■ 王玄驊 陳明強(qiáng) 徐能 毛永夫 熊步青 唐亞平 周慧

(1.浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司; 2.青海中控太陽(yáng)能發(fā)電有限公司)

0 引言

自21世紀(jì)開始以來(lái)，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)一直迅猛。隨著大量實(shí)驗(yàn)與示范項(xiàng)目的建立，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站除了在高熱電效率、低運(yùn)行成本、環(huán)保等方面體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)以外，其眾多高技術(shù)門檻也凸顯出來(lái)。作為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站廉價(jià)、可靠、高效的儲(chǔ)熱介質(zhì)，熔鹽得到了廣泛應(yīng)用。由于熔鹽本身具有凝固點(diǎn)高、粘度隨溫度變化較大、高溫腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此，電站系統(tǒng)對(duì)在熔鹽工況中使用的儀表的設(shè)計(jì)和制造提出了更高的要求。儀表包括流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)等。

在熱力島運(yùn)行過程中，負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)監(jiān)控和控制的分布式控制系統(tǒng)(DCS)需接收現(xiàn)場(chǎng)各類型儀表信號(hào)，并進(jìn)行聯(lián)鎖和判斷，從而保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。在熔鹽工況下，傳統(tǒng)常用的儀表形式和結(jié)構(gòu)明顯表現(xiàn)出能力不足，主要包括設(shè)備高溫、介質(zhì)凝固、難校正，以及材料腐蝕等。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)中，也充分說明了以上問題會(huì)嚴(yán)重影響熔鹽系統(tǒng)流量、壓力和液位的監(jiān)控能力和DCS系統(tǒng)控制，甚至降低整個(gè)電廠的運(yùn)行效率。

針對(duì)以上熔鹽系統(tǒng)的儀表問題，本文從儀表種類展開，重點(diǎn)對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站熔鹽系統(tǒng)儀表的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論研究。

1 熔鹽系統(tǒng)工況

根據(jù)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站系統(tǒng)運(yùn)行的工藝要求，熔鹽系統(tǒng)是整套電站系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。低溫熔鹽流體從冷鹽儲(chǔ)罐進(jìn)入吸熱器，通過吸熱器吸熱升溫后流入熱鹽儲(chǔ)罐，高溫熔鹽流體從熱鹽儲(chǔ)罐通過換熱系統(tǒng)換熱后流入冷鹽儲(chǔ)罐[1]。在這一過程中，熔鹽流體的溫度從低溫290 ℃升溫至565 ℃，然后再降至290 ℃，溫度波動(dòng)范圍較大，熔鹽本身的物質(zhì)特性及運(yùn)行中大的溫度波動(dòng)不可避免地給儀表選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，主要包括以下幾點(diǎn)：

1)高溫性質(zhì)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)大多數(shù)儀表廠家所生產(chǎn)的高溫型儀表耐溫在300～400 ℃之間，但熔鹽系統(tǒng)中熔鹽介質(zhì)的最高溫度可達(dá)到565 ℃以上，這對(duì)儀表結(jié)構(gòu)、傳感部件及電子部件等的耐溫能力提出了更高的要求。

2)低溫凝結(jié)性質(zhì)。太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽系統(tǒng)使用的熔鹽為太陽(yáng)鹽，其成分為硝酸鈉和硝酸鉀混合而成的二元鹽。該種熔鹽從207 ℃開始融化，加熱至290 ℃已基本成為液態(tài)熔鹽[2]。在熔鹽系統(tǒng)中，部分設(shè)備不適合進(jìn)行完全保溫或配置加熱設(shè)備，此時(shí)若選型設(shè)計(jì)不合理或控制不當(dāng)，極有可能造成儀表及附近管道發(fā)生熔鹽凝結(jié)，使儀表傳感裝置與管道中介質(zhì)接觸位置由于介質(zhì)凝固成固體熔鹽而發(fā)生失效。

3)腐蝕性質(zhì)。硝酸鹽為中性鹽，在常溫下無(wú)任何腐蝕性，但在565 ℃高溫下，硝酸鹽會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)氧化性。針對(duì)該特性，除了需考慮儀表制造材料的抗氧化性之外，還需要考慮儀表配套密封件的抗氧化性。

