熔鹽工況閥門設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與CSP市場機(jī)遇

2024-09-25 瀏覽量：120

1. 對閥門的常規(guī)要求

1.1 應(yīng)用于熔鹽工況的閥門，必須符合以下各項(xiàng)要求：

? 必須采用金屬閥座。對接觸介質(zhì)的密封件應(yīng)使用特殊石墨。

? 開關(guān)閥必須符合ISO 5208/API 598/EN 13344-1 Rate-A標(biāo)準(zhǔn)；控制閥必須符合FCI 70-2 Class V標(biāo)準(zhǔn)。

? 為實(shí)現(xiàn)可靠密封，推薦采用對接焊連接。? 填料泄漏率必須符合ISO 15848Rate-A標(biāo)準(zhǔn)。

? 閥門必須能在不拆卸執(zhí)行器的情況下，在線進(jìn)行維護(hù)和填料更換。

? 需配置加熱保溫系統(tǒng)，以便裝置妥善運(yùn)行。

? 閥門必須能承受CSP固有的熱循環(huán)。

? 填料和密封墊材質(zhì)必須和閥門相匹配。

1.2 閥門還必須符合相關(guān)電站的特定要求，例如：

? 必須能承受地震荷載。

? 噪音和振動必須控制在可以接受的范圍內(nèi)。

? 電氣設(shè)備必須適配現(xiàn)場條件。

? 閥門的最低使用壽命必須符合項(xiàng)目和設(shè)施的要求。

? 閥門必須能承受2萬至2萬五千次熱循環(huán)。

? 填料和密封墊的選型必須滿足業(yè)主提出的技術(shù)規(guī)范。

? 必須與指定的管道壁厚相匹配。

? 閥門必須能在一定溫度范圍內(nèi)正常控制熔鹽流動。

? 閥門材質(zhì)必須和混合鹽及相關(guān)構(gòu)件材質(zhì)相適配。

? 必須保證足夠厚度的保溫層。

? 優(yōu)化能耗水平，確保符合電伴熱系統(tǒng)（EHT）的要求。

? 閥門必須接受嚴(yán)格測試，操作人員必須接受全方面的培訓(xùn)。

? 必須提前準(zhǔn)備好零配件和專用維護(hù)工具。

2. 設(shè)計(jì)時需考量的因素

2.1 三偏心蝶閥（TOBV）

? TOBV的設(shè)計(jì)必須遵循ASM EB16.34，API 609 和ASME第八卷第一冊（Sec VIII Div.1）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

? 必須按照要求采用對接焊連接和金屬-金屬密封，并且有效地和加熱系統(tǒng)整合，以便防止熔鹽凝固。

? 內(nèi)置緊固件必須能承受熱紊流，且性能不受影響。閥頸/導(dǎo)桿的設(shè)計(jì)必須和電伴熱系統(tǒng)（EHT）適配。

? 接口密封元件、閥桿填料和密封圈必須能防止鹽和石墨相接觸。

? 溫度傳感器必須安排在最不能獲得有效加熱的區(qū)域，例如填料、底部墊片和閥體內(nèi)的流道等區(qū)域。

? 閥體填料函延長段的設(shè)計(jì)，必須以熱力學(xué)有限元分析為基礎(chǔ)，并充分考慮到現(xiàn)場條件、保溫層容納空間和供熱的情況。

2.2 截止（控制）閥（GCV）

? GCV 的設(shè)計(jì)同樣應(yīng)遵循A S M EB16.34，API 623，ASME 第八卷第一冊等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

? 設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮防止填料區(qū)域接觸到熱熔鹽流，并將填料函區(qū)域的溫度維持在允許范圍之內(nèi)。

? 配置HT延長閥蓋的特制填料系統(tǒng)，也是設(shè)計(jì)時應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)：

i. 如果最高溫度達(dá)到400℃ ，必須采用Garlock 1200 PBI，GarlockThermaPUR 4122和鋅環(huán)等材料。

ii. 如果最高溫度達(dá)到600℃，有必要采用Garlock Quickset 9001和Garlock 1303 FEP填料。

3. 驗(yàn)證和確認(rèn)

