熔盐系统仪表的选型与结构设计要点探讨

2019-07-19王玄骅陈明强徐能毛永夫熊步青唐亚平周慧

太阳能 2019年6期

■ 王玄骅陈明强徐能毛永夫熊步青唐亚平周慧

(1.浙江中控太阳能技术有限公司; 2.青海中控太阳能发电有限公司)

0 引言

自21世纪开始以来，太阳能热发电技术在国内外的发展趋势一直迅猛。随着大量实验与示范项目的建立，塔式太阳能热发电站除了在高热电效率、低运行成本、环保等方面体现出优势以外，其众多高技术门槛也凸显出来。作为塔式太阳能热发电站廉价、可靠、高效的储热介质，熔盐得到了广泛应用。由于熔盐本身具有凝固点高、粘度随温度变化较大、高温腐蚀性强等特点，因此，电站系统对在熔盐工况中使用的仪表的设计和制造提出了更高的要求。仪表包括流量计、压力表、液位计等。

在热力岛运行过程中，负责整体系统监控和控制的分布式控制系统(DCS)需接收现场各类型仪表信号，并进行联锁和判断，从而保证系统能够正常运行。在熔盐工况下，传统常用的仪表形式和结构明显表现出能力不足，主要包括设备高温、介质凝固、难校正，以及材料腐蚀等。在国内外相关项目和实验中，也充分说明了以上问题会严重影响熔盐系统流量、压力和液位的监控能力和DCS系统控制，甚至降低整个电厂的运行效率。

针对以上熔盐系统的仪表问题，本文从仪表种类展开，重点对塔式太阳能热发电站熔盐系统仪表的选型和结构设计进行了讨论研究。

1 熔盐系统工况

根据塔式太阳能热发电站系统运行的工艺要求，熔盐系统是整套电站系统中非常重要的环节。低温熔盐流体从冷盐储罐进入吸热器，通过吸热器吸热升温后流入热盐储罐，高温熔盐流体从热盐储罐通过换热系统换热后流入冷盐储罐[1]。在这一过程中，熔盐流体的温度从低温290 ℃升温至565 ℃，然后再降至290 ℃，温度波动范围较大，熔盐本身的物质特性及运行中大的温度波动不可避免地给仪表选型和结构设计带来了困难，主要包括以下几点：

1)高温性质。现阶段国内大多数仪表厂家所生产的高温型仪表耐温在300～400 ℃之间，但熔盐系统中熔盐介质的最高温度可达到565 ℃以上，这对仪表结构、传感部件及电子部件等的耐温能力提出了更高的要求。

2)低温凝结性质。太阳能热发电站的熔盐系统使用的熔盐为太阳盐，其成分为硝酸钠和硝酸钾混合而成的二元盐。该种熔盐从207 ℃开始融化，加热至290 ℃已基本成为液态熔盐[2]。在熔盐系统中，部分设备不适合进行完全保温或配置加热设备，此时若选型设计不合理或控制不当，极有可能造成仪表及附近管道发生熔盐凝结，使仪表传感装置与管道中介质接触位置由于介质凝固成固体熔盐而发生失效。

3)腐蚀性质。硝酸盐为中性盐，在常温下无任何腐蚀性，但在565 ℃高温下，硝酸盐会呈现强氧化性。针对该特性，除了需考虑仪表制造材料的抗氧化性之外，还需要考虑仪表配套密封件的抗氧化性。

4)盐雾性质。高温环境中，熔盐会在容器中形成有微小气化熔盐液滴的盐雾。这种盐雾会附着在不与熔盐直接接触的储存容器内壁及仪表上，经过长时间粘着结晶后会出现一层白色的盐粒结晶层，该结晶层会影响仪表精度甚至导致仪表无法工作。

2 熔盐系统仪表选型与结构设计方案

熔盐系统中使用到的仪表种类有流量计、压力表、液位计、热电偶。其中，热电偶选型为K型热电偶，采用铠装形式且配合集热块安装于熔盐管道外管壁上，与常规热电偶使用方式无异；而流量计、压力表、液位计均与熔盐直接或间接接触[3]。熔盐系统仪表的选型与结构设计难度主要体现在流量计、压力表、液位计[4]上。

2.1 流量计

流量计是指示被测流量和在选定时间间隔内流体总量的仪表，不仅是作为检测和控制整套系统运行状况和效率的依据，也是标定其他仪表和设备等的主要工具之一。因此，熔盐流量计在整套熔盐系统中较为重要。