4)鹽霧性質(zhì)。高溫環(huán)境中，熔鹽會(huì)在容器中形成有微小氣化熔鹽液滴的鹽霧。這種鹽霧會(huì)附著在不與熔鹽直接接觸的儲(chǔ)存容器內(nèi)壁及儀表上，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間粘著結(jié)晶后會(huì)出現(xiàn)一層白色的鹽粒結(jié)晶層，該結(jié)晶層會(huì)影響儀表精度甚至導(dǎo)致儀表無(wú)法工作。

2 熔鹽系統(tǒng)儀表選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

熔鹽系統(tǒng)中使用到的儀表種類有流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)、熱電偶。其中，熱電偶選型為K型熱電偶，采用鎧裝形式且配合集熱塊安裝于熔鹽管道外管壁上，與常規(guī)熱電偶使用方式無(wú)異；而流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)均與熔鹽直接或間接接觸[3]。熔鹽系統(tǒng)儀表的選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度主要體現(xiàn)在流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)[4]上。

2.1 流量計(jì)

流量計(jì)是指示被測(cè)流量和在選定時(shí)間間隔內(nèi)流體總量的儀表，不僅是作為檢測(cè)和控制整套系統(tǒng)運(yùn)行狀況和效率的依據(jù)，也是標(biāo)定其他儀表和設(shè)備等的主要工具之一。因此，熔鹽流量計(jì)在整套熔鹽系統(tǒng)中較為重要。

流量計(jì)可依據(jù)力學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)及其他(原子物理、示蹤等)不同測(cè)量原理進(jìn)行分類。下文主要對(duì)在熔鹽中進(jìn)行過測(cè)試和應(yīng)用的流量計(jì)進(jìn)行說明。

2.1.1 力學(xué)原理流量計(jì)

所有根據(jù)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的流量計(jì)均涉及到了流體介質(zhì)壓力、密度、粘度等物理性質(zhì)方面的計(jì)算，因此，儀表精度會(huì)受到高溫工況及電站所在地太陽(yáng)能輻射、天氣等不穩(wěn)定因素的影響。

以靶式流量計(jì)為例，其工作原理為流體沖擊流量計(jì)靶板，帶動(dòng)靶桿，使感應(yīng)端接收到力的作用，從而測(cè)得流量參數(shù)。其原理如式(1)所示：

式中，Qv為實(shí)際流量值；α為流量系數(shù)；β為靶徑與管徑的直徑比；ρ為介質(zhì)密度；F為靶板受到的力[5]。

由式(1)可以看出，影響流量計(jì)工作的主要是流量系數(shù)、靶徑與管徑的直徑比和介質(zhì)密度這3項(xiàng)數(shù)據(jù)。其中，靶徑與管徑的直徑比為恒定值；介質(zhì)密度可查閱熔鹽物性表得到；而流量系數(shù)的影響因素為靶徑與管徑的直徑比和雷諾數(shù)Re，具體關(guān)系如圖1[6]所示。

圖1 α、β、Re三者關(guān)系圖(D=50 mm)

根據(jù)過去實(shí)驗(yàn)和工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，熔鹽系統(tǒng)的Re最小值出現(xiàn)在系統(tǒng)工藝最低溫度290 ℃左右。由于熔鹽粘度較低，計(jì)算Re值分布均大于105數(shù)量級(jí)以上，且隨著溫度升高，Re值會(huì)持續(xù)上升，直至565 ℃時(shí)，Re值約為1.3×106。從圖1可以看出，對(duì)于口徑D=50 mm的靶式流量計(jì)，當(dāng)Re＞2000時(shí)，α值趨向于恒定值。因此，式(1)中的可變因素為熔鹽的介質(zhì)密度ρ，該類型流量計(jì)通過溫度校正可在理論上保證能夠使用。

