熔鹽工況閥門設計挑戰與CSP市場機遇

2024-09-25 瀏覽量：2561

1. 對閥門的常規要求

1.1 應用于熔鹽工況的閥門，必須符合以下各項要求：

? 必須采用金屬閥座。對接觸介質的密封件應使用特殊石墨。

? 開關閥必須符合ISO 5208/API 598/EN 13344-1 Rate-A標準；控制閥必須符合FCI 70-2 Class V標準。

? 為實現可靠密封，推薦采用對接焊連接。? 填料泄漏率必須符合ISO 15848Rate-A標準。

? 閥門必須能在不拆卸執行器的情況下，在線進行維護和填料更換。

? 需配置加熱保溫系統，以便裝置妥善運行。

? 閥門必須能承受CSP固有的熱循環。

? 填料和密封墊材質必須和閥門相匹配。

1.2 閥門還必須符合相關電站的特定要求，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。

? 電氣設備必須適配現場條件。

? 閥門的最低使用壽命必須符合項目和設施的要求。

? 閥門必須能承受2萬至2萬五千次熱循環。

? 填料和密封墊的選型必須滿足業主提出的技術規范。

? 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正常控制熔鹽流動。

? 閥門材質必須和混合鹽及相關構件材質相適配。

? 必須保證足夠厚度的保溫層。

? 優化能耗水平，確保符合電伴熱系統（EHT）的要求。

? 閥門必須接受嚴格測試，操作人員必須接受全方面的培訓。

? 必須提前準備好零配件和專用維護工具。

2. 設計時需考量的因素

2.1 三偏心蝶閥（TOBV）

? TOBV的設計必須遵循ASM EB16.34，API 609 和ASME第八卷第一冊（Sec VIII Div.1）等行業標準。

? 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整合，以便防止熔鹽凝固。

? 內置緊固件必須能承受熱紊流，且性能不受影響。閥頸/導桿的設計必須和電伴熱系統（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域，例如填料、底部墊片和閥體內的流道等區域。

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

2.2 截止（控制）閥（GCV）

? GCV 的設計同樣應遵循A S M EB16.34，API 623，ASME 第八卷第一冊等行業標準。

? 設計應優先考慮防止填料區域接觸到熱熔鹽流，并將填料函區域的溫度維持在允許范圍之內。

? 配置HT延長閥蓋的特制填料系統，也是設計時應關注的重點：

i. 如果最高溫度達到400℃ ，必須采用Garlock 1200 PBI，GarlockThermaPUR 4122和鋅環等材料。

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

3. 驗證和確認

3.1 熱力學有限元分析

熱力學有限元分析對于閥門設計的驗證非常重要。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。瞬態熱結構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電站的工況中可靠運行。

3.2 現場確認

在模擬的聚光太陽能發電（CSP）工況中測試閥門，包括進行熱循環和密封性能測試，能深入了解閥門在實際應用中的性能表現。和相關專業機構合作，進行閥門性能現場確認，有助于確保設計的整體完好性和運行效率。

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

? 選擇管狀或陶瓷基加熱器，有利于優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以上， 以防止結冰。閥門外表面采用保溫設計。

? 采用形狀與被加熱部件表面契合的加熱器，并精確計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，就能實現運行效率的最大化、降低成本，并且提高可持續性。

5. 發展和未來展望

與熔鹽相關的技術進步，推動著閥門行業不斷產生各種高價值的發明創造，尤其是在CSP發電應用領域。技術的進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。

關鍵技術包括：

? 熔鹽快速反應堆（MSFR）

? 氟鹽冷卻高溫堆（FHR）

? 液態氟化釷反應堆（LFTR）

? 一體化熔鹽堆結合硫化物循環工藝（HyS IMSR）

? 第三代聚光太陽能發電（Gen-3 CSP）

? 甲烷熱解

? 重組

? 脫鹽

每項技術都要用到專門設計的閥門，以便在高溫和腐蝕環境中保持經久耐用，保障安全和運行效率。

聚光太陽能發電（CSP）的市場注定會出現大幅度增長，市場價值預計將從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34.6%。2022年的發電產能為6602兆瓦，預計在2023至2030期間，將以5.6%的年度綜合增長率連續增長。促成增長的因素，既有政府對可再生能源的激勵計劃，也有全球對太陽能發電基礎設施的投資熱潮。

總之，不斷擴大的CSP市場給閥門行業提供了重大商機，引導后者開發和創造各種滿足苛刻要求的閥門產品，使產品能成功應用于先進的熔鹽發電技術。通過投資開發新材料，改進設計和采用智能技術，閥門行業有望在未來可持續發展的能源領域扮演重要角色。