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CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：據(jù)外媒報道，來自美國的研究人員正在開發(fā)一種新型流量控制閥以幫助光熱電站開發(fā)商進一步降低成本。

據(jù)悉，桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories，以下簡稱Sandia）與全球閥門和泵業(yè)集團Flowserve以及核電開發(fā)商Kairos Power合作開發(fā)出一款可以承受比當(dāng)前常見設(shè)計溫度高得多的閥門（適用于熔鹽等傳儲熱介質(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也在一定程度上削弱光熱發(fā)電技術(shù)的競爭力，因此光熱發(fā)電行業(yè)也必須加快降本步伐，而通過提升系統(tǒng)工作溫度來提高發(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熱介質(zhì)，系統(tǒng)運行設(shè)計溫度一般在560°C左右。而Sandia與其合作伙伴所設(shè)計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)定的熱傳遞和流動性，一旦室外溫度較低時，材料會出現(xiàn)膨脹、彎曲和翹曲等現(xiàn)象，因此需要經(jīng)常維護，否則就會出現(xiàn)故障并最終降低電站的發(fā)電量。美國國家可再生能源實驗室（NREL）于2020年6月發(fā)布的全球首份光熱電站全球最佳實踐報告中便指出，閥門問題被確定為許多關(guān)鍵性能風(fēng)險之一。

據(jù)Sandia項目負責(zé)人Ken Armijo介紹，Sandia及其合作伙伴將使用創(chuàng)新型設(shè)計和新型材料來提高閥門關(guān)鍵應(yīng)力點的可靠性，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看，熱機械應(yīng)力將是我們的首要考慮因素。采用新型設(shè)計后，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，同時維護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 250萬美元研發(fā)支持資金

據(jù)悉，美國能源部（DOE）向Sandia撥付了250萬美元，用于該項新型閥門研究。

按照DOE的目標，到2030年配置12小時儲熱系統(tǒng)的光熱電站的發(fā)電成本將降低至50美元/兆瓦時。圍繞該目標，預(yù)計DOE很快將宣布其第三代光熱發(fā)電計劃的中標單位，該計劃后續(xù)將建設(shè)一個使用液體、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公司以及國家可再生能源實驗室（NREL）競爭，以爭取獲得DOE2500萬美元的撥款以建設(shè)該中試發(fā)電項目。

圖：全球太陽能、風(fēng)能平準化電力成本

同時，其它一些高溫光熱發(fā)電研發(fā)項目也在進行中。

目前，德國航空航天中心DLR正與包括全球最大面食生產(chǎn)商Barilla在內(nèi)的十余家國際合作伙伴合作推進一項名為“用于靈活能源系統(tǒng)的高存儲密度太陽能發(fā)電廠”的研發(fā)項目（簡稱HiFlex項目）。

研究人員正在嘗試利用配置陶瓷顆粒儲熱系統(tǒng)的塔式光熱電站盡可能為意大利面的生產(chǎn)和干燥過程提供可持續(xù)的可再生能量，以將面食生產(chǎn)過程中所產(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發(fā)一種獨立的熱管理系統(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固耐用。目前市場中常用的熔鹽流量控制閥往往使用成本較高的鉻基材料，而該材料無法承受較高的溫度。

目前，Sandia正在技術(shù)經(jīng)濟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。為了最大程度地降低成本，研發(fā)團隊計劃盡可能簡化閥門的設(shè)計，并減少所需的閥門和流量計數(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，針對美國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，以實現(xiàn)更好地控制流量。

創(chuàng)新維護思路或可有效減少停機時間

此外，Sandia還在開發(fā)一種可大大縮短維護時間的創(chuàng)新設(shè)計，該設(shè)計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時間，并消除可能影響系統(tǒng)運行的配置錯誤等問題?！?/p>

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

據(jù)來自Solar Dynamics的高級工程師、NREL最佳光熱發(fā)電項目實踐報告的合著者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)或運維不當(dāng)所致。

Bruce Kelly表示：“一種常見的情況是：閥門尺寸適合設(shè)計的流量條件，但對于啟動時的低流量工況來說還是太大了。維護不善則包括未能更換有缺陷的伴熱電纜，或者試圖延長閥桿填料的更換間隔時間等?！?/p>

力爭2022年底前全面通過測試

據(jù)悉，F(xiàn)lowserve將為該項目制造兩個原型閥，其中一個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。

Kairos公司則將使用位于加利福尼亞Alameda的電站中的流量閥測試系統(tǒng)來測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將在包括嚴寒天氣在內(nèi)的各種操作場景下評估閥門流量、壓降及整體性能。

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

Alan Kruizenga指出，Kairos將通過快速計劃、設(shè)計、建造和測試來促進光熱發(fā)電閥門快速優(yōu)化并不斷迭代升級，而這種快速測試方法應(yīng)有助于Sandia在2022年底之前實現(xiàn)創(chuàng)新型光熱發(fā)電閥門設(shè)計通過全面測試的既定目標。