流量计可依据力学、电学、声学、热学及其他(原子物理、示踪等)不同测量原理进行分类。下文主要对在熔盐中进行过测试和应用的流量计进行说明。

2.1.1 力学原理流量计

所有根据力学原理设计的流量计均涉及到了流体介质压力、密度、粘度等物理性质方面的计算，因此，仪表精度会受到高温工况及电站所在地太阳能辐射、天气等不稳定因素的影响。

以靶式流量计为例，其工作原理为流体冲击流量计靶板，带动靶杆，使感应端接收到力的作用，从而测得流量参数。其原理如式(1)所示：

式中，Qv为实际流量值；α为流量系数；β为靶径与管径的直径比；ρ为介质密度；F为靶板受到的力[5]。

由式(1)可以看出，影响流量计工作的主要是流量系数、靶径与管径的直径比和介质密度这3项数据。其中，靶径与管径的直径比为恒定值；介质密度可查阅熔盐物性表得到；而流量系数的影响因素为靶径与管径的直径比和雷诺数Re，具体关系如图1[6]所示。

图1 α、β、Re三者关系图(D=50 mm)

根据过去实验和工程项目的数据，熔盐系统的Re最小值出现在系统工艺最低温度290 ℃左右。由于熔盐粘度较低，计算Re值分布均大于105数量级以上，且随着温度升高，Re值会持续上升，直至565 ℃时，Re值约为1.3×106。从图1可以看出，对于口径D=50 mm的靶式流量计，当Re＞2000时，α值趋向于恒定值。因此，式(1)中的可变因素为熔盐的介质密度ρ，该类型流量计通过温度校正可在理论上保证能够使用。

然而，力学原理流量计会受到熔盐凝结特性的致命性影响。例如，差压流量计的取压部位、靶式流量计的靶杆区域等。此类流量计的传感测量部件、流量计与管道交接位置若出现外部环境异常(外部温度过低)、保温工作未做到位或连续阴天长期停机的情况，极可能发生局部熔盐凝固现象。在下次系统运行时，该处流量计设备会在充分预热完成或高温熔盐冲刷融化前失去工作能力，更严重的情况可能会导致堵管。

综上所述，常规力学原理流量计对于熔盐系统的适用度不高。

2.1.2 超声波流量计

超声波流量计是利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。它主要由超声波换能器、电子电路及流量显示和计算系统3部分组成。超声波换能器将电能转换为超声波能量，将其发射并穿过被测流体；接收器接收到超声波信号，经过电子电路放大并转换为代表流量的电信号，供设备仪表显示和其他流量数据计算[7]。

相对于其他流量计，超声波流量计的计算原理较为简单直观。其中，管道直射式超声波流量计的示意图如图2所示。

图2 管道直射式超声波流量计示意图

管道直射式超声波流量计原理的计算式为：

式中，V为流体流速；L为测量探头间距；X为测量探头水平距离(管道流量方向)；t1为超声波上游传输时间；t2为超声波下游传输时间[8]；c为当前工况条件下的声速。

从式(2)、式(3)可以看出，超声波流量计的计算过程与熔盐性质基本无关。但超声波流量计设备部件和结构选型仍需注意熔盐高温等问题。

超声波流量计有外夹式和管道式2种。外夹式流量计的探头直接安装夹持在管道外部，超声波在使用时先穿透管壁，经过流动介质后再次穿透管壁到达另一端探头[9]。这一过程中，声波在穿透管壁时，折射率会由于介质高温及环境温度的不稳定而产生变化，导致声波传播折射角度发生偏移，测量信号可能产生断点。管道式超声波流量计探头等部分直接与熔盐接触，而传统探头和耦合材料的耐温能力普遍在200～300 ℃之间，无法承受565 ℃高温的熔盐，因此，设备需考虑选用专门的耐高温材料，如高温陶瓷等。目前世界上有能力生产高温材料探头的供应商较少，国外的厂家主要有德国科隆、美国GE公司等，以上公司生产的流量计已正式投入商业电站运行中；然而，国内超声波流量计尚处于产品空白阶段[10]。从技术角度比较，管道式比外夹式相对更可靠。

