徐燦君，羅曉梅，曾 勇，王佳明，廖 鍔，顏 彪

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

二元熔鹽(60%NaNO3+40%KNO3)在集熱管內(nèi)吸熱能夠達到更高的集熱溫度，且保持成分穩(wěn)定，獲得更大的儲熱容量，使得汽輪機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熱介質(zhì)，可以獲得更高的生產(chǎn)效率，日益受到人們的關注和重視。針對高溫熔鹽在管道外部的流動換熱已經(jīng)進行了相關研究[1]，研究重點傾向于換熱過程。熔鹽在蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的流動和傳熱特性與所產(chǎn)蒸汽的過冷度和過熱度有關[2]。

二元熔鹽在線性菲涅爾集熱場多個集熱回路間[3]的流量能否趨于平衡，其重點在于多個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)定運行至關重要。本文在上述研究的基礎上，對集熱回路異程與同程布置的熔鹽流動阻力特性進行研究。

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，最后流回熱熔鹽罐。

每個菲涅爾集熱回路由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，可以采用異程布置或同程布置。兩者的差異在于介質(zhì)的流動順序，異程布置的特點為先進先出、同程布置的特點為先進后出，如圖1所示。

圖1 異程布置與同程布置

在建模研究時，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、分流至每個集熱回路、加熱、匯集到熱熔鹽母管的流程仿真模擬，設定如下邊界條件：

1)熔鹽流動為管內(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)的通道按靜止狀態(tài)考慮，集熱回路長度按進、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產(chǎn)生徑向浮升剪切力對熔鹽軸向流動的影響；

5)不考慮多個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過程(同程)如圖2所示，其阻力分析可以用伯努利方程進行。

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計算斷面，以此建立伯努利方程[6]，如式(1)所示。

(1)

式中：z為計算斷面的位置高度，m；p為計算斷面的絕對壓強，Pa；α為計算斷面的動能修正系數(shù)；v為計算斷面的平均流速，m/s；Hm為流體通過流體機械獲得的水頭，m；H1為兩個計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置多個π彎補償，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進行折返布置，該管段的長度和彎頭數(shù)量均遠遠大于異程布置。

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、多個并列的菲涅爾集熱回路、熱熔鹽母管，最后進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，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、額定運行工況、高輻照工況，設定多個集熱回路出口熔鹽溫度達到設計值550℃，對熔鹽泵的流量進行設定，使得集熱管內(nèi)熔鹽的流速分別對應設為0.8、1.2、1.5、1.8 m/s，建立熔鹽流動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行工況，即對集熱管內(nèi)熔鹽的流速設置為1.5 m/s進行模擬。

3 模擬分析及實際運行情況

3.1 模擬結果分析

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-出口的壓力差值進行計算和分析，結果如圖3所示。

圖3所示，在流速為1.5 m/s的異程布置時，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，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，熔鹽進入第40回路的壓頭最大，且流到熱熔鹽罐的阻力最?。蝗埯}進入第1回路的壓頭最小，且流到熱熔鹽罐的阻力最大，導致第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度下，勢必造成集熱回路出口熔鹽溫度的較大偏差，對運行極其不利。

采用同程布置時，熔鹽進入第40回路的壓頭最小，且流到熱熔鹽罐的阻力最??；熔鹽進入第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 同程模擬與實際運行情況對比

由于在實際運行中，儀表測量的熔鹽壓力值存在一定的誤差，為了驗證模擬的準確性，以測量誤差較小的集熱回路熔鹽進入口、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目同程布置的東區(qū)的運行實際情況，東區(qū)1-40回路的入口側熔鹽調(diào)節(jié)閥全開，集熱回路出口熔鹽溫度程序設定為540℃，且此時集熱管內(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集熱回路的入口-出口壓差值進行對比，如圖4所示。

圖4 同程布置的集熱回路入口-出口壓差模擬與實際運行入口、出口熔鹽溫度

在相同的熔鹽流速時，同程布置的1-40回路集熱回路入口-出口壓差模擬與實際運行的入口、出口溫度值趨勢基本一致，在多個回路不單獨進行調(diào)節(jié)閥動作前提下，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 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阻力模擬，對照實際運行的集熱回路出口熔鹽溫度，可得出以下結論：

1)通過模擬分析得出，異程布置時，多個集熱回路的入口-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，多個集熱回路的入口-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)電項目同程布置的實際運行數(shù)據(jù)表明，多個集熱回路間的出口熔鹽溫度偏差小，集熱場的運行控制便捷，可減少因多個集熱回路間的出口熔鹽溫度偏差較大造成的棄光，增加光熱電站運行的穩(wěn)定性。