桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Sandia National Laboratories)與Flowserve Corp.和Kairos Power LLC合作，獲得為期三年的250萬(wàn)美元的能源部高級(jí)閥門(mén)項(xiàng)目資助，以降低成本并提高美國(guó)太陽(yáng)能集光效率。

控制閥是管理下一代集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠捕獲的太陽(yáng)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。他們必須安全可靠地收集，儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移極熱和腐蝕性的氯化物鹽，以用于公共發(fā)電。

為了實(shí)現(xiàn)DOE SunShot 目標(biāo)，這將大大降低發(fā)電成本，同時(shí)提高產(chǎn)量，因此，可靠性更高，溫度更高的熔融鹽閥門(mén)至關(guān)重要 。SunShot的目標(biāo)是降低太陽(yáng)能的總成本，使其在本世紀(jì)末與其他形式的能源大規(guī)模競(jìng)爭(zhēng)，而無(wú)需補(bǔ)貼。

桑迪亞項(xiàng)目的主要研究人員肯·阿米茹說(shuō)：“我們期望將大大降低將按照能源部2030年基本負(fù)荷目標(biāo)將太陽(yáng)能集中發(fā)電的能源成本降低至每千瓦時(shí)5美分的可能性。”

該項(xiàng)目將研究新設(shè)計(jì)的熔鹽閥門(mén)，作為完整太陽(yáng)能管理系統(tǒng)的一部分。如果成功，這些經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)的閥門(mén)還可用于其他領(lǐng)域的能量傳輸，包括核能和石化行業(yè)。

鹽閥失靈挑戰(zhàn)了系統(tǒng)的可持續(xù)性

聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)必須處理的熔融氯化物鹽溫度可能會(huì)超過(guò)750攝氏度或接近1,400華氏度。

集中太陽(yáng)能和其他能源會(huì)使液體過(guò)熱，然后將液體通過(guò)管道網(wǎng)絡(luò)泵送并輸送到發(fā)電站發(fā)電。熔融鹽是傳遞和存儲(chǔ)熔巖熱液體能量的首選液體，因?yàn)榕c水相反，熔融鹽保持其粘度，而水在如此極端的溫度下會(huì)轉(zhuǎn)化為蒸汽。熔融鹽還可以在能量收集和輸送過(guò)程中為整個(gè)發(fā)電廠提供更一致的溫度。

比例流量控制閥用作管道系統(tǒng)的守門(mén)員，用于將收集的能量輸送到電廠的生產(chǎn)側(cè)。這些閥門(mén)持續(xù)面臨極端溫度，壓力和流量，并且經(jīng)常面臨極低的室外溫度。Armijo說(shuō)，由于天氣的變化，閥門(mén)的凍結(jié)和融化會(huì)產(chǎn)生膨脹和收縮的材料，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的缺陷。

他說(shuō)：“盡管溫度變化很大，但熔鹽流量閥仍必須保持恒定的傳熱和流體流量。”

隨著集中式太陽(yáng)能發(fā)電廠變得越來(lái)越大和生產(chǎn)率越來(lái)越高，流量控制閥之類(lèi)的系統(tǒng)組件必須承受更加極端的條件才能可靠地運(yùn)行。

“隨著我們?cè)谶@些系統(tǒng)中使用更高的溫度，我們需要為熱膨脹付出一定的代價(jià)，”阿米霍說(shuō)。“在極端的高溫和高壓下，材料和組件會(huì)膨脹，彎曲和翹曲。”

據(jù)Armijo稱，當(dāng)前的熔融鹽閥門(mén)需要昂貴且頻繁的維護(hù)。但是，更大的挑戰(zhàn)可能是熔融鹽閥門(mén)故障可能會(huì)在整個(gè)系統(tǒng)中頻繁發(fā)生，從而導(dǎo)致維修或更換閥門(mén)以及重新包裝和更換密封件的停機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)。

添加鹽的腐蝕性質(zhì)，您便有了重復(fù)分解的訣竅。如果閥門(mén)數(shù)量在10至15之間的系統(tǒng)每月發(fā)生一次閥門(mén)故障，則該系統(tǒng)可能會(huì)在數(shù)天，數(shù)周甚至數(shù)月內(nèi)無(wú)法運(yùn)行。相關(guān)的收入損失可能使這些系統(tǒng)不可持續(xù)。

新材料，設(shè)計(jì)打造更堅(jiān)固的閥門(mén)

當(dāng)今的熔鹽閥由昂貴的易腐蝕的鉻基材料制成，而高鎳基材料通常在這些高溫下不具有強(qiáng)度。桑迪亞(Sandia)將專注于開(kāi)發(fā)用于閥門(mén)的較便宜的基礎(chǔ)材料，并增加耐用的復(fù)合復(fù)合材料覆蓋層以抵御腐蝕，提高耐用性，同時(shí)大幅降低制造成本。

