CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：據(jù)外媒報(bào)道，來(lái)自美國(guó)的研究人員正在開(kāi)發(fā)一種新型流量控制閥以幫助光熱電站開(kāi)發(fā)商進(jìn)一步降低成本。

據(jù)悉，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories，以下簡(jiǎn)稱Sandia）與全球閥門和泵業(yè)集團(tuán)Flowserve以及核電開(kāi)發(fā)商Kairos Power合作開(kāi)發(fā)出一款可以承受比當(dāng)前常見(jiàn)設(shè)計(jì)溫度高得多的閥門（適用于熔鹽等傳儲(chǔ)熱介質(zhì)）。

當(dāng)前，光伏和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電成本在不斷下降的同時(shí)也在一定程度上削弱光熱發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力，因此光熱發(fā)電行業(yè)也必須加快降本步伐，而通過(guò)提升系統(tǒng)工作溫度來(lái)提高發(fā)電效率則是一種有效途徑。

目前光熱電站通常使用熔融鹽作為傳儲(chǔ)熱介質(zhì)，系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)溫度一般在560°C左右。而Sandia與其合作伙伴所設(shè)計(jì)的新型閥門則可以承受750°C的高溫，從而大幅提升光熱發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。

在光熱發(fā)電系統(tǒng)中，熔鹽閥等設(shè)備需要在相對(duì)極端的溫度、壓力和流速工況下提供穩(wěn)定的熱傳遞和流動(dòng)性，一旦室外溫度較低時(shí)，材料會(huì)出現(xiàn)膨脹、彎曲和翹曲等現(xiàn)象，因此需要經(jīng)常維護(hù)，否則就會(huì)出現(xiàn)故障并最終降低電站的發(fā)電量。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）于2020年6月發(fā)布的全球首份光熱電站全球最佳實(shí)踐報(bào)告中便指出，閥門問(wèn)題被確定為許多關(guān)鍵性能風(fēng)險(xiǎn)之一。

據(jù)Sandia項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Ken Armijo介紹，Sandia及其合作伙伴將使用創(chuàng)新型設(shè)計(jì)和新型材料來(lái)提高閥門關(guān)鍵應(yīng)力點(diǎn)的可靠性，并最大程度地降低成本。

Ken Armijo表示：“從性能和可靠性的角度來(lái)看，熱機(jī)械應(yīng)力將是我們的首要考慮因素。采用新型設(shè)計(jì)后，不但可明顯提升閥門可靠性，還可以有效減少所需閥門數(shù)量，同時(shí)維護(hù)速度也比目前采取的方法快得多。”

除了熔鹽，該閥門也能適用于其它傳熱流體，并可應(yīng)用于核電和石化等其它高溫能源領(lǐng)域。

獲得DOE 250萬(wàn)美元研發(fā)支持資金

據(jù)悉，美國(guó)能源部（DOE）向Sandia撥付了250萬(wàn)美元，用于該項(xiàng)新型閥門研究。

按照DOE的目標(biāo)，到2030年配置12小時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱電站的發(fā)電成本將降低至50美元/兆瓦時(shí)。圍繞該目標(biāo)，預(yù)計(jì)DOE很快將宣布其第三代光熱發(fā)電計(jì)劃的中標(biāo)單位，該計(jì)劃后續(xù)將建設(shè)一個(gè)使用液體、固體顆粒或氣體材料作為介質(zhì)的高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)。

據(jù)悉，Sandia正在和Brayton Energy公司以及國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）競(jìng)爭(zhēng)，以爭(zhēng)取獲得DOE2500萬(wàn)美元的撥款以建設(shè)該中試發(fā)電項(xiàng)目。

圖：全球太陽(yáng)能、風(fēng)能平準(zhǔn)化電力成本

同時(shí)，其它一些高溫光熱發(fā)電研發(fā)項(xiàng)目也在進(jìn)行中。

目前，德國(guó)航空航天中心DLR正與包括全球最大面食生產(chǎn)商Barilla在內(nèi)的十余家國(guó)際合作伙伴合作推進(jìn)一項(xiàng)名為“用于靈活能源系統(tǒng)的高存儲(chǔ)密度太陽(yáng)能發(fā)電廠”的研發(fā)項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱HiFlex項(xiàng)目）。

研究人員正在嘗試?yán)门渲锰沾深w粒儲(chǔ)熱系統(tǒng)的塔式光熱電站盡可能為意大利面的生產(chǎn)和干燥過(guò)程提供可持續(xù)的可再生能量，以將面食生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的碳排放不斷降低。

