美国 CSP 阀门的飞跃提振了更热电厂的前景

编译 陈讲运

研究小组桑迪亚国家实验室告诉路透社，新的流量控制阀将改善热分布并最大限度地降低关键接头处的风险，从而实现更高的 CSP 温度和更高的能量转换效率。

Sandia 的新阀门概念旨在承受 750°C 的温度。（图片来源：Sandia/Randy Montoya）

美国研究人员正在开发的新型流量控制阀可以帮助 CSP 开发商实现雄心勃勃的成本降低目标。

桑迪亚国家实验室与全球阀门和泵集团 Flowserve 以及核电开发商 Kairos Power 合作，开发能够承受远高于当前设计温度的阀门。阀门将传热介质 (HTM) – 通常是熔盐 – 从太阳能接收器输送到发电系统。

光伏和风电价格的下降削弱了 CSP 的竞争力，需要更高温度的发电厂来释放新的部署机会。CSP 工厂通常使用熔盐作为 HTM，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，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体流动，并能承受极端温度、压力和流速，这些温度、压力和流速可能因室外温度低而恶化。材料会膨胀、弯曲和翘曲，需要维护并降低工厂产量。在美国国家可再生能源实验室 (NREL) 于 6 月份发布的全球首份CSP 工厂最佳实践报告中，阀门问题被确定为众多关键性能风险中的一个。

Sandia 和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限度地降低成本，Sandia 项目负责人 Ken Armijo 告诉路透社事件。

“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，”Armijo 说。

他说，该设计还可以减少所需的阀门数量，并且维护速度可以比目前的方法快得多。

该阀门可以容纳替代熔盐的 HTM，并用于其他高温能源领域，如核电和石化。

驯服热量

桑迪亚从能源部 (DOE) 获得了 250 万美元的赠款，用于阀门研究。

美国能源部的目标是到 2030 年将 12 小时存储的 CSP 成本从 2017 年的估计成本 103 美元/MWh 降低到 50 美元/MWh。该部门将很快宣布其Gen3 CSP 计划的获胜者，以建造高温使用液体、固体颗粒或气体材料的 CSP 系统。桑迪亚正在与布雷顿能源公司和国家可再生能源实验室 (NREL) 竞争美国能源部 2500 万美元的赠款，用于建造一座试验工厂。

太阳能、风能的平准化成本（全球平均）

资料来源：国际可再生能源机构：“2019 年可再生能源发电成本”。

其他高温项目正在进行中。今年，一批欧洲公司将在意大利的一家百味来意大利面工厂建造一座试点陶瓷颗粒浓缩太阳能塔工厂。“HiFlex”工厂将使用由德国航空航天中心 (DLR) 开发的离心太阳能技术为意大利面的干燥提供热量。

为了解决流量控制阀上的极端压力，Sandia 和合作伙伴正在开发一种独立的热管理系统 (STM) 和热管阀杆，可以更均匀地分布热量，最大限度地减少焊接、密封和垫圈处的应力。

STM 是“伴热”的替代品，这是一种常用的管道温度管理机制。STM 由加热器和温度传感器组成，它们由分布式控制系统 (DCS) 控制。

通过集成热管改善热分布，该热管增加了通过阀杆的传导性。

Armijo 说，Sandia 计划使用带有耐腐蚀堆焊层的不锈钢材料来降低阀门的成本，同时确保强大的耐用性。当前的熔盐流量控制阀使用成本较高的铬基材料，而镍基材料无法承受更高的温度。

Armijo 表示，Sandia 正在其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。

为了最大限度地降低成本，该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，对于美国能源部第 3 代 CSP 1 MWth 中试设计，Sandia 正在考虑将流量控制阀放置在泵之后和再循环回路中，以实现更好的流量控制。

更短的停留

Sandia 还开发了一种快速更换设计，无需拆卸阀门开启机构或拆除阀盖或螺栓即可更换填料。

“这可以大大加快维护过程，并可以消除可能影响系统运行的包装配置错误，”Armijo 说。

行业数据表明，需要更严格的安装方法和操作培训，以减少故障。

迄今为止，大多数阀门故障都是由于阀门选择不当或操作和维护 (O&M) 实践不当造成的，Solar Dynamics 的高级工程师、NREL 最佳实践报告的合著者 Bruce Kelly 告诉路透社事件。

“不匹配包括尺寸适合设计流量条件的阀门，但对于启动（低流量）条件来说太大了，”凯利说。

“维护不善包括未能更换有缺陷的伴热电缆 [或] 试图延长阀杆填料的更换间隔，”他说。

工厂流程

福斯将为该项目制造两个原型阀门，其中一个将包含快速更换填料系统。

Flowserve 首席研发工程师 Mike Nelson 表示，关键性能优先事项将包括防泄漏、温度控制和易于维护。

Kairos 将使用位于加利福尼亚州阿拉米达工厂的定制等温批量流量阀测试系统来测试阀门和其他熔盐仪器。

Kairos Power 盐化学总监 Alan Kruizenga 表示，Kairos 将评估各种操作场景下的流量、压降和“整体功能”，包括冰冻天气事件。

该项目将受益于 Kairos 在核电研究方面的知识。Kairos 已开发出氟化盐冷却高温反应堆 (KP-FHR)，并计划在橡树岭东田纳西科技园 (ETTP) 建造其首个测试反应堆。上个月，美国能源部为凯罗斯核电站计划拨款 3.03 亿美元。

Kruizenga 指出，Kairos 通过“快速计划、设计、构建和测试周期”专注于“迭代学习”。

这种快速测试方法应该有助于桑迪亚在 2022 年底之前实现经过全面测试的最终阀门设计的目标。