然而，力學(xué)原理流量計(jì)會(huì)受到熔鹽凝結(jié)特性的致命性影響。例如，差壓流量計(jì)的取壓部位、靶式流量計(jì)的靶桿區(qū)域等。此類流量計(jì)的傳感測(cè)量部件、流量計(jì)與管道交接位置若出現(xiàn)外部環(huán)境異常(外部溫度過低)、保溫工作未做到位或連續(xù)陰天長(zhǎng)期停機(jī)的情況，極可能發(fā)生局部熔鹽凝固現(xiàn)象。在下次系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，該處流量計(jì)設(shè)備會(huì)在充分預(yù)熱完成或高溫熔鹽沖刷融化前失去工作能力，更嚴(yán)重的情況可能會(huì)導(dǎo)致堵管。

綜上所述，常規(guī)力學(xué)原理流量計(jì)對(duì)于熔鹽系統(tǒng)的適用度不高。

2.1.2 超聲波流量計(jì)

超聲波流量計(jì)是利用聲學(xué)原理來(lái)測(cè)定流過管道的流體的流速。它主要由超聲波換能器、電子電路及流量顯示和計(jì)算系統(tǒng)3部分組成。超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，將其發(fā)射并穿過被測(cè)流體；接收器接收到超聲波信號(hào)，經(jīng)過電子電路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供設(shè)備儀表顯示和其他流量數(shù)據(jù)計(jì)算[7]。

相對(duì)于其他流量計(jì)，超聲波流量計(jì)的計(jì)算原理較為簡(jiǎn)單直觀。其中，管道直射式超聲波流量計(jì)的示意圖如圖2所示。

圖2 管道直射式超聲波流量計(jì)示意圖

管道直射式超聲波流量計(jì)原理的計(jì)算式為：

式中，V為流體流速；L為測(cè)量探頭間距；X為測(cè)量探頭水平距離(管道流量方向)；t1為超聲波上游傳輸時(shí)間；t2為超聲波下游傳輸時(shí)間[8]；c為當(dāng)前工況條件下的聲速。

從式(2)、式(3)可以看出，超聲波流量計(jì)的計(jì)算過程與熔鹽性質(zhì)基本無(wú)關(guān)。但超聲波流量計(jì)設(shè)備部件和結(jié)構(gòu)選型仍需注意熔鹽高溫等問題。

超聲波流量計(jì)有外夾式和管道式2種。外夾式流量計(jì)的探頭直接安裝夾持在管道外部，超聲波在使用時(shí)先穿透管壁，經(jīng)過流動(dòng)介質(zhì)后再次穿透管壁到達(dá)另一端探頭[9]。這一過程中，聲波在穿透管壁時(shí)，折射率會(huì)由于介質(zhì)高溫及環(huán)境溫度的不穩(wěn)定而產(chǎn)生變化，導(dǎo)致聲波傳播折射角度發(fā)生偏移，測(cè)量信號(hào)可能產(chǎn)生斷點(diǎn)。管道式超聲波流量計(jì)探頭等部分直接與熔鹽接觸，而傳統(tǒng)探頭和耦合材料的耐溫能力普遍在200～300 ℃之間，無(wú)法承受565 ℃高溫的熔鹽，因此，設(shè)備需考慮選用專門的耐高溫材料，如高溫陶瓷等。目前世界上有能力生產(chǎn)高溫材料探頭的供應(yīng)商較少，國(guó)外的廠家主要有德國(guó)科隆、美國(guó)GE公司等，以上公司生產(chǎn)的流量計(jì)已正式投入商業(yè)電站運(yùn)行中；然而，國(guó)內(nèi)超聲波流量計(jì)尚處于產(chǎn)品空白階段[10]。從技術(shù)角度比較，管道式比外夾式相對(duì)更可靠。

此外，熔鹽在高溫狀態(tài)下的腐蝕性也不容忽視。外夾式超聲波流量計(jì)不與熔鹽直接接觸，不存在流量計(jì)腐蝕問題。而管道式超聲波流量計(jì)存在法蘭結(jié)構(gòu)部位，法蘭連接處的緊固件/墊片等極有可能因熔鹽腐蝕產(chǎn)生泄露等問題。針對(duì)以上問題，管道式超聲波流量計(jì)需選用可靠的密封方式和墊片，以避免因高溫熔鹽強(qiáng)氧化性腐蝕而產(chǎn)生泄漏等問題。

