高溫熔鹽密度數(shù)值擬合與實(shí)驗(yàn)研究

劉文祥 石世宏

摘 要：介紹了熱太陽(yáng)能電廠的工作原理與流程以及熔鹽密度對(duì)控制閥流通能力計(jì)算和選型的影響，表達(dá)了熔鹽密度的擬合方法，應(yīng)用控制閥流通能力測(cè)試原理和系統(tǒng)對(duì)不同溫度下的流量和壓損進(jìn)行測(cè)量并推算熔鹽密度值，然后比較驗(yàn)證擬合方法。

關(guān)鍵詞：熔鹽；密度；擬合；實(shí)驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.06.190

1 概述

太陽(yáng)能熱發(fā)電是新能源技術(shù)之一，基本原理是鏡面反射陽(yáng)光加熱存儲(chǔ)有熔鹽的管道，熔鹽流動(dòng)與蒸汽回路交換熱量，蒸汽再推動(dòng)汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)發(fā)電。熔鹽熱容比高，吸收和存儲(chǔ)大量熱能，其流動(dòng)性、成本、穩(wěn)定性、安全性也較好。熔鹽由固態(tài)硝酸鹽熔化形成，密度比水和蒸汽大，密度隨溫度變化。密度與粘度相關(guān)，影響到熔鹽在閥門中的流通能力和選型計(jì)算，進(jìn)而影響電廠的工作效率和成本。因此，研究高溫熔鹽密度對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電廠的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。

熔鹽成分為60%硝酸鈉和40%硝酸鉀，熔點(diǎn)在221℃左右，最高工作溫度不超過600℃。為保證蒸汽發(fā)生段能夠平穩(wěn)和持續(xù)運(yùn)行，熔鹽熱傳輸量依靠控制閥對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)時(shí)，控制閥額定流量和口徑選擇與所需流量、介質(zhì)壓力及密度有關(guān)，流量和壓力由工藝設(shè)計(jì)決定，所以介質(zhì)密度是與控制閥流通能力相關(guān)的唯一因素。

2 熔鹽密度數(shù)值擬合

熔鹽在260℃至621℃之間的熔鹽密度經(jīng)驗(yàn)擬合公式為：

ρ=2090-0.636T （1）

式中 ρ為熔鹽密度；T為熔鹽溫度。由擬合公式（1）可見，熔鹽密度隨著溫度的上升而下降，熔鹽溫度與密度的變化成線性關(guān)系。該擬合方法由于測(cè)試方法、設(shè)備和測(cè)試和分析過程中存在的誤差，實(shí)際的熔鹽密度與擬合方法的結(jié)果應(yīng)有所不同，因此對(duì)該擬合方法的準(zhǔn)確性需進(jìn)行驗(yàn)證。

3 實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)

熔鹽與水的流體特性相似，當(dāng)流體不可壓時(shí)，其伯努利方程為：

（2）

式中 p為流體壓力；ρ為流體密度；g為重力加速度；z為流體在流動(dòng)方向上的一維向量；V為流體流速或流量，const是常數(shù)。公式中 體現(xiàn)流體的壓差勢(shì)能，表示流體的重力勢(shì)能，表示流體的動(dòng)能。壓差勢(shì)能、重力勢(shì)能和動(dòng)能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，總量保持恒定，在宏觀上體現(xiàn)為壓力的變化（即壓差）和動(dòng)能的變化（即流速或流量）。

在流體為不可壓縮的、紊流和非阻塞流的情況下，控制閥流通能力公式為：

（3）

式中 C-控制閥流通能力；Q-體積流量；N1-數(shù)字常數(shù)；ρ1-介質(zhì)在工作溫度和壓力下的密度；ρ0-15℃和1個(gè)大氣壓下水的密度；P1-控制閥入口處壓力；P2-控制閥出口處壓力。

在常溫下用水為介質(zhì)，把控制閥安裝到流量測(cè)試系統(tǒng)上，在閥入口設(shè)置固定的流量和壓力，調(diào)節(jié)閥芯開度，得出口處某壓力，從而得到壓差（即P1與P2的差值）。通過公式（3）計(jì)算得到控制閥的流通能力。閥的流通能力是與閥門結(jié)構(gòu)和尺寸相關(guān)的固有特性，與介質(zhì)、溫度、流速和壓力等因素?zé)o關(guān)。以此為基礎(chǔ)，通過測(cè)得不同溫度下熔鹽的流量和壓差來(lái)計(jì)算出該溫度下的密度，然后與擬合計(jì)算結(jié)果比較。

