徐燦君，羅曉梅，曾 勇，王佳明，廖 鍔，顏 彪

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

二元熔鹽(60%NaNO3+40%KNO3)在集熱管內(nèi)吸熱能夠達(dá)到更高的集熱溫度，且保持成分穩(wěn)定，獲得更大的儲(chǔ)熱容量，使得汽輪機(jī)在做功中獲得更高的朗肯循環(huán)效率。在線性菲涅爾式光熱電站中，利用二元熔鹽作為吸熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)，可以獲得更高的生產(chǎn)效率，日益受到人們的關(guān)注和重視。針對高溫熔鹽在管道外部的流動(dòng)換熱已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究[1]，研究重點(diǎn)傾向于換熱過程。熔鹽在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的流動(dòng)和傳熱特性與所產(chǎn)蒸汽的過冷度和過熱度有關(guān)[2]。

二元熔鹽在線性菲涅爾集熱場多個(gè)集熱回路間[3]的流量能否趨于平衡，其重點(diǎn)在于多個(gè)集熱回路間的阻力特性；且二元熔鹽易凝固與高溫存在腐蝕的特性，集熱回路間的阻力特性，決定了多個(gè)集熱回路出口熔鹽溫度的偏差，對于熔鹽線性菲涅爾光熱電站的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，對集熱回路異程與同程布置的熔鹽流動(dòng)阻力特性進(jìn)行研究。

1 熔鹽線性菲涅爾集熱場

1.1 熔鹽線性菲涅爾集熱場的概況

以國內(nèi)某熔鹽線性菲涅爾光熱發(fā)電工程為例，集熱場分為東區(qū)、西區(qū)，每區(qū)各布置40個(gè)菲涅爾集熱回路。冷熔鹽從熔鹽泵出口，通過冷熔鹽母管，經(jīng)由三通分至東區(qū)、西區(qū)，再分配給各菲涅爾集熱回路，290℃的冷熔鹽在集熱回路的集熱管內(nèi)被加熱到550℃，匯集到熱熔鹽母管，最后流回?zé)崛埯}罐。

每個(gè)菲涅爾集熱回路由267根冷態(tài)長度為4 060 mm的集熱管線性組焊而成，集熱管熔鹽流通內(nèi)徑為82 mm。

在集熱場的集熱回路布置時(shí)，可以采用異程布置或同程布置。兩者的差異在于介質(zhì)的流動(dòng)順序，異程布置的特點(diǎn)為先進(jìn)先出、同程布置的特點(diǎn)為先進(jìn)后出，如圖1所示。

圖1 異程布置與同程布置

在建模研究時(shí)，由于東區(qū)、西區(qū)對稱布置，故僅以東區(qū)1-40集熱回路為研究對象。

1.2 研究邊界條件

為便于對熔鹽從熔鹽泵加壓、分流至每個(gè)集熱回路、加熱、匯集到熱熔鹽母管的流程仿真模擬，設(shè)定如下邊界條件：

1)熔鹽流動(dòng)為管內(nèi)滿管流，不考慮局部存在堵塞、氣泡等；

2)忽略場地坡度、管道坡度；

3)所有熔鹽流經(jīng)的通道按靜止?fàn)顟B(tài)考慮，集熱回路長度按進(jìn)、出口的平均溫度下的膨脹后長度考慮；

4)不考慮熔鹽被加熱時(shí)產(chǎn)生徑向浮升剪切力對熔鹽軸向流動(dòng)的影響；

5)不考慮多個(gè)集熱回路間反射鏡的污垢系數(shù)差異[4]；

6)熔鹽物性按已公布的二元熔融鹽熱物性的測量方法[5]提供的物性考慮，不考慮雜質(zhì)或其他均勻性問題。

2 異程與同程布置模型

2.1 控制方程

線型菲涅爾電站的熔鹽流動(dòng)過程(同程)如圖2所示，其阻力分析可以用伯努利方程進(jìn)行。

圖2 線性菲涅爾光熱電站集熱場熔鹽流程示意圖

分別在冷熔鹽罐和熱熔鹽罐選取1、2計(jì)算斷面，以此建立伯努利方程[6]，如式(1)所示。

(1)

式中：z為計(jì)算斷面的位置高度，m；p為計(jì)算斷面的絕對壓強(qiáng)，Pa；α為計(jì)算斷面的動(dòng)能修正系數(shù)；v為計(jì)算斷面的平均流速，m/s；Hm為流體通過流體機(jī)械獲得的水頭，m；H1為兩個(gè)計(jì)算面間流體的水頭損失，m。

作為線性集熱的方式，熔鹽在整個(gè)吸熱流程的水頭損失以沿程阻力損失(直管段粘滯阻力)和局部阻力損失(閥門、彎頭、三通等阻力)，為滿足管道膨脹要求設(shè)置多個(gè)π彎補(bǔ)償，表1列出了熔鹽流經(jīng)異程與同程布置管路的主要參數(shù)。

通過表1可以看出同程布置與異程布置的差異：同程布置主要是將管段2進(jìn)行折返布置，該管段的長度和彎頭數(shù)量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于異程布置。

表1 異程與同程布置的管路參數(shù)