2.1.3 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)是利用非流線型阻流體插入測(cè)量管中，對(duì)流動(dòng)液體進(jìn)行擾流，從而形成有規(guī)律的渦流，再用檢測(cè)元件對(duì)這些渦流進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行計(jì)算，從而得出流量值[3]。

以渦街流量計(jì)的圓柱形渦流發(fā)生器為例，其渦流穩(wěn)定條件和流速測(cè)量公式為：

式中，h為渦列寬度；L1為同列相鄰漩渦間距。公式(4)取決于渦流發(fā)生器的形狀，不同形狀情況下，公式(4)會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。

式中，f為漩渦發(fā)生頻率；St為斯特勞哈爾數(shù)；d為渦流發(fā)生器直徑(圓柱形)[1,11]。

式(5)中，f和d均為可控因素；St值與Re值相關(guān)，即當(dāng)Re＜2×104時(shí)，St值為變數(shù)，當(dāng)Re在 2×104～7×106范圍內(nèi)時(shí)，St基本不變[12]。根據(jù)文中熔鹽系統(tǒng)的Re參考值可以確定，渦流發(fā)生器的St值基本不變。而在熔鹽系統(tǒng)實(shí)際使用中，渦流發(fā)生器上雖然可能殘留系統(tǒng)上次運(yùn)行中未完全排盡的掛壁熔鹽，但因?yàn)闇u流發(fā)生器是以開放形式存在的，殘留熔鹽可以在熔鹽流體中快速融化，使流量計(jì)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。由此可判斷渦流發(fā)生器部分可以在熔鹽系統(tǒng)中正常工作。

流量計(jì)另一部分——渦流信號(hào)檢測(cè)元件，其處于渦流發(fā)生器下游，負(fù)責(zé)檢測(cè)漩渦發(fā)生的頻率。目前渦流信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要有：應(yīng)力式、電容式、熱敏式、超聲式、振動(dòng)式、光電式[1]。其中，應(yīng)力式、電容式、振動(dòng)式、光電式基本原理均是由渦流產(chǎn)生壓力引起渦流信號(hào)變化，類似結(jié)構(gòu)存在一定缺陷，抗凝結(jié)和耐溫能力均有所不足。而熱敏式雖然在原理上不感應(yīng)壓力信號(hào)，但由感應(yīng)局部流量變化說明其感應(yīng)元件仍需與介質(zhì)直接接觸，因此，也可能產(chǎn)生凝固風(fēng)險(xiǎn)。超聲式感應(yīng)元件直接利用渦流對(duì)聲波傳導(dǎo)的干擾頻率進(jìn)行計(jì)算，選型和結(jié)構(gòu)可參考前文外夾式超聲波流量計(jì)探頭，其外夾結(jié)構(gòu)避免了熔鹽凝結(jié)，而探頭的耐高溫問題也已經(jīng)得到解決。

現(xiàn)階段渦街流量計(jì)大多用于實(shí)驗(yàn)裝置當(dāng)中，在商業(yè)電站熔鹽系統(tǒng)中尚未大量使用。但根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)和文獻(xiàn)研究表明，該儀表測(cè)量精度在外夾式超聲波流量計(jì)和管道式超聲波流量計(jì)之間，僅次于管道式超聲波流量計(jì)[13]。

2.2 壓力表

壓力表是用于測(cè)量和指示工業(yè)系統(tǒng)環(huán)境壓力的儀表，應(yīng)用非常普遍，在太陽(yáng)能熱發(fā)電站熔鹽系統(tǒng)中，其同樣是不可或缺的重要測(cè)量設(shè)備之一，主要功能為檢測(cè)熔鹽管路、部分熔鹽儲(chǔ)罐的壓力。流量計(jì)相同，熔鹽的高溫和凝固特性導(dǎo)致常規(guī)性儀表不能滿足熔鹽工況對(duì)壓力表的特殊需求，熔鹽壓力表的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也需特殊考慮。

