熔盐工况阀门设计挑战与CSP市场机遇

2024-09-25 浏览量：124

1. 对阀门的常规要求

1.1 应用于熔盐工况的阀门，必须符合以下各项要求：

? 必须采用金属阀座。对接触介质的密封件应使用特殊石墨。

? 开关阀必须符合ISO 5208/API 598/EN 13344-1 Rate-A标准；控制阀必须符合FCI 70-2 Class V标准。

? 为实现可靠密封，推荐采用对接焊连接。? 填料泄漏率必须符合ISO 15848Rate-A标准。

? 阀门必须能在不拆卸执行器的情况下，在线进行维护和填料更换。

? 需配置加热保温系统，以便装置妥善运行。

? 阀门必须能承受CSP固有的热循环。

? 填料和密封垫材质必须和阀门相匹配。

1.2 阀门还必须符合相关电站的特定要求，例如：

? 必须能承受地震荷载。

? 噪音和振动必须控制在可以接受的范围内。

? 电气设备必须适配现场条件。

? 阀门的最低使用寿命必须符合项目和设施的要求。

? 阀门必须能承受2万至2万五千次热循环。

? 填料和密封垫的选型必须满足业主提出的技术规范。

? 必须与指定的管道壁厚相匹配。

? 阀门必须能在一定温度范围内正常控制熔盐流动。

? 阀门材质必须和混合盐及相关构件材质相适配。

? 必须保证足够厚度的保温层。

? 优化能耗水平，确保符合电伴热系统（EHT）的要求。

? 阀门必须接受严格测试，操作人员必须接受全方面的培训。

? 必须提前准备好零配件和专用维护工具。

2. 设计时需考量的因素

2.1 三偏心蝶阀（TOBV）

? TOBV的设计必须遵循ASM EB16.34，API 609 和ASME第八卷第一册（Sec VIII Div.1）等行业标准。

? 必须按照要求采用对接焊连接和金属-金属密封，并且有效地和加热系统整合，以便防止熔盐凝固。

? 内置紧固件必须能承受热紊流，且性能不受影响。阀颈/导杆的设计必须和电伴热系统（EHT）适配。

? 接口密封元件、阀杆填料和密封圈必须能防止盐和石墨相接触。

? 温度传感器必须安排在最不能获得有效加热的区域，例如填料、底部垫片和阀体内的流道等区域。

? 阀体填料函延长段的设计，必须以热力学有限元分析为基础，并充分考虑到现场条件、保温层容纳空间和供热的情况。

2.2 截止（控制）阀（GCV）

? GCV 的设计同样应遵循A S M EB16.34，API 623，ASME 第八卷第一册等行业标准。

? 设计应优先考虑防止填料区域接触到热熔盐流，并将填料函区域的温度维持在允许范围之内。

? 配置HT延长阀盖的特制填料系统，也是设计时应关注的重点：

i. 如果最高温度达到400℃ ，必须采用Garlock 1200 PBI，GarlockThermaPUR 4122和锌环等材料。

ii. 如果最高温度达到600℃，有必要采用Garlock Quickset 9001和Garlock 1303 FEP填料。

3. 验证和确认

3.1 热力学有限元分析

热力学有限元分析对于阀门设计的验证非常重要。对于冷盐工况的阀门而言，它有助于识别并减少低温区域。对于热盐工况的阀门，它能帮助分析填料劣化情况和热载荷。瞬态热结构分析能帮助判断阀门是否遭受热冲击，并判断其疲劳寿命和蠕变寿命，确保阀门在聚光太阳能发电站的工况中可靠运行。

3.2 现场确认

在模拟的聚光太阳能发电（CSP）工况中测试阀门，包括进行热循环和密封性能测试，能深入了解阀门在实际应用中的性能表现。和相关专业机构合作，进行阀门性能现场确认，有助于确保设计的整体完好性和运行效率。

4. 聚光太阳能发电站（CSP plant）的节能和热损失有效的加热和热能管理对于CSP而言非常关键。重点包括：

? 选择管状或陶瓷基加热器，有利于优化能耗和缩小加热器尺寸。

? 冷盐管道中的阀门被加热至盐的熔点以上， 以防止结冰。阀门外表面采用保温设计。

? 采用形状与被加热部件表面契合的加热器，并精确计算传感器的安装位置，可以降低热损失。

? 找到能耗和几何外形之间的平衡点，就能实现运行效率的最大化、降低成本，并且提高可持续性。

5. 发展和未来展望

与熔盐相关的技术进步，推动着阀门行业不断产生各种高价值的发明创造，尤其是在CSP发电应用领域。技术的进步需要阀门承受更极端的温度，腐蚀性工况，和各种苛刻的工艺条件。

关键技术包括：

? 熔盐快速反应堆（MSFR）

? 氟盐冷却高温堆（FHR）

? 液态氟化钍反应堆（LFTR）

? 一体化熔盐堆结合硫化物循环工艺（HyS IMSR）

? 第三代聚光太阳能发电（Gen-3 CSP）

? 甲烷热解

? 重组

? 脱盐

每项技术都要用到专门设计的阀门，以便在高温和腐蚀环境中保持经久耐用，保障安全和运行效率。

聚光太阳能发电（CSP）的市场注定会出现大幅度增长，市场价值预计将从2023年的283亿美元，飙升到2034年的5523亿美元。年度综合增长率（CAGR）将达34.6%。2022年的发电产能为6602兆瓦，预计在2023至2030期间，将以5.6%的年度综合增长率连续增长。促成增长的因素，既有政府对可再生能源的激励计划，也有全球对太阳能发电基础设施的投资热潮。

总之，不断扩大的CSP市场给阀门行业提供了重大商机，引导后者开发和创造各种满足苛刻要求的阀门产品，使产品能成功应用于先进的熔盐发电技术。通过投资开发新材料，改进设计和采用智能技术，阀门行业有望在未来可持续发展的能源领域扮演重要角色。