此外，熔盐在高温状态下的腐蚀性也不容忽视。外夹式超声波流量计不与熔盐直接接触，不存在流量计腐蚀问题。而管道式超声波流量计存在法兰结构部位，法兰连接处的紧固件/垫片等极有可能因熔盐腐蚀产生泄露等问题。针对以上问题，管道式超声波流量计需选用可靠的密封方式和垫片，以避免因高温熔盐强氧化性腐蚀而产生泄漏等问题。

2.1.3 涡街流量计

涡街流量计是利用非流线型阻流体插入测量管中，对流动液体进行扰流，从而形成有规律的涡流，再用检测元件对这些涡流进行检测并进行计算，从而得出流量值[3]。

以涡街流量计的圆柱形涡流发生器为例，其涡流稳定条件和流速测量公式为：

式中，h为涡列宽度；L1为同列相邻漩涡间距。公式(4)取决于涡流发生器的形状，不同形状情况下，公式(4)会相应发生变化。

式中，f为漩涡发生频率；St为斯特劳哈尔数；d为涡流发生器直径(圆柱形)[1,11]。

式(5)中，f和d均为可控因素；St值与Re值相关，即当Re＜2×104时，St值为变数，当Re在 2×104～7×106范围内时，St基本不变[12]。根据文中熔盐系统的Re参考值可以确定，涡流发生器的St值基本不变。而在熔盐系统实际使用中，涡流发生器上虽然可能残留系统上次运行中未完全排尽的挂壁熔盐，但因为涡流发生器是以开放形式存在的，残留熔盐可以在熔盐流体中快速融化，使流量计在短时间内恢复正常。由此可判断涡流发生器部分可以在熔盐系统中正常工作。

流量计另一部分——涡流信号检测元件，其处于涡流发生器下游，负责检测漩涡发生的频率。目前涡流信号检测技术主要有：应力式、电容式、热敏式、超声式、振动式、光电式[1]。其中，应力式、电容式、振动式、光电式基本原理均是由涡流产生压力引起涡流信号变化，类似结构存在一定缺陷，抗凝结和耐温能力均有所不足。而热敏式虽然在原理上不感应压力信号，但由感应局部流量变化说明其感应元件仍需与介质直接接触，因此，也可能产生凝固风险。超声式感应元件直接利用涡流对声波传导的干扰频率进行计算，选型和结构可参考前文外夹式超声波流量计探头，其外夹结构避免了熔盐凝结，而探头的耐高温问题也已经得到解决。

现阶段涡街流量计大多用于实验装置当中，在商业电站熔盐系统中尚未大量使用。但根据一系列实验和文献研究表明，该仪表测量精度在外夹式超声波流量计和管道式超声波流量计之间，仅次于管道式超声波流量计[13]。

2.2 压力表

压力表是用于测量和指示工业系统环境压力的仪表，应用非常普遍，在太阳能热发电站熔盐系统中，其同样是不可或缺的重要测量设备之一，主要功能为检测熔盐管路、部分熔盐储罐的压力。流量计相同，熔盐的高温和凝固特性导致常规性仪表不能满足熔盐工况对压力表的特殊需求，熔盐压力表的选型和结构设计也需特殊考虑。

隔膜式压力表通过压力表隔膜将工作介质和导压介质隔离，在原理上较适用于工况相对苛刻的腐蚀性介质中。该类压力表可以考虑应用于高温熔盐系统中，隔膜材料可选用钽等耐高温、耐腐蚀的金属材料；中间导压介质通常使用硅油，但即便是专门耐热的高温硅油也难以承受565 ℃的高温(国内高温硅油最高耐受温度约为350 ℃，国外高温硅油最高耐受温度约为400 ℃)。从这点可以看出，隔膜式压力表导压介质的耐温能力是该种压力表能否使用最为关键的因素。

2.2.1 钠钾合金介质

钠钾合金是钠和钾的合金，常温状态下为液体，不同配比情况下的熔点和沸点均不相同。熔点最低的钠钾合金(钾含量为78%、钠含量为22%)的熔点为-12.6 ℃、沸点为785 ℃，过去其主要是用作冷却剂、催化剂和干燥剂。

-12.6～785 ℃的液态温度范围使钠钾合金非常适合作为熔盐工况下新型隔膜式压力表的导压介质，其温度区间完全囊括了熔盐工艺温度范围。-12.6 ℃的熔点温度不仅适用于正常厂房的环境温度，即便是在环境温度极低(最低温度可达到-30 ℃以下)的高海拔区域，也可以通过安装在管路和设备上的电加热设备进行加热升温，短时间内融化并达到正常工作状态。

