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750°C!光热电站阀门耐受温度创新高

2021.01.14 来自:

据外媒报道,美国研究人员正在开发的新型流量控制阀可以帮助CSP电站开发商进一步降低成本。


桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)与全球阀门和泵业集团Flowserve和核电开发商KairosPower合作开发了可以承受比当前设计温度高得多的阀门。传热介质(HTM,通常是熔融盐)通过阀门从太阳能吸热器输送到发电系统。


不断下降的光伏和风能价格削弱了CSP的竞争力,因此需要提高CSP电站工作温度来获得更多的机会。CSP电站通常使用熔融盐作为传储热介质,目前的设计将温度限制在560°C左右。桑迪亚和合作伙伴设计的新阀门将承受750°C的高温,从而提供更高的能量转换效率。
 
阀门必须提供恒定的热传递和流动性,并承受极端的温度,压力和流速,而室外温度过低会加剧这种情况。材料会膨胀,弯曲和翘曲,需要经常维护,同时也会减少电站的发电量。美国国家可再生能源实验室(NREL)于6月发布的全球首份CSP电站全球最佳实践报告中,阀门问题被确定为许多关键性能风险之一。

Sandia项目负责人Ken Armijo表示,Sandia及其合作伙伴将使用新的设计和材料来提高阀门关键应力点的可靠性,并最大程度地降低成本。
 
Armijo说:“从性能和可靠性的角度来看,热机械应力将是最重要的考虑因素。”他说,这种设计还可以减少所需的阀门数量,并且维护工作可以比目前的方法快得多。

除了熔融盐,该阀门也能适用于其他传热流体,并用于其他高温能源领域,例如核电和石化行业。

资金扶持

能源部(DOE)向桑迪亚(Sandia)拨付了250万美元,用于阀门研究。

DOE的目标是到2030年将带12小时储能量的CSP成本降低至50美元/兆瓦时,低于2017年的103美元/兆瓦时的估计值。能源部将很快宣布其Gen3 CSP计划的获胜者,该项目将建设使用液体、固体颗粒或气体材料的高温CSP系统。桑迪亚(Sandia)与Brayton Energy公司和国家可再生能源实验室(NREL)竞争,获得了美国能源部(DOE)2500万美元的拨款,用于建设中试电站。

太阳能,风能的平均成本(全球平均水平)


其他高温项目也在进行中。今年,一些欧洲公司将在意大利的Barilla意大利面工厂中建造一个陶瓷颗粒集中式太阳能塔式光热电站-“ HiFlex”。该电站将使用德国航空航天中心(DLR)开发的离心太阳能技术为面食干燥提供热量。

为了解决流量控制阀上的极端应力,桑迪亚及其合作伙伴正在开发一个独立的热管理系统(STM)和一个热管阀杆,该阀杆可以更均匀地分配热量,从而最大程度地减少焊接、密封和垫圈上的应力。

STM是“伴热”的替代方法,“伴热”是管道温度管理的常用机制。STM由加热器和温度传感器组成,由分布式控制系统(DCS)控制。通过集成的热管改善了热分布,该热管增加了通过阀杆的传导性。

桑迪亚计划使用具有耐腐蚀焊缝的不锈钢材料来降低阀门的成本,同时确保坚固的耐用性。当前的熔盐流量控制阀使用成本较高的铬基材料,而镍基材料不能承受较高的温度。

桑迪亚正在技术经济分析中考虑一系列制造方法,并将在第二季度末确定其成本目标。为了最大程度地降低成本,团队计划尽可能简化阀门的设计,并减少所需的阀门和流量计数量。

Armijo说,阀门数量的减少将取决于系统设计。他说,对于美国DOE Gen 3 CSP 1 MWth中试规模的设计,Sandia正在考虑将流量控制阀放置在泵之后和再循环回路中,以实现更大的流量控制。

减少停机时间

桑迪亚(Sandia)也正在开发一种快速更换设计,该设计将允许在不拆下阀盖或螺栓的情况下更换填料。Armijo说:“这可以大大加快维护过程,并消除可能影响系统运行的配置错误问题。”

行业数据表明,需要更严格的安装方法和操作培训来减少故障。

Solar Dynamics的高级工程师,NREL最佳实践报告的合著者Bruce Kelly表示,到目前为止,大多数阀门故障都是由于阀门选择不当或运维不当所致。

Kelly说:“不匹配的情况之一是,阀门尺寸适合设计流量条件,但对于启动(低流量)条件来说太大了。”他说:“维护不善包括未能更换有缺陷的伴热电缆,或者试图延长阀杆填料的更换间隔时间等。”

实地测试

Flowserve(光热发电企业--福斯)将为该项目制造两个原型阀,其中一个将包含快速更换填料系统。

Flowserve的首席研发工程师Mike Nelson说,关键的性能优先重点将包括防漏、温度控制和易于维护。

Kairos公司将使用位于加利福尼亚Alameda的电站中的流量阀测试系统来测试阀门和其他熔融盐仪器。

Kairos公司盐化学主管AlanKruizenga表示,Kairos将在各种操作场景下评估流量,压降和“整体功能”,包括严寒天气条件下
 
该项目将受益于Kairos在核电研究中的经验。Kairos已开发出氟化物盐冷高温反应堆(KP-FHR),旨在在橡树岭的东田纳西州技术园(ETTP)建造其首个试验反应堆。上个月,美国能源部向Kairos拨款3.03亿美元用于其核电站计划。
 
Kruizenga指出,Kairos通过“快速计划,设计,建造和测试周期”专注于“迭代学习”。

这种快速测试方法应有助于Sandia在2022年底之前实现其经过全面测试的最终阀门设计的目标。

本文翻译自:US CSP valve leap boosts prospects for hotter plants

编译之处如有不足,敬请指正!



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