高溫熔鹽泵底座支撐鋼架溫度場的數值模擬

胡日骍 曾柱楷 曾 勇 吳旺松 徐燦君 廖 鍔 張立棟

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司；2.東北電力大學能源與動力工程學院）

高溫熔鹽泵是以熔鹽為傳送介質的泵，廣泛應用于核電、化工及太陽能等領域。 目前，國內太陽能光熱發(fā)電項目正處于高速發(fā)展期，在太陽能光熱發(fā)電中，熔鹽泵長期在270～550 ℃高溫工況下運行，在核電領域，熔鹽介質溫度甚至可高達700～750 ℃［1，2］。 由于熔鹽泵長期在高溫工況下運行，因此需要密切關注其工作性能和安全性。

影響熔鹽泵工作性能的因素很多，例如熔鹽相態(tài)、粘度及泵結構等。 通常，熔鹽泵輸送的介質為完全熔融的鹽， 當溫度降低析出結晶顆粒時，泵內流動由單相流轉為鹽析兩相流，析出的顆粒對熔鹽泵工作性能有很大的影響。 邵春雷等通過實驗和數值模擬研究分析了晶體顆粒在熔鹽泵內的體積分數分布特性，以及顆粒直徑、密度及泵葉片數對熔鹽泵外特性和內部流動的影響規(guī)律［3～5］。為了研究不同粘度液體下熔鹽泵的外部性能和內部流動，SHAO C L 等采用數值模擬方法研究了熔鹽泵在不同粘度液體時的非穩(wěn)態(tài)流動，定量地闡明了不同粘度液體下熔鹽泵的非穩(wěn)態(tài)流動特性［6，7］。

此外， 保障熔鹽泵安全運行也極為重要，為保障熔鹽泵工作的安全性，泵的受力特性、泵材料、泵軸承的承溫極限及泵底座鋼架承溫極限等都需要考慮。 單春賢等分析了熔鹽泵軸承溫度與泵轉速、熔鹽介質溫度、潤滑油流量以及進油溫度之間的變化規(guī)律［8］。 為降低熔鹽泵軸承的承受溫度，王凱等采用數值模擬方法對高溫熔鹽泵散熱器進行了優(yōu)化分析［2］；李云校等采用數值模擬方法， 研究了單-雙蝸殼離心泵內部流動規(guī)律及泵體受力特性，探究了泵振動特性與內部流動的關聯［9］；朱洋等采用ANSYS 軟件模擬了熔鹽泵轉子的應力與變形，研究了不同介質流量下非定常流動對轉子部件的影響，考察了泵轉子結構的模態(tài)性能［10］。

熔鹽泵底座支撐鋼架的工作性能也會影響熔鹽泵運行的可靠性，熔鹽泵底座采用工字鋼結構支撐， 熔鹽泵在工作過程中會產生一定的振動，并將振動傳遞到鋼架上。 當鋼架的受熱溫度超過200 ℃時，其屈服強度、抗拉強度和彈性模量隨溫度升高會有一定程度降低，為保障熔鹽泵正常運行，支撐鋼架的工作性能需穩(wěn)定可靠。 因此，研究熔鹽溫度等因素對熔鹽泵支撐鋼架受熱面溫度分布的影響很有必要。

筆者采用數值模擬方法分析熔鹽溫度、隔熱墊片對高溫熔鹽泵支撐鋼架受熱面溫度場的影響，研究結果對熔鹽泵的安裝設計具有一定參考價值。

1 主要設計參數及物性參數

本研究設定熔鹽工作溫度在520～600 ℃。 泵體和鋼結構導熱系數λ、 比熱C滿足擬合多項式，表 達 式 分 別 為λ=0.0148T+10.69 W/（m·K），C=0.19T+441.28 J/（kg·K）。隔熱墊片厚度5 mm，位于熔鹽泵底座與支撐鋼架之間以及底座兩安裝鋼板之間，其導熱系數范圍為0.10～16.00 W/（m·K）。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型

熔鹽泵的實體建模采用NX 軟件， 其物理模型如圖1 所示。 定義靠近輸鹽管側為支撐鋼架的A 側，背對輸鹽管側為支撐鋼架的B 側。 模型的網格劃分在ICEM 軟件完成，由于模型比較復雜，整個計算域采用非結構化四面體網格，隔熱墊片網格進行局部加密，總網格數量為4 321 453。

2.2 邊界條件設置

熔鹽泵的高溫區(qū)域主要集中在輸鹽管和相鄰軸管部位， 當熔鹽泵處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，熔鹽工作溫度恒定在550 ℃左右，輸鹽管壁面溫度接近550 ℃。 采用Fluent 軟件進行穩(wěn)態(tài)數值計算， 輸鹽管和相鄰軸管壁面溫度均設為550 ℃，熔鹽泵外側壁面對流換熱系數根據傳熱損失設為0.6 W/（m2·K）。