一般来说，隔膜式压力表是以法兰形式安装于管道上的，但这种凹陷结构不但可能成为熔盐系统泄漏的隐患，还有可能使隔膜和介质接触的地方发生熔盐挂壁堵塞，导致仪表失效。为了避免发生这种情况，需对压力表专门设计带可插入扩散膜片的法兰式隔膜密封方式[14]，具体构造如图3所示。

图3 可插入扩散膜片的法兰式钠钾合金介质隔膜式压力表

这种开放式凸出的膜片可以保证即便有熔盐凝结在膜片上，也能及时在熔盐的冲刷下短时间内融化附着在表面的熔盐。

然而，钠钾合金还有很强的还原性，介质一旦遇到空气和水会迅速发生燃烧甚至爆炸。在工业系统中，任何存在安全隐患的设备都需要进行严格的安全认证和日常检查。钠钾合金本身就存在燃烧甚至爆炸的可能，一旦仪表内部发生泄漏，就会发生严重事故，况且熔盐在高温下本身就具有强氧化性[15]。

2.2.2 低温熔盐介质

以低温熔盐介质作为导压介质的方案，理论上也存在于压力表的研究中。低温熔盐介质低熔点和高沸点特性的优越性仅次于钠钾合金介质，并且其暴露于外界不会发生化学反应，安全性远高于钠钾合金介质。在当今业界，北京工业大学研发了低熔点混合熔盐介质，其熔点为83.7 ℃，沸点可达到592.9 ℃[16]。

低温熔盐介质隔膜式压力表与钠钾合金介质隔膜式压力表在总体结构上设计基本相同，功能上可以做到正常运行，但在实际工况中使用还是稍显不足。熔盐由于膨胀量较大，当系统长期停运时，膜盒中填充的低温熔盐介质会自然冻结，膜盒填充液密封区域耐膨胀能力不足，膨胀的熔盐极有可能毁坏膜盒；另外，若要在系统启动时对膜盒内凝固的熔盐进行融化，83.7 ℃熔点的熔盐也需要长时间的熔化过程。

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由于熔盐介质的特殊性，目前该种压力表在实验项目中使用较少，产品尚未成熟。

2.2.3 改造仪表结构

通过优化仪表结构来保证仪表正常工作。优化结构采用延长管降温的办法，熔盐介质从流动管道中进入延长管，并通过延长管散热，在到达仪表隔膜前使熔盐温度降到压力表导压介质高温硅油的安全工作温度以下。然而，压力表仅考虑延长管降温是不够的，复杂的工况和外部环境很可能导致降温过快，使温度低的熔盐易凝固在延长管中。针对可能发生的熔盐凝固问题，对延长装置配置了保温层、热电偶及电伴热设备，以实现对压力表温度的准确控制，保证压力表法兰隔膜处的介质温度控制在导压介质高温硅油的耐受温度范围内，且不产生熔盐凝固问题[17]。带延长管结构的隔膜式压力表的结构如图4所示。

改造仪表通过延长管进行介质降温，通过加热装置及控温装置进行严格温度控制，原理简单、易于操作且成本相对较低。现今这种配置延长管结构的隔膜式压力表已在多数实际的太阳能热发电站中运用。

图4 带延长管结构的隔膜式压力表

2.3 液位计

熔盐液位计作为整个系统熔盐量的测量设备，对系统可靠运行等具有重要的作用。塔式太阳能热发电站中，熔盐液位计的作用主要是测量各类设备中熔盐的液位值，如熔盐储罐等。以下介绍几种实验和项目中使用到的熔盐液位计。

2.3.1 磁翻板液位计

磁翻板液位计又称为磁浮子式液位计，原理是仪表浮子或浮筒随液位升降而上下浮动，通常可以就地显示或将液位信息转换成电子信号传输[3]。磁翻板液位计的类型众多，但熔盐性质决定了液位计本体不适合与熔盐进行直接接触。比如侧装式磁翻板液位计需要引导介质进入和接触液位计本体，因此此类磁翻板液位计无法在熔盐系统中使用。磁翻板液位计需将浮子所受之力直接作用于容器本体，带动简单的机械传递结构从而进行指示。

2.3.1.1 钢带式磁翻板液位计(内浮标)

