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CSPPLAZA光熱發電網訊：據外媒報道，來自美國的研究人員正在開發一種新型流量控制閥以幫助光熱電站開發商進一步降低成本。

據(ju)悉，桑迪亞(ya)國家實(shi)驗室（Sandia National Laboratories，以(yi)下(xia)簡稱Sandia）與全球閥門和(he)泵業集團Flowserve以(yi)及核電開發(fa)商Kairos Power合作開發(fa)出一款可以(yi)承受比當前常見(jian)設計溫(wen)度(du)高得多(duo)的閥門（適用于熔鹽等(deng)傳儲熱(re)介質(zhi)）。

當前(qian)，光伏和風能等可再生能源發(fa)電(dian)(dian)成本(ben)在(zai)不斷下(xia)降的同時也(ye)在(zai)一(yi)定(ding)程度(du)上(shang)削弱光熱發(fa)電(dian)(dian)技術(shu)的競爭力，因此光熱發(fa)電(dian)(dian)行(xing)業也(ye)必須加快(kuai)降本(ben)步伐(fa)，而通過提升系統工(gong)作(zuo)溫度(du)來(lai)提高發(fa)電(dian)(dian)效(xiao)率則是一(yi)種有效(xiao)途徑。

目前光(guang)熱(re)電(dian)站(zhan)通常使用熔融鹽作為(wei)傳儲熱(re)介(jie)質，系統(tong)運行(xing)設(she)計(ji)溫度(du)一般在560°C左右。而Sandia與其合作伙伴所設(she)計(ji)的新型(xing)閥門則可以承受750°C的高(gao)溫，從而大幅提(ti)升光(guang)熱(re)發電(dian)系統(tong)的能量轉換(huan)效率。

在光(guang)熱(re)發電(dian)系統中(zhong)，熔(rong)鹽閥等設備(bei)需(xu)(xu)要在相對極端的(de)(de)溫度、壓力和流(liu)速工(gong)況下(xia)提供穩定的(de)(de)熱(re)傳遞和流(liu)動性，一旦室(shi)外溫度較低時，材料會出(chu)現(xian)膨脹、彎曲(qu)和翹曲(qu)等現(xian)象，因此(ci)需(xu)(xu)要經常維護，否則就會出(chu)現(xian)故障并最終降低電(dian)站的(de)(de)發電(dian)量。美(mei)國國家可再生能源實驗(yan)室(shi)（NREL）于2020年6月發布的(de)(de)全球首份光(guang)熱(re)電(dian)站全球最佳實踐報告(gao)中(zhong)便指出(chu)，閥門問題被確定為許多關鍵性能風險之一。

據(ju)Sandia項目負責人(ren)Ken Armijo介紹，Sandia及(ji)其合(he)作伙(huo)伴將使用創新型(xing)設計和新型(xing)材料來提高閥(fa)門(men)關鍵應力(li)點的可(ke)靠(kao)性，并最大程度地(di)降低成(cheng)本。

Ken Armijo表示：“從性(xing)能和可(ke)(ke)(ke)靠(kao)性(xing)的角度來看，熱機械應力將是我們的首要考慮因素。采用新型設計后，不但可(ke)(ke)(ke)明顯(xian)提升閥門(men)(men)可(ke)(ke)(ke)靠(kao)性(xing)，還可(ke)(ke)(ke)以有效減少所需閥門(men)(men)數量，同時維(wei)護速度也(ye)比目(mu)前采取的方(fang)法快得多。”

除了熔鹽(yan)，該閥門(men)也能適(shi)用(yong)于(yu)其它(ta)傳熱流(liu)體，并(bing)可應(ying)用(yong)于(yu)核電(dian)和石化等其它(ta)高溫能源領(ling)域(yu)。

