线性菲涅尔光热电站集热场异程与同程布置熔盐流动阻力分析

徐灿君，罗晓梅，曾 勇，王佳明，廖 锷，颜 彪

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

二元熔盐(60%NaNO3+40%KNO3)在集热管内吸热能够达到更高的集热温度，且保持成分稳定，获得更大的储热容量，使得汽轮机在做功中获得更高的朗肯循环效率。在线性菲涅尔式光热电站中，利用二元熔盐作为吸热和储热介质，可以获得更高的生产效率，日益受到人们的关注和重视。针对高温熔盐在管道外部的流动换热已经进行了相关研究[1]，研究重点倾向于换热过程。熔盐在蒸汽发生系统的流动和传热特性与所产蒸汽的过冷度和过热度有关[2]。

二元熔盐在线性菲涅尔集热场多个集热回路间[3]的流量能否趋于平衡，其重点在于多个集热回路间的阻力特性；且二元熔盐易凝固与高温存在腐蚀的特性，集热回路间的阻力特性，决定了多个集热回路出口熔盐温度的偏差，对于熔盐线性菲涅尔光热电站的稳定运行至关重要。本文在上述研究的基础上，对集热回路异程与同程布置的熔盐流动阻力特性进行研究。

1 熔盐线性菲涅尔集热场

1.1 熔盐线性菲涅尔集热场的概况

以国内某熔盐线性菲涅尔光热发电工程为例，集热场分为东区、西区，每区各布置40个菲涅尔集热回路。冷熔盐从熔盐泵出口，通过冷熔盐母管，经由三通分至东区、西区，再分配给各菲涅尔集热回路，290℃的冷熔盐在集热回路的集热管内被加热到550℃，汇集到热熔盐母管，最后流回热熔盐罐。

每个菲涅尔集热回路由267根冷态长度为4 060 mm的集热管线性组焊而成，集热管熔盐流通内径为82 mm。

在集热场的集热回路布置时，可以采用异程布置或同程布置。两者的差异在于介质的流动顺序，异程布置的特点为先进先出、同程布置的特点为先进后出，如图1所示。

图1 异程布置与同程布置

在建模研究时，由于东区、西区对称布置，故仅以东区1-40集热回路为研究对象。

1.2 研究边界条件

为便于对熔盐从熔盐泵加压、分流至每个集热回路、加热、汇集到热熔盐母管的流程仿真模拟，设定如下边界条件：

1)熔盐流动为管内满管流，不考虑局部存在堵塞、气泡等；

2)忽略场地坡度、管道坡度；

3)所有熔盐流经的通道按静止状态考虑，集热回路长度按进、出口的平均温度下的膨胀后长度考虑；

4)不考虑熔盐被加热时产生径向浮升剪切力对熔盐轴向流动的影响；

5)不考虑多个集热回路间反射镜的污垢系数差异[4]；

6)熔盐物性按已公布的二元熔融盐热物性的测量方法[5]提供的物性考虑，不考虑杂质或其他均匀性问题。

2 异程与同程布置模型

2.1 控制方程

线型菲涅尔电站的熔盐流动过程(同程)如图2所示，其阻力分析可以用伯努利方程进行。

图2 线性菲涅尔光热电站集热场熔盐流程示意图

分别在冷熔盐罐和热熔盐罐选取1、2计算断面，以此建立伯努利方程[6]，如式(1)所示。

(1)

式中：z为计算断面的位置高度，m；p为计算断面的绝对压强，Pa；α为计算断面的动能修正系数；v为计算断面的平均流速，m/s；Hm为流体通过流体机械获得的水头，m；H1为两个计算面间流体的水头损失，m。

作为线性集热的方式，熔盐在整个吸热流程的水头损失以沿程阻力损失(直管段粘滞阻力)和局部阻力损失(阀门、弯头、三通等阻力)，为满足管道膨胀要求设置多个π弯补偿，表1列出了熔盐流经异程与同程布置管路的主要参数。