3 計算結果與分析

通過數值計算，獲得無隔熱墊片時（即設定材料導熱系數與鋼材一致，為16.00 W/（m·K））熔鹽泵的溫度場分布如圖2 所示，它與含隔熱墊片（材料導熱系數0.40 W/（m·K）） 時熔鹽泵的溫度場類似。 對比無隔熱墊片與含隔熱墊片時，熔鹽泵支撐鋼架A 側受熱面（以下簡稱A 側受熱面）的溫度分布如圖3 所示。

圖2 無隔熱墊片時熔鹽泵溫度場分布

圖3 有/無隔熱墊片時A 側受熱面溫度場分布

由圖2、3 可知，熔鹽泵的高溫區(qū)主要集中在輸鹽管附近區(qū)域， 在無隔熱墊片時，A 側受熱面的最高溫度高達235.8 ℃， 加入隔熱墊片后其最高溫度降至214.8 ℃，降低了21.0 ℃，同時其最高溫度與最低溫度的溫差也降低了12 ℃。 隔熱墊片的隔熱效果明顯，對支撐鋼架起了較好的熱防護作用。

為進一步分析熔鹽溫度和隔熱墊片導熱系數對A 側受熱面溫度分布的影響，以下選取熔鹽溫度為520～600 ℃、 隔熱墊片導熱系數為0.05～16.00 W/（m·K）的變化區(qū)間，分析各因素對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響特性。

3.1 隔熱墊片導熱系數對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響

保持熔鹽溫度不變，改變隔熱墊片導熱系數從0.05 W/（m·K）變化到16.00 W/（m·K），獲得熔鹽溫度分別為520、550、580 ℃時，A 側受熱面的最高溫度變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 熔鹽溫度對A 側受熱面最高溫度的影響

由圖4 可以看出， 當隔熱墊片導熱系數在2.00～16.00 W/（m·K） 之間時，A 側受熱面的最高溫度隨隔熱墊片導熱系數減小而緩慢降低；但當隔熱墊片導熱系數在0.05～2.00 W/（m·K）之間時，A 側受熱面的最高溫度隨隔熱墊片導熱系數減小而快速降低， 且當隔熱墊片導熱系數小于0.40 W/（m·K）時，其下降幅度尤為明顯。這說明， 隔熱墊片的導熱系數小于0.40 W/（m·K）時，其隔熱效果最佳。

此外，還可以看出，當隔熱墊片導熱系數為16.00 W/（m·K）， 熔鹽溫度從520 ℃升高到580 ℃時，A 側受熱面的最高溫度從221.2 ℃升高到248.7 ℃。 隨著熔鹽溫度進一步提高，A 側受熱面的最高溫度也將進一步升高，這會使得支撐鋼架的工作性能減弱，安全可靠性降低。

3.2 熔鹽溫度對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響

由上述分析可知， 隔熱墊片導熱系數小于0.40 W/（m·K）時，其對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響非常大。 以下進一步分析隔熱墊片導熱系數分別為0.10、0.20、0.40 W/（m·K）時，熔鹽溫度對A 側受熱面最高溫度的影響規(guī)律（圖5）。

圖5 隔熱墊片導熱系數對A 側受熱面最高溫度的影響

由圖5 可以看出，A 側受熱面最高溫度隨熔鹽溫度升高而線性升高，當隔熱墊片導熱系數為0.40 W/（m·K），熔鹽溫度從520 ℃升高到600 ℃時，A 側受熱面的最高溫度從202.5 ℃升高到235.6 ℃；當隔熱墊片導熱系數降為0.10 W/（m·K），熔鹽溫度從520 ℃升高到600 ℃時，A 側受熱面最高溫度始終低于200 ℃，鋼架工作性能可得到較好的保障。

4 結論

4.1 熔鹽泵工作時，高溫區(qū)主要集中在輸鹽管和相鄰軸管附近區(qū)域，當熔鹽溫度超過550 ℃且無隔熱墊片時，熔鹽泵支撐鋼架的受熱面最高溫度可達到235.8 ℃以上， 這會影響支撐鋼架的工作性能，但加入隔熱墊片后，能明顯降低支撐鋼架的受熱面溫度。

4.2 當隔熱墊片導熱系數在2.00～16.00 W/（m·K）之間時， 隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護作用較弱； 當隔熱墊片導熱系數在0.40～2.00 W/（m·K）之間時， 隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護作用較強；當隔熱墊片導熱系數小于0.40 W/（m·K）時，隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護作用最好。

4.3 支撐鋼架受熱面最高溫度隨著熔鹽溫度的升高而線性升高， 當隔熱墊片導熱系數低于0.10 W/（m·K），熔鹽溫度低于600 ℃時，鋼架支撐面最高溫度始終低于200 ℃，支撐鋼架的工作性能可得到較好的保障。