流量測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由控制閥、管道、上游增壓系統(tǒng)和下游儲(chǔ)罐組成，增壓系統(tǒng)和儲(chǔ)罐與測(cè)試無(wú)直接關(guān)系，因此未體現(xiàn)在圖中。在距離控制閥L1的上游管道設(shè)置取壓口和取速口，取得入口壓力和流量，在距離控制閥L2處設(shè)置取壓口，取得出口壓力。在取壓口附近和閥體設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)介質(zhì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

首先用常溫水進(jìn)行測(cè)試，建立穩(wěn)定的流量和壓差，測(cè)取相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2）計(jì)算控制閥流通能力值。然后更換為熔鹽進(jìn)行測(cè)試，對(duì)管道和控制閥加熱至260℃，待儲(chǔ)罐中熔鹽完全融化，啟動(dòng)增壓泵，將熔鹽泵入管道和閥門。觀察測(cè)溫點(diǎn)溫度偏差不超過±2℃，待流量和入口壓力穩(wěn)定達(dá)到預(yù)定值，測(cè)得出口壓力，再依次加熱提高溫度，測(cè)取壓力、流量和溫度值，相同操作方法直至溫度達(dá)到620℃，記錄下相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用水進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得壓差和流量，通過公式（3）進(jìn)行計(jì)算得到控制閥流通能力值。使用熔鹽為介質(zhì)測(cè)試，控制閥入口處流量Q為180 m3/h，入口壓力P1為2840 kPa，測(cè)得各溫度點(diǎn)下流量和壓力，利用公式（3）推算出熔鹽密度值，與擬合法得到的數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

通過比較得到以下分析：

（1）熔鹽密度隨溫度上升而下降，證明了隨著溫度升高，熔鹽

分子內(nèi)能增強(qiáng)，分子間運(yùn)動(dòng)加劇，運(yùn)動(dòng)距離加大，具體表現(xiàn)就是體積膨脹，單位體積的熔鹽分子數(shù)減少，即質(zhì)量減少和密度下降。

（2）隨著溫度上升，熔鹽密度下降的速率接近于常數(shù)，這符合分子熱力學(xué)原理，分子動(dòng)能與體積變化之間的變化成基本線性。實(shí)驗(yàn)值變化率與擬合曲線斜率相似。

（3）在各個(gè)溫度點(diǎn)下的熔鹽密度，實(shí)驗(yàn)值比擬合值略大，但偏差不大，在1%到3%之間，說(shuō)明擬合值基本可靠。300℃至450℃之間，實(shí)驗(yàn)值與擬合值的偏差均勻，主因是系統(tǒng)誤差。500℃至600℃之間，偏差有增大趨勢(shì)，原因是熔鹽物性從500℃開始產(chǎn)生較大變化，分解化學(xué)反應(yīng)開始發(fā)生并隨著溫度增加而嚴(yán)重。

5 結(jié)語(yǔ)

熔鹽密度與控制閥設(shè)計(jì)和選型密切相關(guān)，依托于流體動(dòng)力學(xué)理論和方法設(shè)計(jì)流量測(cè)試系統(tǒng)并測(cè)取各高溫點(diǎn)下熔鹽流量和壓力，進(jìn)而驗(yàn)證熔鹽密度數(shù)值擬合方法可靠。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在極高溫度下，熔鹽密度偏差增大，需進(jìn)一步分析原因。熔鹽在允許工作溫度范圍內(nèi)，應(yīng)盡量使用其極限溫度，此時(shí)熔鹽流動(dòng)性和傳熱效率最有利于發(fā)揮太陽(yáng)能熱電廠發(fā)電效能。

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作者簡(jiǎn)介：劉文祥（1979-），男，安徽天長(zhǎng)人，本科，工程師，研究方向： 流體機(jī)械和工業(yè)閥門研發(fā)和設(shè)計(jì)。