通过表1可以看出同程布置与异程布置的差异：同程布置主要是将管段2进行折返布置，该管段的长度和弯头数量均远远大于异程布置。

表1 异程与同程布置的管路参数

2.2 异程与同程建模

如图1和图2所示，熔盐从冷熔盐泵出口，经由异程或同程布置冷熔盐母管、多个并列的菲涅尔集热回路、热熔盐母管，最后进入热熔盐罐的过程中，仅在冷熔盐母管和集热回路的布置方案不同。根据式(1)，两种布置的1-1、2-2截面等外部边界条件相同时，异程布置与同程布置的管路阻力差异，最终体现在通菲涅尔集热回路入口-出口的压力差值。

根据同程布置的物理模型，考虑集热场可能遇到防凝工况、低辐照工况、额定运行工况、高辐照工况，设定多个集热回路出口熔盐温度达到设计值550℃，对熔盐泵的流量进行设定，使得集热管内熔盐的流速分别对应设为0.8、1.2、1.5、1.8 m/s，建立熔盐流动全过程阻力的仿真模型。

为简化研究并形成对比，仅考虑异程布置的额定运行工况，即对集热管内熔盐的流速设置为1.5 m/s进行模拟。

3 模拟分析及实际运行情况

3.1 模拟结果分析

对同程布置的集热管内熔盐流速分别为0.8、1.2、1.5、1.8 m/s、异程布置的集热管内熔盐流速为1.5 m/s的集热回路入口-出口的压力差值进行计算和分析，结果如图3所示。

图3所示，在流速为1.5 m/s的异程布置时，1-40集热回路的入口-出口最小压差值为1.23 MPa、最大压差值达到2.24 MPa，逐渐递增。流速分别为0.8、1.2、1.5、1.8 m/s的同程布置时，1-40集热回路的入口-出口的压力差值的偏差均小于0.19 MPa。

图3 异程与同程布置集热回路入口-出口压差模拟

异程布置时，熔盐进入第40回路的压头最大，且流到热熔盐罐的阻力最小；熔盐进入第1回路的压头最小，且流到热熔盐罐的阻力最大，导致第1回路到第40回路的入口-出口压差值依次递增。不同回路的入口-出口压差值偏差较大，造成熔盐流入不同回路的流量将不平衡，在同样的太阳辐照强度下，势必造成集热回路出口熔盐温度的较大偏差，对运行极其不利。

采用同程布置时，熔盐进入第40回路的压头最小，且流到热熔盐罐的阻力最小；熔盐进入第1回路的压头最大，且流到热熔盐罐的阻力最大，使得第1回路到第40回路入口-出口压差值相差极小。熔盐流入不同回路的流量基本平衡，在同样的太阳辐照强度下，集热回路出口熔盐温度偏差度很小。

3.2 同程模拟与实际运行情况对比

由于在实际运行中，仪表测量的熔盐压力值存在一定的误差，为了验证模拟的准确性，以测量误差较小的集热回路熔盐进入口、出口熔盐温度和的入口-出口压差值作为比较对象。

根据国内某熔盐线性菲涅尔光热项目同程布置的东区的运行实际情况，东区1-40回路的入口侧熔盐调节阀全开，集热回路出口熔盐温度程序设定为540℃，且此时集热管内熔盐流速约为1.5 m/s，对集热回路入口、出口熔盐温度记录。将上述温度数据与集热场同程布置时集热回路的入口-出口压差值进行对比，如图4所示。

图4 同程布置的集热回路入口-出口压差模拟与实际运行入口、出口熔盐温度

在相同的熔盐流速时，同程布置的1-40回路集热回路入口-出口压差模拟与实际运行的入口、出口温度值趋势基本一致，在多个回路不单独进行调节阀动作前提下，集热回路的出口熔盐温度偏差小于3%(即温度偏差小于16℃)。

4 结 语

通过对本文提出的线性菲涅尔光热电站集热场异程与同程布置的熔盐流动阻力模拟，对照实际运行的集热回路出口熔盐温度，可得出以下结论：

1)通过模拟分析得出，异程布置时，多个集热回路的入口-出口压差值的偏差较大，集热回路间流量分配较难平衡。

2)同程布置时，多个集热回路的入口-出口压差值偏差度小，有利于集热回路间的流量平衡和出口熔盐温度平衡。

3)国内某熔盐线性菲涅尔光热发电项目同程布置的实际运行数据表明，多个集热回路间的出口熔盐温度偏差小，集热场的运行控制便捷，可减少因多个集热回路间的出口熔盐温度偏差较大造成的弃光，增加光热电站运行的稳定性。