CSPPLAZA光热发电网讯：据外媒报道，来自美国的研究人员正在开发一种新型流量控制阀以帮助光热电站开发商进一步降低成本。

据悉，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories，以下简称Sandia）与全球阀门和泵业集团Flowserve以及核电开发商Kairos Power合作开发出一款可以承受比当前常见设计温度高得多的阀门（适用于熔盐等传储热介质）。

当前，光伏和风能等可再生能源发电成本在不断下降的同时也在一定程度上削弱光热发电技术的竞争力，因此光热发电行业也必须加快降本步伐，而通过提升系统工作温度来提高发电效率则是一种有效途径。

目前光热电站通常使用熔融盐作为传储热介质，系统运行设计温度一般在560°C左右。而Sandia与其合作伙伴所设计的新型阀门则可以承受750°C的高温，从而大幅提升光热发电系统的能量转换效率。

在光热发电系统中，熔盐阀等设备需要在相对极端的温度、压力和流速工况下提供稳定的热传递和流动性，一旦室外温度较低时，材料会出现膨胀、弯曲和翘曲等现象，因此需要经常维护，否则就会出现故障并最终降低电站的发电量。美国国家可再生能源实验室（NREL）于2020年6月发布的全球首份光热电站全球最佳实践报告中便指出，阀门问题被确定为许多关键性能风险之一。

据Sandia项目负责人Ken Armijo介绍，Sandia及其合作伙伴将使用创新型设计和新型材料来提高阀门关键应力点的可靠性，并最大程度地降低成本。

Ken Armijo表示：“从性能和可靠性的角度来看，热机械应力将是我们的首要考虑因素。采用新型设计后，不但可明显提升阀门可靠性，还可以有效减少所需阀门数量，同时维护速度也比目前采取的方法快得多。”

除了熔盐，该阀门也能适用于其它传热流体，并可应用于核电和石化等其它高温能源领域。

获得DOE 250万美元研发支持资金

据悉，美国能源部（DOE）向Sandia拨付了250万美元，用于该项新型阀门研究。

按照DOE的目标，到2030年配置12小时储热系统的光热电站的发电成本将降低至50美元/兆瓦时。围绕该目标，预计DOE很快将宣布其第三代光热发电计划的中标单位，该计划后续将建设一个使用液体、固体颗粒或气体材料作为介质的高温光热发电系统。

据悉，Sandia正在和Brayton Energy公司以及国家可再生能源实验室（NREL）竞争，以争取获得DOE2500万美元的拨款以建设该中试发电项目。

图：全球太阳能、风能平准化电力成本

同时，其它一些高温光热发电研发项目也在进行中。

目前，德国航空航天中心DLR正与包括全球最大面食生产商Barilla在内的十余家国际合作伙伴合作推进一项名为“用于灵活能源系统的高存储密度太阳能发电厂”的研发项目（简称HiFlex项目）。

研究人员正在尝试利用配置陶瓷颗粒储热系统的塔式光热电站尽可能为意大利面的生产和干燥过程提供可持续的可再生能量，以将面食生产过程中所产生的碳排放不断降低。

另一边，为了解决流量控制阀承受的极端应力，Sandia及其合作伙伴还在开发一种独立的热管理系统（STM）和一款热管阀杆，该阀杆可以更均匀地分配热量，从而最大程度地减少焊接、密封和垫圈所承受的应力。

据悉，STM系统可以替代目前光热发电管道管理系统常用的“伴热”设施。STM由加热器和温度传感器组成，由分布式控制系统（DCS）控制。

按照Sandia的思路，通过使用具有耐腐蚀焊缝的不锈钢材料不仅可以降低阀门成本，还可以使阀门更加坚固耐用。目前市场中常用的熔盐流量控制阀往往使用成本较高的铬基材料，而该材料无法承受较高的温度。

目前，Sandia正在技术经济性分析中考虑一系列制造方法，并将在第二季度末确定该阀门成本目标。为了最大程度地降低成本，研发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。

Ken Armijo表示，阀门数量能否减少将取决于系统设计，针对美国DOE拟建的1MWth第三代光热发电中试系统，Sandia正在考虑将流量控制阀放置在泵之后和再循环回路中，以实现更好地控制流量。

创新维护思路或可有效减少停机时间

此外，Sandia还在开发一种可大大缩短维护时间的创新设计，该设计将允许在不拆下阀盖或螺栓的情况下更换填料。Ken Armijo表示：“这可以大大缩短维护时间，并消除可能影响系统运行的配置错误等问题。”

相关数据表明，光热发电阀门需要严格的按照要求进行安装并对操作人员做好培训才能有效减少故障。

据来自Solar Dynamics的高级工程师、NREL最佳光热发电项目实践报告的合著者Bruce Kelly介绍，到目前为止，大多数光热发电阀门故障都是由于阀门选择不当或运维不当所致。

Bruce Kelly表示：“一种常见的情况是：阀门尺寸适合设计的流量条件，但对于启动时的低流量工况来说还是太大了。维护不善则包括未能更换有缺陷的伴热电缆，或者试图延长阀杆填料的更换间隔时间等。”

力争2022年底前全面通过测试

据悉，Flowserve将为该项目制造两个原型阀，其中一个将包含快速更换填料系统。Flowserve的首席研发工程师Mike Nelson表示，关键的性能优化方向将包括防漏、温度控制和易于维护。

Kairos公司则将使用位于加利福尼亚Alameda的电站中的流量阀测试系统来测试该款阀门和其它熔融盐相关仪器。Kairos公司盐化学主管Alan Kruizenga表示，Kairos将在包括严寒天气在内的各种操作场景下评估阀门流量、压降及整体性能。

相关方认为，光热发电阀门研发项目可受益于Kairos在核电研究领域的丰富经验。目前Kairos已成功开发出氟化物盐冷高温反应堆（KP-FHR），并计划在位于橡树岭的东田纳西州技术园（ETTP）建造其首个试验反应堆。不久前，美国能源部还向Kairos拨款3.03亿美元用于其核电站计划。

Alan Kruizenga指出，Kairos将通过快速计划、设计、建造和测试来促进光热发电阀门快速优化并不断迭代升级，而这种快速测试方法应有助于Sandia在2022年底之前实现创新型光热发电阀门设计通过全面测试的既定目标。