隔膜式壓力表通過壓力表隔膜將工作介質(zhì)和導(dǎo)壓介質(zhì)隔離，在原理上較適用于工況相對(duì)苛刻的腐蝕性介質(zhì)中。該類壓力表可以考慮應(yīng)用于高溫熔鹽系統(tǒng)中，隔膜材料可選用鉭等耐高溫、耐腐蝕的金屬材料；中間導(dǎo)壓介質(zhì)通常使用硅油，但即便是專門耐熱的高溫硅油也難以承受565 ℃的高溫(國(guó)內(nèi)高溫硅油最高耐受溫度約為350 ℃，國(guó)外高溫硅油最高耐受溫度約為400 ℃)。從這點(diǎn)可以看出，隔膜式壓力表導(dǎo)壓介質(zhì)的耐溫能力是該種壓力表能否使用最為關(guān)鍵的因素。

2.2.1 鈉鉀合金介質(zhì)

鈉鉀合金是鈉和鉀的合金，常溫狀態(tài)下為液體，不同配比情況下的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)均不相同。熔點(diǎn)最低的鈉鉀合金(鉀含量為78%、鈉含量為22%)的熔點(diǎn)為-12.6 ℃、沸點(diǎn)為785 ℃，過去其主要是用作冷卻劑、催化劑和干燥劑。

-12.6～785 ℃的液態(tài)溫度范圍使鈉鉀合金非常適合作為熔鹽工況下新型隔膜式壓力表的導(dǎo)壓介質(zhì)，其溫度區(qū)間完全囊括了熔鹽工藝溫度范圍。-12.6 ℃的熔點(diǎn)溫度不僅適用于正常廠房的環(huán)境溫度，即便是在環(huán)境溫度極低(最低溫度可達(dá)到-30 ℃以下)的高海拔區(qū)域，也可以通過安裝在管路和設(shè)備上的電加熱設(shè)備進(jìn)行加熱升溫，短時(shí)間內(nèi)融化并達(dá)到正常工作狀態(tài)。

一般來(lái)說，隔膜式壓力表是以法蘭形式安裝于管道上的，但這種凹陷結(jié)構(gòu)不但可能成為熔鹽系統(tǒng)泄漏的隱患，還有可能使隔膜和介質(zhì)接觸的地方發(fā)生熔鹽掛壁堵塞，導(dǎo)致儀表失效。為了避免發(fā)生這種情況，需對(duì)壓力表專門設(shè)計(jì)帶可插入擴(kuò)散膜片的法蘭式隔膜密封方式[14]，具體構(gòu)造如圖3所示。

圖3 可插入擴(kuò)散膜片的法蘭式鈉鉀合金介質(zhì)隔膜式壓力表

這種開放式凸出的膜片可以保證即便有熔鹽凝結(jié)在膜片上，也能及時(shí)在熔鹽的沖刷下短時(shí)間內(nèi)融化附著在表面的熔鹽。

然而，鈉鉀合金還有很強(qiáng)的還原性，介質(zhì)一旦遇到空氣和水會(huì)迅速發(fā)生燃燒甚至爆炸。在工業(yè)系統(tǒng)中，任何存在安全隱患的設(shè)備都需要進(jìn)行嚴(yán)格的安全認(rèn)證和日常檢查。鈉鉀合金本身就存在燃燒甚至爆炸的可能，一旦儀表內(nèi)部發(fā)生泄漏，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重事故，況且熔鹽在高溫下本身就具有強(qiáng)氧化性[15]。

2.2.2 低溫熔鹽介質(zhì)

以低溫熔鹽介質(zhì)作為導(dǎo)壓介質(zhì)的方案，理論上也存在于壓力表的研究中。低溫熔鹽介質(zhì)低熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)特性的優(yōu)越性僅次于鈉鉀合金介質(zhì)，并且其暴露于外界不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，安全性遠(yuǎn)高于鈉鉀合金介質(zhì)。在當(dāng)今業(yè)界，北京工業(yè)大學(xué)研發(fā)了低熔點(diǎn)混合熔鹽介質(zhì)，其熔點(diǎn)為83.7 ℃，沸點(diǎn)可達(dá)到592.9 ℃[16]。