钢带式磁翻板液位计采用2个定滑轮、钢带及浮球组成滑轮系统，浮球随液位变化带动磁性指针指示液位[3]。这种液位计除了浮球以外均不与熔盐接触，但由于其传递钢带本身为金属结构，高温状况下可能会产生热膨胀拉伸，若储罐容器高度过高，可能会产生较大的精度误差。

需要注意的是，浮球原理性设计需以水为标准进行设计，否则液位计运行前无法调试。总体而言，钢带式磁翻板液位计在熔盐系统中的适用性较高。

2.3.1.2 顶装式磁翻板液位计

顶装式磁翻板液位计的原理与钢带式液位计类似，其安装于设备顶部，并采用支撑管来传递液位信息[3]。然而由于采用金属支撑管，温度的变化同样会引起金属的线性膨胀，从而带来一定的测量误差。

此外，在实际项目应用中，顶装式磁翻板液位计还存在以下问题：1)磁翻板为顶装式结构，意味着液位计安装后，其顶部高度将为设备高度的2倍，而在太阳能热发电站中，储罐高度普遍在10 m以上，高度的增加无疑会增加厂房等的投入成本。因此，顶装式磁翻板液位计多使用于小型设备上。2)熔盐本身会产生盐雾，液位计支撑管表面长时间处于盐雾环境下容易形成盐粒结晶层，从而导致支撑管在移动时容易被结晶层卡住，使液位计无法正常工作。顶装式磁翻板液位计在使用时应定期对其进行结晶层清洁，如考虑配置电伴热或加入自清洁系统。

尽管顶装式磁翻板液位计能够在熔盐系统中使用，但使用条件要比钢带式磁翻板液位计苛刻。

2.3.2 雷达液位计

雷达液位计采用电磁波原理进行液位测量，一般安装于设备顶部。工作时，雷达液位计向被测液面发射微波，再接收液面反射的回波，并通过比较得出该波束经过的时间，计算出测量空高和实际液位。雷达液位计的计算式为[1]：

式中，L2为当前实际液位；H为储罐容器高度；Vr为光速(影响光速的介电常数受温度影响极小，可视为常数)；t为仪表发射和接收到微波的间隔时间。

在实际使用中，雷达液位计采用顶装式安装，避免了仪表和介质的直接接触。尽管雷达液位计不直接接触熔盐，但是依然存在高温问题，液位计发射振子、电子电路等设备建议采用耐高温材料。若部件耐高温能力有限，设计时应考虑重新进行外部环境改造或安装结构优化设计。传统解决方案主要是配置空压系统进行氮风吹扫从而降温。

此外，雷达液位计也存在盐雾凝结问题。类似顶装式磁翻板液位计，大量的盐雾凝结会在雷达液位计位于储罐内部的部分形成盐粒结晶层，盐粒结晶层会降低雷达液位计的精度，甚至导致液位计彻底失效；尤其是雷达液位计发射口，其外型为喇叭形状，难以配置自清洁系统。对于盐雾凝结问题，通常的做法是定期清洁，以保证发射口处的表面清洁。

在实际安装使用过程中，雷达液位计对熔盐系统也提出了较高的要求。在熔盐系统中，设备内部不可避免地会使用到热电偶、插入式电加热器、其他形式液位计等，这些内部结构易成为雷达微波信号传导过程中的阻碍。因此，除了雷达液位计的安装使用过程对雷达液位计及系统结构设计等提出更高的要求以外，选择发射角角度较小和配置导波管的雷达液位计也可以避免干扰问题。

目前，国外雷达液位计产品使用较多，生产厂家主要有德国科隆、西门子等，特点是耐温能力可靠且发射角小。

2.3.3 激光液位计

激光液位计的工作原理与雷达液位计基本相同，其半导体激光发射器发出连续的高速脉冲光束，在被测液面反射接收后得出时间差，从而计算出液位高度[3]。

激光的高速脉冲光束与常规雷达液位计的微波有本质性的区别，这也使激光液位计更适用于熔盐系统。激光本身不仅有不受气体密度、温度影响的优点，而且其穿透能力极强，可以在高温视窗隔离的情况下进行液位测量[3]。高温视窗的存在解决了雷达液位计受盐雾干扰的问题，并且大幅降低了维护检修的工作量和危险性。另外，激光束有不发散的物理特性，测量过程中发射角近于0°，可最大程度降低测量过程的干扰。