Цзянсу Хайфа Машиностроение Лтд.

Введение

С развитием технологий концентрированной солнечной энергетики (CSP), длительного хранения энергии и новых энергетических систем технология расплавленных солей благодаря своим преимуществам — высокотемпературной теплопередаче, эффективному накоплению энергии, безопасности и стабильности — стала важным технологическим направлением в мировой сфере новых источников энергии. Насос для расплавленной соли, являясь ключевым силовым оборудованием в контуре циркуляции расплавленной соли, по праву называется «силовым сердцем» систем концентрированной солнечной энергетики и накопления энергии на расплавленных солях. Однако из-за длительной работы в условиях высоких температур — 600 °C и даже выше 700 °C — и агрессивной коррозионной среды насосы для расплавленной соли сталкиваются с огромными вызовами в области материалов, уплотнений, смазки подшипников и надёжной эксплуатации, что также является одной из ключевыхй локализации производства высокотемпературного энергоаккумулирующего оборудования.

Современное состояние мирового развития технологий насосов для расплавленной соли

В настоящее время мировые технологии насосов для распленной соли в основном применяются на башенных солнечных электростанциях, в параболических солнечных установках и в системах высокотемпературного накопления энергии на расплавленных солях. К зарубежным компаниям-представителям относятся американская Flowserve, немецкая Sulzer и другие. Их продукция преимущественно использует вертикальные насосы с цилиндрическим корпусом, вертикальные длинновальные насосы и другие конструктивные формы, при этом основное внимание уделяется решению проблем контроля теплового расширения при транспортировке высокотемпературной среды, стабильности вала и надёжности уплотнений. В традиционной концентрированной солнечной энергетике используется нитратная система расплавленных солей с рабочими температурами обычно в диапазоне 300–600 °C. С развитием технологий концентрированной солнечной энергетики третьего поколения хлоридные системы расплавленных солей постепенно привлекают внимание, позволяя достигать рабочих температур выше 700 °C, повышая плотность накопления энергии и тепловой КПД, но при этом предъявляя более высокие требования к коррозионной стойкости материалов корпуса насоса.

Ключевые технические сложности насосов для сверхвысокотемпературной расплавленной соли

1. Гидравлическое моделирование насоса для высокотемпературной расплавленнойоли

При высоких температурах физические свойства расплавленной соли существенно изменяются: плотность, вязкость и характеристики парообразования отличаются от сред при нормальной температуре. Стандартные гидравлические модели центробежных насосов не могут применяться напрямую; разработка специализированных технологий проектирования рабочих колёс, направляющих аппаратов и проточных каналов для условий высокотемпературной расплавленной соли. Оптимизация входной конструкции рабочего колеса, снижение потерь в локальных зонах высоких скоростей, повышение эффективности и стабильности работы насоса — это важная основа долгосрочной надёжной эксплуатации насосов для расплавленной соли при 700 °C.

1. Технологии жаропрочных и коррозионностойких материалов

Среда расплавленной соли вызывает окисление металлических материалов, межкристаллитную коррозию и миграцию элементов. Особенно хлориные системы обладают более сильным коррозионным воздействием на нержавеющие стали и обычные сплавы. В настоящее время международные исследования сосредоточены на никелевых жаропрочных сплавах, специальных аустенитных нержавеющих сталях и технологиях защитных покрытий поверхности с целью повышения срока службы ключевых компонентов — корпуса насоса, рабочего колеса, вала и других.

1. Технологии высокотемпературных подшипников и смазки

насосах для расплавленной соли обычно применяются подшипники, смазываемые высокотемпературной средой, или специальные жаропрочные конструкции подшипников. Поскольку традиционные смазочные материалы не могут работать в среде 600–700 °C, необходимо разрабатывать высокотемпературные решения для подшипников из керамических материалов, твёрдых сплавов, графитовых композитов и других материалов, одновременно решая проблемы износа, теплового расширения и долгосрочной стабильной работы.