低溫熔鹽介質(zhì)隔膜式壓力表與鈉鉀合金介質(zhì)隔膜式壓力表在總體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)基本相同，功能上可以做到正常運(yùn)行，但在實(shí)際工況中使用還是稍顯不足。熔鹽由于膨脹量較大，當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)期停運(yùn)時(shí)，膜盒中填充的低溫熔鹽介質(zhì)會(huì)自然凍結(jié)，膜盒填充液密封區(qū)域耐膨脹能力不足，膨脹的熔鹽極有可能毀壞膜盒；另外，若要在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)對(duì)膜盒內(nèi)凝固的熔鹽進(jìn)行融化，83.7 ℃熔點(diǎn)的熔鹽也需要長(zhǎng)時(shí)間的熔化過程。

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由于熔鹽介質(zhì)的特殊性，目前該種壓力表在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中使用較少，產(chǎn)品尚未成熟。

2.2.3 改造儀表結(jié)構(gòu)

通過優(yōu)化儀表結(jié)構(gòu)來(lái)保證儀表正常工作。優(yōu)化結(jié)構(gòu)采用延長(zhǎng)管降溫的辦法，熔鹽介質(zhì)從流動(dòng)管道中進(jìn)入延長(zhǎng)管，并通過延長(zhǎng)管散熱，在到達(dá)儀表隔膜前使熔鹽溫度降到壓力表導(dǎo)壓介質(zhì)高溫硅油的安全工作溫度以下。然而，壓力表僅考慮延長(zhǎng)管降溫是不夠的，復(fù)雜的工況和外部環(huán)境很可能導(dǎo)致降溫過快，使溫度低的熔鹽易凝固在延長(zhǎng)管中。針對(duì)可能發(fā)生的熔鹽凝固問題，對(duì)延長(zhǎng)裝置配置了保溫層、熱電偶及電伴熱設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力表溫度的準(zhǔn)確控制，保證壓力表法蘭隔膜處的介質(zhì)溫度控制在導(dǎo)壓介質(zhì)高溫硅油的耐受溫度范圍內(nèi)，且不產(chǎn)生熔鹽凝固問題[17]。帶延長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)的隔膜式壓力表的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

改造儀表通過延長(zhǎng)管進(jìn)行介質(zhì)降溫，通過加熱裝置及控溫裝置進(jìn)行嚴(yán)格溫度控制，原理簡(jiǎn)單、易于操作且成本相對(duì)較低?，F(xiàn)今這種配置延長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)的隔膜式壓力表已在多數(shù)實(shí)際的太陽(yáng)能熱發(fā)電站中運(yùn)用。

圖4 帶延長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)的隔膜式壓力表

2.3 液位計(jì)

熔鹽液位計(jì)作為整個(gè)系統(tǒng)熔鹽量的測(cè)量設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)可靠運(yùn)行等具有重要的作用。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，熔鹽液位計(jì)的作用主要是測(cè)量各類設(shè)備中熔鹽的液位值，如熔鹽儲(chǔ)罐等。以下介紹幾種實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目中使用到的熔鹽液位計(jì)。

2.3.1 磁翻板液位計(jì)

磁翻板液位計(jì)又稱為磁浮子式液位計(jì)，原理是儀表浮子或浮筒隨液位升降而上下浮動(dòng)，通?？梢跃偷仫@示或?qū)⒁何恍畔⑥D(zhuǎn)換成電子信號(hào)傳輸[3]。磁翻板液位計(jì)的類型眾多，但熔鹽性質(zhì)決定了液位計(jì)本體不適合與熔鹽進(jìn)行直接接觸。比如側(cè)裝式磁翻板液位計(jì)需要引導(dǎo)介質(zhì)進(jìn)入和接觸液位計(jì)本體，因此此類磁翻板液位計(jì)無(wú)法在熔鹽系統(tǒng)中使用。磁翻板液位計(jì)需將浮子所受之力直接作用于容器本體，帶動(dòng)簡(jiǎn)單的機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)從而進(jìn)行指示。

