太阳能光热电站熔盐截止阀整机温度场分析

2022-06-08胡永海陆佳铭

西北水电 2022年2期

胡永海,陆佳铭

(中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201316 )

0 前言

太阳能光热发电是一种新型高效的发电技术，兴起于20世纪80年代。熔盐塔式系统是目前比较成熟的太阳能光热电站系统，其采用液态二元熔盐为吸热、传热介质。熔盐在常温下为固态，导电率较高，使用的温度范围也较广，蒸汽压低，热容量大，且化学性质稳定。这些优点使得熔盐不仅在化工产品的制备中得到大量应用，而且也使熔盐被广泛地用作太阳能光热电站的蓄热材料和传热介质[1-2]。

青海共和50 MW熔盐塔式太阳能光热电站中的熔盐截止阀位于电站的熔盐管道回路中，以两端焊接方式连接，输运高温、高压、强腐蚀性的液态二元熔盐60%NaNO3-40%KNO3，运行温度为290～565 ℃，设计温度600 ℃[3]。高温熔盐的凝固点温度是223～238 ℃，截止阀内部熔盐一旦发生凝固，将会严重损坏光热发电设备。因此，避免太阳能光热电站熔盐截止阀在任何运行工况下发生凝固现象，是保证太阳能光热电站稳定运行的必要前提[4-5]。本文以青海共和县50 MW级太阳能光热电站熔盐截止阀为研究对象，采用ANSYS仿真软件对熔盐截止阀不同工况下的整机温度场进行计算分析，为熔盐截止阀在光热发电系统的稳定运行提供保障。

1 分析方法

1.1 概况

鉴于青海共和县50 MW熔盐塔式太阳能光热电站高温熔盐的物性以及其输送管道的设计特点，截止阀较适用于光热电站。熔盐截止阀一般采用Globe形式，这个类型可以达到V级密封，主要具有4个优点：① 密封性能较好；② 阀门内部平滑不容易卡涩；③ 占用空间较小，阀门总体高度小于闸阀；④ 采用“Y”型直通型结构可以避免流阻。单个熔盐塔式50 MW项目需要熔盐截止阀50～70台，主要应用于熔盐流量、压力或者温度的调节，是光热电站主要设备之一。

本文研究的光热电站熔盐截止阀按ASME B16.34标准的DN50、600磅级、设计温度600 ℃的压力等级进行设计，工作压力4.29 MPa,0.1 MPa前后压差情况下的理论流量约为0.78 m3/h。

1.2 工况参数

阀门气温条件如表1所示。据此设置3种工况，如表2所示。工况1模拟阀门全开、正常运行、无保温层的温度场，目的是得到熔盐域最低温度，分析熔盐截止阀在极端工况下是否会发生熔盐凝固现象。其热源温度取运行温度565 ℃，环境温度参考工作地极端最低气温，取-30 ℃。熔盐入口流速取设计值4 m/s。工况2模拟突然失流且阀芯未回座的故障工况，采用与工况1相同的数值模型，但入口流速极低，为0.01 m/s。工况3则模拟了阀门紧急关闭且阀门内仍充满熔盐、短时间内熔盐进出口保持高温的情形，数值模型与前两者不同，计算了阀门紧急关闭时可能达到的极端最低温度[6-8]。

表1 青海共和县气温 /℃

表2 工况设置

1.3 几何模型

根据初始模型，对熔盐截止阀进行必要的简化处理，得到阀门关闭的几何模型如图1所示，主要包括：① 填补填料压盖、填料与阀盖的缝隙；② 简化22个螺栓的倒角，填充螺栓螺孔的缝隙；③ 补上阀体、波纹管罩、阀盖之间垫片的缝隙；④ 删去波纹管，以内径11 mm、外径16 mm、长128.3 mm的圆柱代替；⑤ 删去导向螺丝，填充其凹槽。

本文将截止阀结构域、空气域和熔盐域联合建模，采用ANSYS Mechanical软件与 ANSYS CFX软件结合的流固耦合方法进行计算，截止阀内部填充有可流动的熔盐，外部扩展0.5 m，包裹一层空气流场。

1.4 边界条件

数值计算的流体域包括空气域和熔盐域。空气域的流体设为理想空气，气压为3 000 m海拔下的0.677atm，参考密度为1.061 kg/m3，参考温度-30℃。在工业上常见温度范围内，分子结构对称的双原子气体，如空气、氮、氧等，实际上并无发射和吸收辐射能的能力，可认为是热辐射的透明体。在本项目中可认为阀外部是空气，是热辐射的透明体，故热辐射模型采用DTRM的S2S模型较为合适。空气的自然对流采用buoyancy模型。四周出口为opening，温度为-30 ℃，相对压力为0 MPa。空气内部与阀门是热流量守恒的换热交界面，截止阀表面发射率取0.8。

