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)與全球閥門和泵業集團Flowserve以及核電開發商Kairos Power合作開發出一款可以承受比當前常見設計溫度高得多的閥門(適用于熔鹽等傳儲熱介質)。
當前,光伏和風能等可再生能源發電成本在不斷下降的同時也在一定程度上削弱光熱發電技術的競爭力,因此光熱發電行業也必須加快降本步伐,而通過提升系統工作溫度來提高發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,系統運行設計溫度一般在560°C左右。而Sandia與其合作伙伴所設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電系統的能量轉換效率。
在光熱發電系統中,熔鹽閥等設備需要在相對極端的溫度、壓力和流速工況下提供穩定的熱傳遞和流動性,一旦室外溫度較低時,材料會出現膨脹、彎曲和翹曲等現象,因此需要經常維護,否則就會出現故障并最終降低電站的發電量。美國國家可再生能源實驗室(NREL)于2020年6月發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鍵性能風險之一。
據Sandia項目負責人Ken Armijo介紹,Sandia及其合作伙伴將使用創新型設計和新型材料來提高閥門關鍵應力點的可靠性,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,熱機械應力將是我們的首要考慮因素。采用新型設計后,不但可明顯提升閥門可靠性,還可以有效減少所需閥門數量,同時維護速度也比目前采取的方法快得多?!?/p>
除了熔鹽,該閥門也能適用于其它傳熱流體,并可應用于核電和石化等其它高溫能源領域。
獲得DOE 250萬美元研發支持資金
據悉,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小時儲熱系統的光熱電站的發電成本將降低至50美元/兆瓦時。圍繞該目標,預計DOE很快將宣布其第三代光熱發電計劃的中標單位,該計劃后續將建設一個使用液體、固體顆粒或氣體材料作為介質的高溫光熱發電系統。
據悉,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該中試發電項目。
圖:全球太陽能、風能平準化電力成本
同時,其它一些高溫光熱發電研發項目也在進行中。
目前,德國航空航天中心DLR正與包括全球最大面食生產商Barilla在內的十余家國際合作伙伴合作推進一項名為“用于靈活能源系統的高存儲密度太陽能發電廠”的研發項目(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的塔式光熱電站盡可能為意大利面的生產和干燥過程提供可持續的可再生能量,以將面食生產過程中所產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力,Sandia及其合作伙伴還在開發一種獨立的熱管理系統(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力。
據悉,STM系統可以替代目前光熱發電管道管理系統常用的“伴熱”設施。STM由加熱器和溫度傳感器組成,由分布式控制系統(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正在技術經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,研發團隊計劃盡可能簡化閥門的設計,并減少所需的閥門和流量計數量。
Ken Armijo表示,閥門數量能否減少將取決于系統設計,針對美國DOE擬建的1MWth第三代光熱發電中試系統,Sandia正在考慮將流量控制閥放置在泵之后和再循環回路中,以實現更好地控制流量。
創新維護思路或可有效減少停機時間
此外,Sandia還在開發一種可大大縮短維護時間的創新設計,該設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運行的配置錯誤等問題?!?/p>
相關數據表明,光熱發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才能有效減少故障。
據來自Solar Dynamics的高級工程師、NREL最佳光熱發電項目實踐報告的合著者Bruce Kelly介紹,到目前為止,大多數光熱發電閥門故障都是由于閥門選擇不當或運維不當所致。
Bruce Kelly表示:“一種常見的情況是:閥門尺寸適合設計的流量條件,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
據悉,Flowserve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。Flowserve的首席研發工程師Mike Nelson表示,關鍵的性能優化方向將包括防漏、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來測試該款閥門和其它熔融鹽相關儀器。Kairos公司鹽化學主管Alan Kruizenga表示,Kairos將在包括嚴寒天氣在內的各種操作場景下評估閥門流量、壓降及整體性能。
相關方認為,光熱發電閥門研發項目可受益于Kairos在核電研究領域的豐富經驗。目前Kairos已成功開發出氟化物鹽冷高溫反應堆(KP-FHR),并計劃在位于橡樹嶺的東田納西州技術園(ETTP)建造其首個試驗反應堆。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、設計、建造和測試來促進光熱發電閥門快速優化并不斷迭代升級,而這種快速測試方法應有助于Sandia在2022年底之前實現創新型光熱發電閥門設計通過全面測試的既定目標。