شركة جيانغسو هايفا للتصنيع الميكانيكي المحدودة

مقدمة

مع تطور توليد الطاقة الشمسية المركزة (CSP)، وتخزين الطاقة طويل الأمد، وأنظمة الطاقة الجديدة، أصبحت تقنية الملح المنصهر مساراً تقنياً مهماً في مجال الطاقة الجديدة عالمياً، نظراً لمزاياها في نقل الحرارة بدرجات حرارة عالية، وكفاءة تخزين الطاقة، والأمان والاستقرار. وتُعد مضخة الملح المنصهر من معدات الطاقة الأساسية في نظام دورة الملح المنصهر، وتُلقب بـ"قلب الطاقة" لأنظمة توليد الطاقة الشمسية المركزة وتخزين الطاقة بالملح المنصهر. ومع ذلك، نظراً لتشغيلها لفترات طويلة في بيئات ذات درجات حرارة عالية تصل إلى 600 درجة مئوية أو حتى أكثر من 700 درجة موية، وبيئات تآكل شديدة، تواجه مضخات الملح المنصهريات كبيرة في المواد، والختم، وتزييت المحامل، والتشغيل الموثوق كما أنها تمثل إحدى التقنيات الرئيسية لتوطين معدات تخزين الطاقة ذات درجات الحرارة العالية.

الوضع الراهن لتطور تقنية مضخات الملح المنصهر عالمياً

حالياً، تُستخدم تقنية مضخات الملح المنصهر عالمياً بشكل أساسي في محطات الطاقة الشمسية المركزة ذات البرج، ومحطات الطاقة الشمسية المركزة ذات الحوض، وأنظمة تخزين الطاقة بالملح المنصهر عالي الحرارة. تشمل الشركات الأجنبية الممثلة شركة Flowserve الأمريكية وشركة Sulzer الألمانية، وتتبنى منتجاتها بشكل أساسي هياكل مثل المضخات العمودية ذات الغلاف الأسطواني، والمضخات العمودية ذات العمود الطويل، مع التركيز على حل مشاكل التحكم في التمدد الحراري، واستقرار نظام العمود، وموثوقية الختم أثناء نقل الوسائط ذات درجات الحرارة العالية. تعتمد محطات توليد الطاقة الشمسية المركزة التقليدية على نظام الملح المنصهر النتراتي، وعادةً ما تتراوح درجات حرارة التشغيل بين 300 و600 درجة مئوية. مع تطور تقنية الجيل الثالث من الطاقة الشمسية المركزة، بدأ نظام الملح المنصهر الكلوريدي يحظى بالاهتمام تدريجياً، حيث يمكنه تحقيق تشغيل بدرجات حرارة عالية تتجاوز 700 درجة مئوية، وزيادة كثافة تخزين الطاقة والكفاءة الحرارية، لكنه في الوقت نفسه يفرض متطلبات أعلى على مقاومة التآكل لمواد جسم المضخة.

النقاط التقنية الأساسية الصعبة لمضخات الملح المنصهر فائقة الارتفاع في درجة الحرارة

1. تصميم النموذج الهيدروليكي للملح المنصهر عالي الحرارة

تتغير الخصائص الفيزيائية للملح المنصهر بشكل ملحوظ عند درجات الحرارة المرتفعة، حيث تختلف الكثافة واللزوجة وخصائص التبخير عن الوسائط ذات درجات الحرارة العادية. لا يمكن تطبيق النماذج الهيدوليكية للمضخات الطاردة المركزية العادية مباشرة، بل يلزم تطوير تقنيات تصميم خاصة للمروحة الدافعة، والموجهات، وقنوات التدفق لظروف عمل الملح المنصهر عالي الحرارة. يُعد تحسين بنية مدخل المروحة الدافعة، وتقليل الفقد في المناطق عالية السرعة المحلية، وتحسين كفاءة التشغيل والاستقرار للمضخة، أساساً مهماً للتشغيل الموثوق طويل الأمد لمضخات الملح المنصهر 700 درجة مئوية.

2 تقنية المواد المقاومة لدرجات الحرارة العالية والتآكل

تسبب بيئة الملح المنص أكسدة المعادن، والتآكل بين الحبيبات، وهجرة العناصر. خاصةً نظام الكلوريد، الذي يتميز بتأثير تآكل أقوى على الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك العادية. تركز الأبحاث الدولية حالياً على سبائك النيكل عالية الحرارة، والفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ الخاص، وتقنيات الطلاء الواقي السطحي، لتحسين عمر الأجزاء الرئيسية مثل غلاف المضخة، والمروحة الدافعة، والعمود.

3 تقنية المحامل والتزييت لدرجات الحرارة العالية

تعتمد مضخات الملح المنصهر عادةً على محامل تزييت بالوسيط عالي الحرارة أو هياكل محامل خاصة مقاومة لدرجات الحرارة العالية. نظراً لأن مواد التشحيم التقليدية لا يمكنها تلبية بيئة 600-700 درجة مئوية، يلزم تطوير حلول محامل عالية الحرارة باستخدام مواد السيراميك، والسبائك الصلبة، والمواد المركبة من الجرافيت، مع حل مشاكل التآكل، والتمدد الحراري، والتشغيل المستقر طويل الأمد.