2.3.1.1 鋼帶式磁翻板液位計(jì)(內(nèi)浮標(biāo))

鋼帶式磁翻板液位計(jì)采用2個(gè)定滑輪、鋼帶及浮球組成滑輪系統(tǒng)，浮球隨液位變化帶動(dòng)磁性指針指示液位[3]。這種液位計(jì)除了浮球以外均不與熔鹽接觸，但由于其傳遞鋼帶本身為金屬結(jié)構(gòu)，高溫狀況下可能會(huì)產(chǎn)生熱膨脹拉伸，若儲(chǔ)罐容器高度過高，可能會(huì)產(chǎn)生較大的精度誤差。

需要注意的是，浮球原理性設(shè)計(jì)需以水為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，否則液位計(jì)運(yùn)行前無(wú)法調(diào)試?？傮w而言，鋼帶式磁翻板液位計(jì)在熔鹽系統(tǒng)中的適用性較高。

2.3.1.2 頂裝式磁翻板液位計(jì)

頂裝式磁翻板液位計(jì)的原理與鋼帶式液位計(jì)類似，其安裝于設(shè)備頂部，并采用支撐管來(lái)傳遞液位信息[3]。然而由于采用金屬支撐管，溫度的變化同樣會(huì)引起金屬的線性膨脹，從而帶來(lái)一定的測(cè)量誤差。

此外，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，頂裝式磁翻板液位計(jì)還存在以下問題：1)磁翻板為頂裝式結(jié)構(gòu)，意味著液位計(jì)安裝后，其頂部高度將為設(shè)備高度的2倍，而在太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，儲(chǔ)罐高度普遍在10 m以上，高度的增加無(wú)疑會(huì)增加廠房等的投入成本。因此，頂裝式磁翻板液位計(jì)多使用于小型設(shè)備上。2)熔鹽本身會(huì)產(chǎn)生鹽霧，液位計(jì)支撐管表面長(zhǎng)時(shí)間處于鹽霧環(huán)境下容易形成鹽粒結(jié)晶層，從而導(dǎo)致支撐管在移動(dòng)時(shí)容易被結(jié)晶層卡住，使液位計(jì)無(wú)法正常工作。頂裝式磁翻板液位計(jì)在使用時(shí)應(yīng)定期對(duì)其進(jìn)行結(jié)晶層清潔，如考慮配置電伴熱或加入自清潔系統(tǒng)。

盡管頂裝式磁翻板液位計(jì)能夠在熔鹽系統(tǒng)中使用，但使用條件要比鋼帶式磁翻板液位計(jì)苛刻。

2.3.2 雷達(dá)液位計(jì)

雷達(dá)液位計(jì)采用電磁波原理進(jìn)行液位測(cè)量，一般安裝于設(shè)備頂部。工作時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)向被測(cè)液面發(fā)射微波，再接收液面反射的回波，并通過比較得出該波束經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出測(cè)量空高和實(shí)際液位。雷達(dá)液位計(jì)的計(jì)算式為[1]：

式中，L2為當(dāng)前實(shí)際液位；H為儲(chǔ)罐容器高度；Vr為光速(影響光速的介電常數(shù)受溫度影響極小，可視為常數(shù))；t為儀表發(fā)射和接收到微波的間隔時(shí)間。

在實(shí)際使用中，雷達(dá)液位計(jì)采用頂裝式安裝，避免了儀表和介質(zhì)的直接接觸。盡管雷達(dá)液位計(jì)不直接接觸熔鹽，但是依然存在高溫問題，液位計(jì)發(fā)射振子、電子電路等設(shè)備建議采用耐高溫材料。若部件耐高溫能力有限，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮重新進(jìn)行外部環(huán)境改造或安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)解決方案主要是配置空壓系統(tǒng)進(jìn)行氮風(fēng)吹掃從而降溫。

