美國 CSP 閥門的飛躍提振了更熱電廠的前景

編譯 陳講運

研究小組桑迪亞國家實驗室告訴路透社，新的流量控制閥將改善熱分佈並最大限度地降低關鍵接頭處的風險，從而實現更高的 CSP 溫度和更高的能量轉換效率。

Sandia 的新閥門概念旨在承受 750°C 的溫度。（圖片來源：Sandia/Randy Montoya）

美國研究人員正在開發的新型流量控制閥可以幫助 CSP 開發商實現雄心勃勃的成本降低目標。

桑迪亞國家實驗室與全球閥門和泵集團 Flowserve 以及核電開發商 Kairos Power 合作，開發能夠承受遠高於當前設計溫度的閥門。閥門將傳熱介質 (HTM) - 通常是熔鹽 - 從太陽能接收器輸送到發電系統。

光伏和風電價格的下降削弱了 CSP 的競爭力，需要更高溫度的發電廠來釋放新的部署機會。CSP 工廠通常使用熔鹽作為 HTM，目前的設計將溫度限制在 560°C 左右。桑迪亞和合作夥伴設計的新閥門將承受 750°C，提供更高的能量轉換效率。

閥門必須提供恆定的熱傳遞和流體流動，並能承受極端溫度、壓力和流速，這些溫度、壓力和流速可能因室外溫度低而惡化。材料會膨脹、彎曲和翹曲，需要維護並降低工廠產量。在美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 於 6 月份釋出的全球首份CSP 工廠最佳實踐報告中，閥門問題被確定為眾多關鍵效能風險中的一個。

Sandia 和合作夥伴將使用新的設計和材料來提高閥門關鍵應力點的可靠性並最大限度地降低成本，Sandia 專案負責人 Ken Armijo 告訴路透社事件。

“從效能和可靠性的角度來看，熱機械應力將是最重要的考慮因素，”Armijo 說。

他說，該設計還可以減少所需的閥門數量，並且維護速度可以比目前的方法快得多。

該閥門可以容納替代熔鹽的 HTM，並用於其他高溫能源領域，如核電和石化。

馴服熱量

桑迪亞從能源部 (DOE) 獲得了 250 萬美元的贈款，用於閥門研究。

美國能源部的目標是到 2030 年將 12 小時儲存的 CSP 成本從 2017 年的估計成本 103 美元/MWh 降低到 50 美元/MWh。該部門將很快宣佈其Gen3 CSP 計劃的獲勝者，以建造高溫使用液體、固體顆粒或氣體材料的 CSP 系統。桑迪亞正在與布雷頓能源公司和國家可再生能源實驗室 (NREL) 競爭美國能源部 2500 萬美元的贈款，用於建造一座試驗工廠。

太陽能、風能的平準化成本（全球平均）

資料來源：國際可再生能源機構：“2019 年可再生能源發電成本”。

其他高溫專案正在進行中。今年，一批歐洲公司將在義大利的一家百味來義大利麵工廠建造一座試點陶瓷顆粒濃縮太陽能塔工廠。“HiFlex”工廠將使用由德國航空航天中心 (DLR) 開發的離心太陽能技術為義大利麵的乾燥提供熱量。

為了解決流量控制閥上的極端壓力，Sandia 和合作夥伴正在開發一種獨立的熱管理系統 (STM) 和熱管閥杆，可以更均勻地分佈熱量，最大限度地減少焊接、密封和墊圈處的應力。

STM 是“伴熱”的替代品，這是一種常用的管道溫度管理機制。STM 由加熱器和溫度感測器組成，它們由分散式控制系統 (DCS) 控制。

透過整合熱管改善熱分佈，該熱管增加了透過閥杆的傳導性。

Armijo 說，Sandia 計劃使用帶有耐腐蝕堆焊層的不鏽鋼材料來降低閥門的成本，同時確保強大的耐用性。當前的熔鹽流量控制閥使用成本較高的鉻基材料，而鎳基材料無法承受更高的溫度。

Armijo 表示，Sandia 正在其技術經濟分析中考慮一系列製造方法，並將在第二季度末確定其成本目標。

為了最大限度地降低成本，該團隊計劃儘可能簡化閥門的設計，並減少所需的閥門和流量計數量。

Armijo 說，閥門數量的減少將取決於系統設計。他說，對於美國能源部第 3 代 CSP 1 MWth 中試設計，Sandia 正在考慮將流量控制閥放置在泵之後和再迴圈迴路中，以實現更好的流量控制。

更短的停留

Sandia 還開發了一種快速更換設計，無需拆卸閥門開啟機構或拆除閥蓋或螺栓即可更換填料。

“這可以大大加快維護過程，並可以消除可能影響系統執行的包裝配置錯誤，”Armijo 說。

行業資料表明，需要更嚴格的安裝方法和操作培訓，以減少故障。

迄今為止，大多數閥門故障都是由於閥門選擇不當或操作和維護 (O&M) 實踐不當造成的，Solar Dynamics 的高階工程師、NREL 最佳實踐報告的合著者 Bruce Kelly 告訴路透社事件。

“不匹配包括尺寸適合設計流量條件的閥門，但對於啟動（低流量）條件來說太大了，”凱利說。

“維護不善包括未能更換有缺陷的伴熱電纜 [或] 試圖延長閥杆填料的更換間隔，”他說。

工廠流程

福斯將為該專案製造兩個原型閥門，其中一個將包含快速更換填料系統。

Flowserve 首席研發工程師 Mike Nelson 表示，關鍵效能優先事項將包括防洩漏、溫度控制和易於維護。

Kairos 將使用位於加利福尼亞州阿拉米達工廠的定製等溫批次流量閥測試系統來測試閥門和其他熔鹽儀器。

Kairos Power 鹽化學總監 Alan Kruizenga 表示，Kairos 將評估各種操作場景下的流量、壓降和“整體功能”，包括冰凍天氣事件。

該專案將受益於 Kairos 在核電研究方面的知識。Kairos 已開發出氟化鹽冷卻高溫反應堆 (KP-FHR)，並計劃在橡樹嶺東田納西科技園 (ETTP) 建造其首個測試反應堆。上個月，美國能源部為凱羅斯核電站計劃撥款 3.03 億美元。

Kruizenga 指出，Kairos 透過“快速計劃、設計、構建和測試周期”專注於“迭代學習”。

這種快速測試方法應該有助於桑迪亞在 2022 年底之前實現經過全面測試的最終閥門設計的目標。