1. Технологии без утечек уплотнений

Высокотемператур расплавленная соль характеризуется лёгкостью затвердевания и кристаллизации, поэтому традиционные механические уплотнения подвержены риску отказов. В связи с этим передовые международные технологии постепенно переходят на герметичные конструкции с экранированным ротором, газозащитные уплотнения, высокотемпературные углеродные кольцевые уплотнения и специальные комбинированные схемы уплотнений для достижения работы без утечек.Испния насосов для расплавленной соли при 750C и технологии интеллектуального предупреждения

С учётом потребностей следующего поколения высокотемпературных систем концентрированной солнечнойгетики и накопления энергии создание испытательного стенда для насосов сверхвысокотемпературной распленной соли при 700 °C становится клювым направлением технологического прорыва. Испыта система должна обеспечивать: моделирование циркуляции высокотемпературной распленной соли; испытания характеристик насоса и оценку КПД; онлайн-мониторинг вибрации, температуры и состояния подшипников; анализ коррозионного состояния и прогнозирование ресурса; функции интеллектуального предупреждения о неисправностях. С помощью цифровой системы мониторинга можно заблаговременно выявлять аномалии подшипников, тепловые деформации, деградацию уплотнений и другие проблемы, повышая надёжность работы оборудования.

Значение локализации производства

Насос для сверхвысокотемператур расплавленной соли при 700C интегрирует технологии из областей гидродинамики, материаловедения, механических уплотнений, интеллектуального мониторига и других сфер и является важной составной частью локализации производства высокотемпературного энергоаккумулирующего оборудования. Прорыв в ключевых технологиях насосов для высокотемпературнойлавленной соли позволит не только поддержать масштабное развитие концентрированной солнечной энергетики, но и будет способствовать развитию накопления энергии на расплавленных солях, использованию промышленного отработанного тепла и созданию новых энергетических систем. В будущем, по мере роста потребности новых энергетических электросистем в длительном хранении энергии, высокоэффективные и высоконадёжные отечественные насосы для сверхвысокотемпературной расплавленной соли будутть всё более важную роль в глобальном энергетическом переходе.

Литература

Robb K., Goth N., Kappes E., Qu J., He X. of High Temperature (>700°C) Molten Salt Pump Technology for Gen3 Solar Power Tower Systems, 2024.

Flowserve. Concentrated Solar Power Pump Technology.

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

История развития технологий насосов для расплавленной соли первого поколения в мире

Развитие насосов для расплавленной соли тесно связано с технологией концентрированной солнечной энергетики (CSP). В 1970–1980-х годах Министерство энергетики США (DOE) и Национальная лаборатория Сандия проводили исследования по технологии башенных солнечных электростанций, построив демонстрационные проекты Solar One и Solar Two, заложившие основу современных технологий накопления энергии на расплавленных солях. В 1995 году проект One в Барстоу, Калифорния, был модернизирован в демонстрационную башенную солнечную электростанцию Solar Two на расплавленной соли, где впервые в крупных масштабах была использована смесь нитрата натрия и нитрата калия (60% NaNO₃ + 40% KNO₃) в качестве теплоносителя и аккумулирующей среды. Проект был оснащён высокотемпературным контуром циркуляции расплавленной с, включавшим насос холодной соли и насос горячей соли, что стало важной отправной точкой для инженерного применения крупных насосов для расплавленной соли в современном мире. Насосы для расплавленной соли, использовавшиеся в Solar Two, имели вертикальную длинновальную конструкцию: насос устанавливался внутри резервуара для расплавленной соли а рабочее колесо приводилось в действие через длинный вал. Поскольку рабочая температура достигала примерно 565 °C, оборудованию требовалось решать ключевые проблемы высокотемпературного теплового расширения, стабильности вала, коррозии материалов и смазки высокотемпературных подшипников. Соответствующие исследования также способствовали дальнейшему развитию технологий высокотемпературных длинновальных насосов для расплавленной солиДля насоса сверхвысокотемператур расплавленной соли 700 °C необходимо обеспечить прорыв в следующих областях: технология проектирования высокотемпературной гидлической модели для решения проблем снижения КПД и стабильности работы, вызванных изменением свойств расплавленной соли; технология коррозионностойких специальных материалов — разработка никелевых сплавов, высокотемпературных нержавеющих сталей и технологий защиты поверхности; технология высокотемпературных подшиников и смазки для обеспечения надёжности вала в условиях длительной эксплуатации; технология уплотнений без утечек для предотвращения затвердевания расплавленной соли, утечек и отказов оборудования.