獲得DOE 250萬美元研發支持資金

據悉，美(mei)國(guo)能源部（DOE）向Sandia撥付(fu)了(le)250萬美(mei)元(yuan)，用于(yu)該項新型閥門研究。

按照DOE的(de)(de)目(mu)標，到2030年配置12小(xiao)時儲(chu)熱(re)系統(tong)的(de)(de)光(guang)熱(re)電站的(de)(de)發(fa)電成本將(jiang)降(jiang)低至(zhi)50美元(yuan)/兆(zhao)瓦時。圍繞該(gai)目(mu)標，預計(ji)DOE很(hen)快將(jiang)宣布其第(di)三代光(guang)熱(re)發(fa)電計(ji)劃(hua)的(de)(de)中(zhong)標單位，該(gai)計(ji)劃(hua)后續將(jiang)建設(she)一(yi)個使用液(ye)體(ti)(ti)、固體(ti)(ti)顆粒(li)或氣體(ti)(ti)材(cai)料作為介質(zhi)的(de)(de)高溫光(guang)熱(re)發(fa)電系統(tong)。

據悉，Sandia正(zheng)在(zai)和Brayton Energy公司以(yi)及國家可再生(sheng)能(neng)源實(shi)驗室（NREL）競爭，以(yi)爭取獲得(de)DOE2500萬(wan)美(mei)元的撥款以(yi)建設該中(zhong)試發(fa)電項目(mu)。

圖：全球(qiu)太陽能、風能平準化電(dian)力成(cheng)本

同(tong)時，其它一些高溫光熱發電研發項目也在進行中。

目(mu)前，德國航(hang)空航(hang)天(tian)中心DLR正與包括全球最大(da)面食生產商Barilla在內的(de)十余家國際合作伙伴(ban)合作推進一項名為“用于靈活能源系統的(de)高存(cun)儲密(mi)度太陽(yang)能發電廠”的(de)研發項目(mu)（簡(jian)稱HiFlex項目(mu)）。

研究人員正在(zai)嘗試利用配置陶瓷(ci)顆粒儲熱系統的(de)塔式光(guang)熱電站盡可能為意(yi)大(da)利面的(de)生(sheng)(sheng)產和干(gan)燥過(guo)程提供可持(chi)續的(de)可再(zai)生(sheng)(sheng)能量，以將(jiang)面食生(sheng)(sheng)產過(guo)程中所產生(sheng)(sheng)的(de)碳(tan)排放不斷降(jiang)低。

另一邊(bian)，為了解(jie)決流量控制閥(fa)承(cheng)受的(de)極端應(ying)力，Sandia及其合作伙(huo)伴還在開發一種獨立的(de)熱管理系統(tong)（STM）和一款熱管閥(fa)桿，該(gai)閥(fa)桿可以(yi)更均勻地分配(pei)熱量，從(cong)而(er)最大(da)程度地減少(shao)焊接(jie)、密封和墊圈所承(cheng)受的(de)應(ying)力。

據悉，STM系統(tong)可以替代目前光熱發電管道管理系統(tong)常用的“伴熱”設施。STM由加熱器和溫度(du)傳感器組成，由分布式控(kong)制系統(tong)（DCS）控(kong)制。

按照Sandia的(de)(de)思路(lu)，通(tong)過使用具有耐(nai)腐蝕焊縫的(de)(de)不(bu)銹鋼材料(liao)不(bu)僅可(ke)(ke)以(yi)降低閥門(men)成本，還可(ke)(ke)以(yi)使閥門(men)更(geng)加堅固耐(nai)用。目前市場中常用的(de)(de)熔鹽流量控制閥往(wang)往(wang)使用成本較高的(de)(de)鉻基材料(liao)，而該材料(liao)無法(fa)承受較高的(de)(de)溫度。

目(mu)(mu)前，Sandia正在技(ji)術經濟性分(fen)析中考慮一系列制造方(fang)法(fa)，并(bing)將(jiang)在第二季(ji)度末確定(ding)該閥(fa)門成本目(mu)(mu)標。為了最大程度地降低成本，研發團隊計劃(hua)盡可(ke)能簡化閥(fa)門的設計，并(bing)減少所需(xu)的閥(fa)門和流量計數量。

Ken Armijo表示(shi)，閥(fa)門數(shu)量能(neng)否減少將取決(jue)于系統設計，針對美國DOE擬(ni)建的(de)1MWth第(di)三(san)代光熱發電(dian)中(zhong)試系統，Sandia正在(zai)考慮將流(liu)(liu)量控(kong)制閥(fa)放置(zhi)在(zai)泵之后和再循環回路(lu)中(zhong)，以實現更(geng)好地控(kong)制流(liu)(liu)量。