3.1 熱力學(xué)有限元分析

熱力學(xué)有限元分析對于閥門設(shè)計(jì)的驗(yàn)證非常重要。對于冷鹽工況的閥門而言，它有助于識別并減少低溫區(qū)域。對于熱鹽工況的閥門，它能幫助分析填料劣化情況和熱載荷。瞬態(tài)熱結(jié)構(gòu)分析能幫助判斷閥門是否遭受熱沖擊，并判斷其疲勞壽命和蠕變壽命，確保閥門在聚光太陽能發(fā)電站的工況中可靠運(yùn)行。

3.2 現(xiàn)場確認(rèn)

在模擬的聚光太陽能發(fā)電（CSP）工況中測試閥門，包括進(jìn)行熱循環(huán)和密封性能測試，能深入了解閥門在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。和相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)合作，進(jìn)行閥門性能現(xiàn)場確認(rèn)，有助于確保設(shè)計(jì)的整體完好性和運(yùn)行效率。

4. 聚光太陽能發(fā)電站（CSP plant）的節(jié)能和熱損失有效的加熱和熱能管理對于CSP而言非常關(guān)鍵。重點(diǎn)包括：

? 選擇管狀或陶瓷基加熱器，有利于優(yōu)化能耗和縮小加熱器尺寸。

? 冷鹽管道中的閥門被加熱至鹽的熔點(diǎn)以上， 以防止結(jié)冰。閥門外表面采用保溫設(shè)計(jì)。

? 采用形狀與被加熱部件表面契合的加熱器，并精確計(jì)算傳感器的安裝位置，可以降低熱損失。

? 找到能耗和幾何外形之間的平衡點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效率的最大化、降低成本，并且提高可持續(xù)性。

5. 發(fā)展和未來展望

與熔鹽相關(guān)的技術(shù)進(jìn)步，推動著閥門行業(yè)不斷產(chǎn)生各種高價值的發(fā)明創(chuàng)造，尤其是在CSP發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域。技術(shù)的進(jìn)步需要閥門承受更極端的溫度，腐蝕性工況，和各種苛刻的工藝條件。

關(guān)鍵技術(shù)包括：

? 熔鹽快速反應(yīng)堆（MSFR）

? 氟鹽冷卻高溫堆（FHR）

? 液態(tài)氟化釷反應(yīng)堆（LFTR）

? 一體化熔鹽堆結(jié)合硫化物循環(huán)工藝（HyS IMSR）

? 第三代聚光太陽能發(fā)電（Gen-3 CSP）

? 甲烷熱解

? 重組

? 脫鹽

每項(xiàng)技術(shù)都要用到專門設(shè)計(jì)的閥門，以便在高溫和腐蝕環(huán)境中保持經(jīng)久耐用，保障安全和運(yùn)行效率。

聚光太陽能發(fā)電（CSP）的市場注定會出現(xiàn)大幅度增長，市場價值預(yù)計(jì)將從2023年的283億美元，飆升到2034年的5523億美元。年度綜合增長率（CAGR）將達(dá)34.6%。2022年的發(fā)電產(chǎn)能為6602兆瓦，預(yù)計(jì)在2023至2030期間，將以5.6%的年度綜合增長率連續(xù)增長。促成增長的因素，既有政府對可再生能源的激勵計(jì)劃，也有全球?qū)μ柲馨l(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施的投資熱潮。

總之，不斷擴(kuò)大的CSP市場給閥門行業(yè)提供了重大商機(jī)，引導(dǎo)后者開發(fā)和創(chuàng)造各種滿足苛刻要求的閥門產(chǎn)品，使產(chǎn)品能成功應(yīng)用于先進(jìn)的熔鹽發(fā)電技術(shù)。通過投資開發(fā)新材料，改進(jìn)設(shè)計(jì)和采用智能技術(shù)，閥門行業(yè)有望在未來可持續(xù)發(fā)展的能源領(lǐng)域扮演重要角色。