1. تقنية الختم بدون تسرب

يتميز الملح المنصهر عالي الحرارة بسهولة التصلب وسهولة التبلور، وتكون الأختام الميكانيكية التقليدية عرضة لخطر الفشل. لذلك، تتبنى التقنيات المتقدمة دولياً تدريجياً الهياكل المحمية، وأختام الحماية بالغاز، وأختام حلقات الكربون عالية الحرارة،جموعات الأختام الخاصة، لتحقيق تشغيل بدون تسرب.اختبار مضخة الملح المنصهر عند 750 درجة مئوية وتقنية الإنذار الذكي

استجابةً لاحتياجات الجيل التالي من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة وتخزين الطاقة ذات درجات الحرارة العالية، أصبح إنشاء منصة اختبار لمضخات الملح المنصهرائقة الارتفاع في درجة الحرارة عند 700 درجة مئوية اتجاهاً رئيسياً لتحقيق الاختراقات التقنية. يجب أن يتمتع نظام الاختبار بالقدرات التالية: محاكاة دورة الملح المنصهر عالي الحرارة؛ تقييم أداء المضخة وكفاءتها؛ المراقبة عبر الإنترنت للاهتزاز ودرجة الحرارة وحالة المحامل؛ تحليل حالة التآكل والتنبؤ بالعمر الافتراضي؛ وظائف الإنذار الذكي للأعطال. من خلال نظام المراقبة الرقمية، يمكن تحديد التشوهات في المحامل، والتشوه الحراري، وتدهور الختم مسبقاً، مما يحسن موثوقية تشغيل المعدات.

أهمية التوطين

تجمع مضخة الملح المنصهر فائقة الارتفاع في درجة الحرارة عند 700 درجة مئوية بين تقنيات متعددة المجالات مثل ميكانيكا الموائع، وعلوم المواد، والختم الميكانيكي، والمراق الذكية، وهي جزء مهم من توطين معدات تخزين الطاقة ذات درجات الحرارة العالية. إن تحقيق اختراق في التقنيات الرئيسية لمضخات الملح المنصهر عالي الحرارة لا يدعم فقط التطوير واسع النطاق لتوليد الطاقة الشمسية المركزة، بل سيدفع أيضاً تخزين الطاقة بالملح المنصهر، واستخدام الحرارة المهدرة الصناعية، وبناء أنظمة الطاقة الجديدة. في المستقبل، مع تزايد الطلب على تخزين الطاقة طويل الأمد في أنظمة الطاقة الجديدة، ستلعب مضخات الملح المنصهرائقة الارتفاع في درجة الحرارة المحلية عالية الكفاءة والموثوقية دوراً أكثر أهمية في تحول الطاقة العالمي.

المراجع

Robb K., Goth N., Kappes E., Qu J., He X. Development of High Temperature (>700°C) Molten Salt Pump Technology for Gen3 Solar Power Tower Systems, 202.

Flowserve. Concentrated Solar Power Pump Technology.

Sulzer. Powerful Storage for Renewables – 700°C Molten Salt Pump Application.

مسيرة تطور تقنية مضخات الملح المنصهر في الجيل الأول عالمياً

يرتبط تطور مضخات الملح المنصهراً وثيقاً بتقنية توليد الطاقة الشمسية المركزة (CSP). في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين، أجرت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ومختبر سانديا الوطني أبحاثاً حول تقنية توليد الطاقة الشمسية بالبرج، وأنشأت مشروعي Solar One وSolar Two التجريبيين، مما وضع الأساس لتقنية تخزين الطاقة بالملح المنصهر الحديثة. في 1995، تمت ترقية مشروع Solar One في منطقة بارستو بولاية كاليفورنيا الأمريكية إلى محطة Solar Two التجريبية لتوليد الطاقة الشمسية المركزة بالبرج والملح المنصهر، والتي استخدمت لأول مرة على نطاق واسع خليط الملح المنصهر من نترات الصوديوم/نترات البوتاسيوم (60% NaNO₃ + 40% KNO₃) كوسيط نقل الحرارة ووسيط تخزين الطاقة. زُود المشروع بنظام دورة الملح المنصهر عالي الحرارة، بما ذلك مضخة الملح البارد ومضخة الملح الساخن، وهو نقطة انطلاق مهمة للتطبيق الهندسي لمضخات الملح المنصهر الكبيرة الحديثة. اعتمدت مضخة الملح المنصهرخدمة في Solar Two هيكل العمود الطويل العمودي، حيث تُركب المضخة داخل خزان تخزين الملح المنصهر، وتُدار المروحة الدافعة عبر عمود طويل. نظراً لوصول درجة حرارة التشغيل إلى حوالي 565 درجة مئوية، كان على المعدات حل المشاكل الرئيسية مثل التمدد الحراري العالي، واستقرار نظام العمود، وتآكل المواد، وتزييت المحامل عالية الحرارة. كما دفعت الأبحاث ذات الصلة إلى تطوير تقنية مضخات الملح المنصهر ذات العمود الطويل عالية الحرارة في المراحل اللاحقة.

تحتاج مضخة الملح المنصهر فائقة الارتفاع في درجة الحرارة عند 700 درجة مئوية إلى تحقيق اختراقات في:نية تصميم النموذج الهيدروليكي عالي الحرارة لحل مشاكل انخفاض الكفاءة واستقرار التشغيل الناتجة عن تغير خصائص الملح المنصهر؛ تطوير مواد خاصة مقاومة للتآكل مثل سبائك النيكل والفولاذ المقاوم للصدأ عالي الحرارة وتقنيات الحماية السطحية؛ تقنية المحامل والتزييت عالية الحرارة لضمان موثوقية نظام العمود في ظل ظروف التشغيل طويلة الأمد؛ تقنية الختم بدون تسرب لتجنب تصلب الملح المنصهر والتسرب وفشل المعدات.