除了材料升級(jí)外，創(chuàng)新的閥內(nèi)件設(shè)計(jì)元素還將在熔融鹽通過(guò)時(shí)自動(dòng)緩沖壓力波動(dòng)和脈動(dòng)，同時(shí)散發(fā)熱量以避免閥門(mén)損壞。阿米霍說(shuō)，新設(shè)計(jì)還將使重新包裝的材料能夠用于創(chuàng)建模塊化的快速更換系統(tǒng)，以取代昂貴的波紋管密封件，如果用存在的冷凍鹽激活，波紋管密封件會(huì)破裂。

閥門(mén)的另一個(gè)主要可靠性問(wèn)題是室外低溫導(dǎo)致內(nèi)部鹽分凍結(jié)，這會(huì)在閥桿，密封件和閥蓋上造成機(jī)械應(yīng)力。他說(shuō)，閥門(mén)內(nèi)的一項(xiàng)創(chuàng)新功能應(yīng)通過(guò)將熱量通過(guò)閥桿傳遞到填料區(qū)域來(lái)解決這一凍結(jié)問(wèn)題，從而保持恒定的內(nèi)部溫度并減少操作和維護(hù)。

Armijo說(shuō)：“是閥門(mén)上的溫度差異可能導(dǎo)致墊圈和密封件泄漏問(wèn)題。”

獨(dú)立的熱管理系統(tǒng)有望減少材料應(yīng)力和疲勞，這些應(yīng)力和疲勞會(huì)破壞管道和閥門(mén)系統(tǒng)并提高組件的使用壽命。他說(shuō)：“我們將微調(diào)控制裝置，以將閥門(mén)保持在均勻的溫度下。”

先進(jìn)的閥門(mén)設(shè)計(jì)還將采用創(chuàng)新的墊片，密封件和填料，以減少維護(hù)需求。“而且，新設(shè)計(jì)可以在閥本身上包括壓力和流量傳感器，這將減少在整個(gè)系統(tǒng)中必須增加壓力和流量傳感器的成本，” Armijo說(shuō)。

這種獨(dú)立的，集成的熱管理系統(tǒng)應(yīng)顯著降低平均電力成本(系統(tǒng)成本除以終身能源輸出)，這對(duì)于開(kāi)發(fā)商贏得太陽(yáng)能項(xiàng)目而言變得越來(lái)越具有競(jìng)爭(zhēng)力。

這些性能提升還將滿足美國(guó)能源部的 第三代聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)計(jì)劃的要求，該計(jì)劃要求推進(jìn)高溫聚光太陽(yáng)能組件，并開(kāi)發(fā)可達(dá)到高工作溫度的熱能儲(chǔ)存裝置。

強(qiáng)大的合作伙伴關(guān)系整合了優(yōu)勢(shì)

該合作伙伴在熔融鹽系統(tǒng)的研發(fā)方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，將研究新型控制閥材料，設(shè)計(jì)和模塊化功能，以承受與昂貴的閥門(mén)故障相關(guān)的極端溫度和壓力。

桑迪亞(Sandia)在高級(jí)聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)和組件(尤其是熔鹽技術(shù))的研發(fā)方面擁有40多年的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室將在其化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用氯化物-鹽混合物測(cè)試潛在的材料。在Sandia的國(guó)家太陽(yáng)能熱測(cè)試設(shè)施的幾種情況下，將對(duì)閥門(mén)的耐腐蝕性，材料損失和機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估 。

“ Sandia Labs在材料研究方面享譽(yù)70多年，” Armijo說(shuō)。“我們可以對(duì)陶瓷，金屬合金和復(fù)合材料進(jìn)行高溫新材料測(cè)試。世界上很少有設(shè)施可以做到這一點(diǎn)。”

福斯公司 在高溫和高壓流體的分析方法以及全球熔融鹽應(yīng)用的系統(tǒng)評(píng)估方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。該公司將開(kāi)發(fā)兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)性的閥桿密封系統(tǒng)，將風(fēng)箱設(shè)計(jì)與快速更換包裝罐設(shè)計(jì)進(jìn)行比較。兩種設(shè)計(jì)都可能使用獨(dú)立的熱管理系統(tǒng)。

Kairos Power LLC 將構(gòu)建一個(gè)等溫分批流量閥測(cè)試系統(tǒng)，以研究在750攝氏度的工作溫度下的閥門(mén)性能和可靠性。Kairos還將在其工廠對(duì)原型2英寸閥門(mén)和先導(dǎo)閥驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可靠性評(píng)估。