另一邊，為了解決流量控制閥承受的極端應(yīng)力，Sandia及其合作伙伴還在開(kāi)發(fā)一種獨(dú)立的熱管理系統(tǒng)（STM）和一款熱管閥桿，該閥桿可以更均勻地分配熱量，從而最大程度地減少焊接、密封和墊圈所承受的應(yīng)力。

據(jù)悉，STM系統(tǒng)可以替代目前光熱發(fā)電管道管理系統(tǒng)常用的“伴熱”設(shè)施。STM由加熱器和溫度傳感器組成，由分布式控制系統(tǒng)（DCS）控制。

按照Sandia的思路，通過(guò)使用具有耐腐蝕焊縫的不銹鋼材料不僅可以降低閥門成本，還可以使閥門更加堅(jiān)固耐用。目前市場(chǎng)中常用的熔鹽流量控制閥往往使用成本較高的鉻基材料，而該材料無(wú)法承受較高的溫度。

目前，Sandia正在技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析中考慮一系列制造方法，并將在第二季度末確定該閥門成本目標(biāo)。為了最大程度地降低成本，研發(fā)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃盡可能簡(jiǎn)化閥門的設(shè)計(jì)，并減少所需的閥門和流量計(jì)數(shù)量。

Ken Armijo表示，閥門數(shù)量能否減少將取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)美國(guó)DOE擬建的1MWth第三代光熱發(fā)電中試系統(tǒng)，Sandia正在考慮將流量控制閥放置在泵之后和再循環(huán)回路中，以實(shí)現(xiàn)更好地控制流量。

創(chuàng)新維護(hù)思路或可有效減少停機(jī)時(shí)間

此外，Sandia還在開(kāi)發(fā)一種可大大縮短維護(hù)時(shí)間的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將允許在不拆下閥蓋或螺栓的情況下更換填料。Ken Armijo表示：“這可以大大縮短維護(hù)時(shí)間，并消除可能影響系統(tǒng)運(yùn)行的配置錯(cuò)誤等問(wèn)題?！?/p>

相關(guān)數(shù)據(jù)表明，光熱發(fā)電閥門需要嚴(yán)格的按照要求進(jìn)行安裝并對(duì)操作人員做好培訓(xùn)才能有效減少故障。

據(jù)來(lái)自Solar Dynamics的高級(jí)工程師、NREL最佳光熱發(fā)電項(xiàng)目實(shí)踐報(bào)告的合著者Bruce Kelly介紹，到目前為止，大多數(shù)光熱發(fā)電閥門故障都是由于閥門選擇不當(dāng)或運(yùn)維不當(dāng)所致。

Bruce Kelly表示：“一種常見(jiàn)的情況是：閥門尺寸適合設(shè)計(jì)的流量條件，但對(duì)于啟動(dòng)時(shí)的低流量工況來(lái)說(shuō)還是太大了。維護(hù)不善則包括未能更換有缺陷的伴熱電纜，或者試圖延長(zhǎng)閥桿填料的更換間隔時(shí)間等。”

力爭(zhēng)2022年底前全面通過(guò)測(cè)試

據(jù)悉，F(xiàn)lowserve將為該項(xiàng)目制造兩個(gè)原型閥，其中一個(gè)將包含快速更換填料系統(tǒng)。Flowserve的首席研發(fā)工程師Mike Nelson表示，關(guān)鍵的性能優(yōu)化方向?qū)ǚ缆?、溫度控制和易于維護(hù)。

Kairos公司則將使用位于加利福尼亞Alameda的電站中的流量閥測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)試該款閥門和其它熔融鹽相關(guān)儀器。Kairos公司鹽化學(xué)主管Alan Kruizenga表示，Kairos將在包括嚴(yán)寒天氣在內(nèi)的各種操作場(chǎng)景下評(píng)估閥門流量、壓降及整體性能。

相關(guān)方認(rèn)為，光熱發(fā)電閥門研發(fā)項(xiàng)目可受益于Kairos在核電研究領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)。目前Kairos已成功開(kāi)發(fā)出氟化物鹽冷高溫反應(yīng)堆（KP-FHR），并計(jì)劃在位于橡樹(shù)嶺的東田納西州技術(shù)園（ETTP）建造其首個(gè)試驗(yàn)反應(yīng)堆。不久前，美國(guó)能源部還向Kairos撥款3.03億美元用于其核電站計(jì)劃。

Alan Kruizenga指出，Kairos將通過(guò)快速計(jì)劃、設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試來(lái)促進(jìn)光熱發(fā)電閥門快速優(yōu)化并不斷迭代升級(jí)，而這種快速測(cè)試方法應(yīng)有助于Sandia在2022年底之前實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型光熱發(fā)電閥門設(shè)計(jì)通過(guò)全面測(cè)試的既定目標(biāo)。