


7.中电哈密塔式熔盐光热50MW项目仪表阀


8.玉门鑫晨光热技术有限公司50MW项目截止阀、调节阀


9.北京民利北京热力集团新型熔盐蓄热供热项目仪表阀


10.西交大首航熔盐(氯化盐)试验平台吸热器(700℃)熔盐阀截止阀


11.蓝星(北京)化工机械有限公司熔盐试验平台截止阀、调节阀


12.中广核德令哈新能源有限公司50MW光热项目改造蝶阀、调节阀


13.某项目下降管截止阀DN400截止阀


14.阿克塞汇东新能源110MW光热项目熔盐大压差调节阀


15.阿克塞汇东新能源110MW光热项目熔盐截止阀


16.阿克塞汇东新能源110MW光热项目熔盐调节阀


17.阿克塞汇东新能源110MW光热项目熔盐止回阀


18.阿克塞汇东新能源110MW光热项目SGS系统熔盐截止阀蝶阀


19.阿克塞汇东新能源110MW光热项目熔盐缓冲罐调节阀


20.三峡恒基能脉瓜州100MW项目熔盐大压差调节阀


21.阿克塞汇东新能源110MW光热项目仪表阀


21.浙江火电吐鲁番100MW项目熔盐大压差调节阀


22.中能建西北电力设计院三峡哈密项目熔盐截止阀


23.中能建西北电力设计院三峡哈密项目熔盐调节阀


24.浙江火电吐鲁番100MW项目蒸汽发生器熔盐截止阀


25.格尔木鲁能50MW塔式光热发电项目热盐泵B泵出口熔盐阀改造


26.国投若羌10万千瓦光热发电项目吸热器调节阀截止阀


27.唐山海泰新能源股份有限公司光热+光伏一体化项目吸热器调节阀截止阀


28..国家电投河南公司新疆吐鲁番鄯善七克台100MW光热发电项目大压差调节阀


29.国家电投河南公司新疆吐鲁番鄯善七克台100MW光热发电项目熔盐调节阀


30.国家电投河南公司新疆吐鲁番鄯善七克台100MW光热发电项目熔盐止回阀


31.国家电投河南公司新疆吐鲁番鄯善七克台100MW光热发电项目熔盐截止阀


2024第十一届中国国际光热大会暨CSPPLAZA年会4月25-26日在内蒙古呼和浩特香格里拉大酒店盛大召开,大会由CSPPLAZA光热发电平台联合常州龙腾光热科技股份有限公司共同主办,大会主题为“在多变的形势下实现规模化发展”,共有来自海内外约800名代表出席本届大会。

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