此外，雷達(dá)液位計(jì)也存在鹽霧凝結(jié)問題。類似頂裝式磁翻板液位計(jì)，大量的鹽霧凝結(jié)會(huì)在雷達(dá)液位計(jì)位于儲(chǔ)罐內(nèi)部的部分形成鹽粒結(jié)晶層，鹽粒結(jié)晶層會(huì)降低雷達(dá)液位計(jì)的精度，甚至導(dǎo)致液位計(jì)徹底失效；尤其是雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射口，其外型為喇叭形狀，難以配置自清潔系統(tǒng)。對(duì)于鹽霧凝結(jié)問題，通常的做法是定期清潔，以保證發(fā)射口處的表面清潔。

在實(shí)際安裝使用過程中，雷達(dá)液位計(jì)對(duì)熔鹽系統(tǒng)也提出了較高的要求。在熔鹽系統(tǒng)中，設(shè)備內(nèi)部不可避免地會(huì)使用到熱電偶、插入式電加熱器、其他形式液位計(jì)等，這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)易成為雷達(dá)微波信號(hào)傳導(dǎo)過程中的阻礙。因此，除了雷達(dá)液位計(jì)的安裝使用過程對(duì)雷達(dá)液位計(jì)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提出更高的要求以外，選擇發(fā)射角角度較小和配置導(dǎo)波管的雷達(dá)液位計(jì)也可以避免干擾問題。

目前，國(guó)外雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)品使用較多，生產(chǎn)廠家主要有德國(guó)科隆、西門子等，特點(diǎn)是耐溫能力可靠且發(fā)射角小。

2.3.3 激光液位計(jì)

激光液位計(jì)的工作原理與雷達(dá)液位計(jì)基本相同，其半導(dǎo)體激光發(fā)射器發(fā)出連續(xù)的高速脈沖光束，在被測(cè)液面反射接收后得出時(shí)間差，從而計(jì)算出液位高度[3]。

激光的高速脈沖光束與常規(guī)雷達(dá)液位計(jì)的微波有本質(zhì)性的區(qū)別，這也使激光液位計(jì)更適用于熔鹽系統(tǒng)。激光本身不僅有不受氣體密度、溫度影響的優(yōu)點(diǎn)，而且其穿透能力極強(qiáng)，可以在高溫視窗隔離的情況下進(jìn)行液位測(cè)量[3]。高溫視窗的存在解決了雷達(dá)液位計(jì)受鹽霧干擾的問題，并且大幅降低了維護(hù)檢修的工作量和危險(xiǎn)性。另外，激光束有不發(fā)散的物理特性，測(cè)量過程中發(fā)射角近于0°，可最大程度降低測(cè)量過程的干擾。

3 結(jié)論

本文針對(duì)各種儀表的工作原理、結(jié)構(gòu)，以及在實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目中的應(yīng)用情況，分析了工業(yè)測(cè)量?jī)x表在高、低溫熔鹽工況時(shí)面對(duì)的各類問題，并進(jìn)行了簡(jiǎn)要的研究和解決方案的可行性討論。結(jié)果表明，現(xiàn)階段流量計(jì)、壓力表、液位計(jì)最為成熟的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如下：

1)熔鹽流量計(jì)：超聲波流量計(jì)憑借直觀簡(jiǎn)單的測(cè)量計(jì)算原理及較低的測(cè)量誤差，性能優(yōu)于其他原理的流量計(jì)；渦街流量計(jì)若采用耐高溫超聲探頭，也可作為檢測(cè)熔鹽流量的一種可靠手段。

2)熔鹽壓力表：可以采用配置延長(zhǎng)裝置和溫控功能的隔膜式壓力表，既可保證使用中壓力表導(dǎo)壓介質(zhì)不會(huì)超溫?fù)]發(fā)，也可確保與隔膜接觸處的熔鹽不會(huì)低溫凍結(jié)。鈉鉀合金介質(zhì)或其他導(dǎo)壓介質(zhì)隔膜式壓力表雖然在原理上可行，但實(shí)際應(yīng)用的可靠性尚待驗(yàn)證。

3)熔鹽液位計(jì)：主流測(cè)量方式為雷達(dá)液位計(jì)，其非接觸式的特點(diǎn)適用于熔鹽工況。激光液位計(jì)原理上與雷達(dá)液位計(jì)較為相似，但缺少實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用驗(yàn)證。