創新維護思路或可有效減少停機時間

此外(wai)，Sandia還在開發一種(zhong)可大大縮(suo)短維護時間(jian)的(de)創(chuang)新設計，該(gai)設計將允許(xu)在不拆下(xia)閥蓋或螺栓的(de)情況下(xia)更換填料。Ken Armijo表示：“這可以大大縮(suo)短維護時間(jian)，并消除可能影(ying)響系統運行(xing)的(de)配置錯誤等問題(ti)。”

相關數據(ju)表(biao)明，光熱發電(dian)閥門需要嚴(yan)格的按(an)照(zhao)要求進(jin)行安裝(zhuang)并對操作人員做好(hao)培訓才能有效(xiao)減(jian)少故障。

據來自Solar Dynamics的(de)高(gao)級工程師、NREL最(zui)佳光熱發電項目實踐(jian)報告(gao)的(de)合著(zhu)者Bruce Kelly介(jie)紹，到(dao)目前為止，大多(duo)數(shu)光熱發電閥門(men)故障都是由于(yu)閥門(men)選(xuan)擇不(bu)當或運維不(bu)當所(suo)致。

Bruce Kelly表示：“一種常見的(de)情(qing)況(kuang)是：閥門(men)尺寸適合設計(ji)的(de)流(liu)量條件，但對(dui)于啟(qi)動時(shi)的(de)低(di)流(liu)量工況(kuang)來說還是太大了。維護不善則包括未能更換有缺陷的(de)伴(ban)熱(re)電纜，或者試圖(tu)延(yan)長(chang)閥桿填(tian)料的(de)更換間隔時(shi)間等(deng)。”

力爭2022年底前全面通過測試

據(ju)悉，Flowserve將(jiang)為該項目制造兩個(ge)原型閥，其中一(yi)個(ge)將(jiang)包含(han)快(kuai)速更(geng)換填料系統。Flowserve的首席研發工程師Mike Nelson表示(shi)，關鍵的性能優化方向將(jiang)包括防漏、溫(wen)度控制和易于(yu)維(wei)護。

Kairos公(gong)司則(ze)將(jiang)使用位于加利(li)福(fu)尼亞(ya)Alameda的電(dian)站中的流(liu)量閥測試(shi)(shi)系統(tong)來測試(shi)(shi)該(gai)款(kuan)閥門(men)和(he)其(qi)它熔融鹽(yan)相關儀(yi)器。Kairos公(gong)司鹽(yan)化學主管Alan Kruizenga表示，Kairos將(jiang)在(zai)包括嚴寒天氣在(zai)內的各(ge)種操作場景下評(ping)估閥門(men)流(liu)量、壓降及整(zheng)體(ti)性能。

相(xiang)關方認為，光熱發電閥門研(yan)發項目可(ke)受益于(yu)Kairos在(zai)核電研(yan)究(jiu)領域的豐富經驗。目前Kairos已成功開(kai)發出氟化物(wu)鹽冷高溫(wen)反應(ying)堆（KP-FHR），并(bing)計劃(hua)在(zai)位于(yu)橡樹嶺(ling)的東田納西州(zhou)技術園（ETTP）建造其(qi)首(shou)個試(shi)驗反應(ying)堆。不久(jiu)前，美(mei)國能源部還向Kairos撥款3.03億美(mei)元用于(yu)其(qi)核電站計劃(hua)。

Alan Kruizenga指(zhi)出(chu)，Kairos將通過(guo)快速計(ji)(ji)劃、設(she)計(ji)(ji)、建造和測(ce)試來促進光熱發(fa)電(dian)閥(fa)門快速優化并(bing)不斷迭代(dai)升級，而這種快速測(ce)試方法應有助(zhu)于Sandia在(zai)2022年(nian)底之(zhi)前實現創新(xin)型光熱發(fa)電(dian)閥(fa)門設(she)計(ji)(ji)通過(guo)全面測(ce)試的既定目(mu)標(biao)。