2.2 異程與同程建模

如圖1和圖2所示，熔鹽從冷熔鹽泵出口，經(jīng)由異程或同程布置冷熔鹽母管、多個(gè)并列的菲涅爾集熱回路、熱熔鹽母管，最后進(jìn)入熱熔鹽罐的過程中，僅在冷熔鹽母管和集熱回路的布置方案不同。根據(jù)式(1)，兩種布置的1-1、2-2截面等外部邊界條件相同時(shí)，異程布置與同程布置的管路阻力差異，最終體現(xiàn)在通菲涅爾集熱回路入口-出口的壓力差值。

根據(jù)同程布置的物理模型，考慮集熱場可能遇到防凝工況、低輻照工況、額定運(yùn)行工況、高輻照工況，設(shè)定多個(gè)集熱回路出口熔鹽溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值550℃，對熔鹽泵的流量進(jìn)行設(shè)定，使得集熱管內(nèi)熔鹽的流速分別對應(yīng)設(shè)為0.8、1.2、1.5、1.8 m/s，建立熔鹽流動(dòng)全過程阻力的仿真模型。

為簡化研究并形成對比，僅考慮異程布置的額定運(yùn)行工況，即對集熱管內(nèi)熔鹽的流速設(shè)置為1.5 m/s進(jìn)行模擬。

3 模擬分析及實(shí)際運(yùn)行情況

3.1 模擬結(jié)果分析

對同程布置的集熱管內(nèi)熔鹽流速分別為0.8、1.2、1.5、1.8 m/s、異程布置的集熱管內(nèi)熔鹽流速為1.5 m/s的集熱回路入口-出口的壓力差值進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3所示，在流速為1.5 m/s的異程布置時(shí)，1-40集熱回路的入口-出口最小壓差值為1.23 MPa、最大壓差值達(dá)到2.24 MPa，逐漸遞增。流速分別為0.8、1.2、1.5、1.8 m/s的同程布置時(shí)，1-40集熱回路的入口-出口的壓力差值的偏差均小于0.19 MPa。

圖3 異程與同程布置集熱回路入口-出口壓差模擬

異程布置時(shí)，熔鹽進(jìn)入第40回路的壓頭最大，且流到熱熔鹽罐的阻力最??；熔鹽進(jìn)入第1回路的壓頭最小，且流到熱熔鹽罐的阻力最大，導(dǎo)致第1回路到第40回路的入口-出口壓差值依次遞增。不同回路的入口-出口壓差值偏差較大，造成熔鹽流入不同回路的流量將不平衡，在同樣的太陽輻照強(qiáng)度下，勢必造成集熱回路出口熔鹽溫度的較大偏差，對運(yùn)行極其不利。

采用同程布置時(shí)，熔鹽進(jìn)入第40回路的壓頭最小，且流到熱熔鹽罐的阻力最??；熔鹽進(jìn)入第1回路的壓頭最大，且流到熱熔鹽罐的阻力最大，使得第1回路到第40回路入口-出口壓差值相差極小。熔鹽流入不同回路的流量基本平衡，在同樣的太陽輻照強(qiáng)度下，集熱回路出口熔鹽溫度偏差度很小。

3.2 同程模擬與實(shí)際運(yùn)行情況對比

由于在實(shí)際運(yùn)行中，儀表測量的熔鹽壓力值存在一定的誤差，為了驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，以測量誤差較小的集熱回路熔鹽進(jìn)入口、出口熔鹽溫度和的入口-出口壓差值作為比較對象。

根據(jù)國內(nèi)某熔鹽線性菲涅爾光熱項(xiàng)目同程布置的東區(qū)的運(yùn)行實(shí)際情況，東區(qū)1-40回路的入口側(cè)熔鹽調(diào)節(jié)閥全開，集熱回路出口熔鹽溫度程序設(shè)定為540℃，且此時(shí)集熱管內(nèi)熔鹽流速約為1.5 m/s，對集熱回路入口、出口熔鹽溫度記錄。將上述溫度數(shù)據(jù)與集熱場同程布置時(shí)集熱回路的入口-出口壓差值進(jìn)行對比，如圖4所示。

圖4 同程布置的集熱回路入口-出口壓差模擬與實(shí)際運(yùn)行入口、出口熔鹽溫度

在相同的熔鹽流速時(shí)，同程布置的1-40回路集熱回路入口-出口壓差模擬與實(shí)際運(yùn)行的入口、出口溫度值趨勢基本一致，在多個(gè)回路不單獨(dú)進(jìn)行調(diào)節(jié)閥動(dòng)作前提下，集熱回路的出口熔鹽溫度偏差小于3%(即溫度偏差小于16℃)。

4 結(jié) 語

通過對本文提出的線性菲涅爾光熱電站集熱場異程與同程布置的熔鹽流動(dòng)阻力模擬，對照實(shí)際運(yùn)行的集熱回路出口熔鹽溫度，可得出以下結(jié)論：

1)通過模擬分析得出，異程布置時(shí)，多個(gè)集熱回路的入口-出口壓差值的偏差較大，集熱回路間流量分配較難平衡。

2)同程布置時(shí)，多個(gè)集熱回路的入口-出口壓差值偏差度小，有利于集熱回路間的流量平衡和出口熔鹽溫度平衡。

3)國內(nèi)某熔鹽線性菲涅爾光熱發(fā)電項(xiàng)目同程布置的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，多個(gè)集熱回路間的出口熔鹽溫度偏差小，集熱場的運(yùn)行控制便捷，可減少因多個(gè)集熱回路間的出口熔鹽溫度偏差較大造成的棄光，增加光熱電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。