熔盐域的流体物性参数为液态二元熔盐在定性温度300℃下的物性参数，参考压力为4.29 MPa，参考温度也取为300 ℃。工况1、2中的熔盐进口面设为速度入口，速度大小按不同工况设置，出口面设为压力出口，相对压力为0；而工况3中的熔盐进出口面均设为opening，熔盐与阀门外部是热流量守恒的换热交界面。

熔盐泵内流动的控制方程如方程(1)和(2)所示，包括连续性方程和动量方程，同时采用剪切应力输运湍流模型(SST k-w模型)对上述方程进行拟合。SST k-w湍流模型适合工程应用，其计算效率和k-ε湍流模型相当，同时又在模拟边界层分离流动时有更好的表现。截止阀的几何结构比较复杂，有很多细小的缝隙。所以流体域采用SST k-w湍流模型计算，以更好地捕捉截止阀内外壁面附近流体的边界层分离现象。

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：ρ是在参考压力下的熔盐密度，取1 817 kg/m3；p是熔盐压力值, Pa；ux为三方向速度分量， m/s；x是位移分量， m；t是时间, s;g是常数，取9.81 m/s2;μ是流体动力粘度,Pa·s;μt是流体湍流粘度,Pa·s。

截止阀是固体域，其材质主要是ASTM-A182牌号F347H的奥氏体不锈钢，取定性温度300 ℃下的物理性质参数。截止阀内壁面与熔盐域发生对流换热，外壁面设为与空气域的换热交界面。截止阀进出口端面设为绝热壁面。材料物性参数见表3。

表3 材料物性参数

使用ANSYS CFX软件计算稳态温度场结果。迭代算法为伪瞬态算法。为了加速收敛过程，流体域的时间步长设为Aggressive算法，1.2倍加速。而固体域只参与换热计算，可以取较大的时间步长以加快方程收敛，所以时间步长设为自动。收敛残差准则设为RMS≤10-6，采用high resolution差分格式和湍流格式，计算大于500步，以保证流体域的温度场和热焓充分发展。

1.5 网格无关性分析

以阀门正常运行工况(即工况1)为例进行网格无关性分析，设置4种密度的网格，观察熔盐出口面平均温度Tout、熔盐域最低温度Tmin、截止阀内壁面换热量Q1和截止阀外壁面换热量Q2。网格数量及计算结果如表4所示。4种网格下的温度场分布基本一致，熔盐出口面平均温度Tout也基本相同。对网格数比较敏感的熔盐域最低温度Tmin未见显著变化，最大偏差仅有4.2%。不同网格数下，截止阀内、外壁面的换热量基本守恒。网格数达到286万个后，换热量也基本保持不变。所以按照416万个网格数进行计算可以满足本文计算的精度要求，同时兼顾了计算效率，后续将以此为标准划分网格。

表4 不同网格数量计算结果

2 结果分析

2.1 阀门正常运行的温度场

工况1计算了阀门正常运行时可能达到的极端最低温度，目的是得到熔盐域最低温度，分析熔盐截止阀是否会发生熔盐凝固现象。由图2可以看到，在截止阀对称面上的温度分布合理。截止阀的温度从下往上逐渐递减。熔盐域是热源，整体温度较高。空气域的温度分布有明显的温度边界层现象，贴近截止阀外壁面的气温比周围气温要高，在阀外壁面附近形成了一层高温空气层。如图3所示，阀外壁面的光滑区域附近的对流换热系数较小，而在螺栓螺母等结构复杂区域附近，空气形成漩涡，所以对流换热系数也较大。对流换热系数的数值在大空间自然对流的常见换热系数量级范围内，为2.369～12.832 W/m2·K，说明计算合理。提取阀外壁面的温度分布如图4所示，发现截止阀整机温度分布在121.454～548.215 ℃，最高温分布在阀体附近，最低温在阀盖顶端。

图5为熔盐由入口流入后，受到阀门形状影响，大部分从阀芯左下方直接流出，最大流速为8.922 m/s，是进口流速的2倍多。其中一部分熔盐被阀芯阻拦，在阀芯底部形成一个逆时针小漩涡；而另一部分熔盐由于浮力流入上方迷宫段，沿着密封波纹管螺旋上升，到达密封段顶部后回流，形成大范围的对流，利于熔盐温度分布均匀。根据图6得到熔盐域最低温度为518.088 ℃，远高于熔盐凝固点温度223～238 ℃，因此，熔盐在阀门内部不会发生凝固现象。

2.2 突然失流且阀芯未回座的温度场

工况2模拟的是突然失流且阀芯未及时回座的故障工况，采用了与工况1相同的数值模型，但假设熔盐入口流速为0.01 m/s。如图7、8所示，工况2下空气域的流场分布与工况1中近乎相同，二者空气域温度场的分布趋势也基本一致，但熔盐域的速度场有很大不同。工况2中熔盐入口流速很低，但由于熔盐密度随温度增大而降低，所以在阀内形成了大强度的自然循环。熔盐由进口流入后，穿过阀芯左下方，一部分流到出口，另一部分浮升到上方密封段，形成顺时针的循环对流。在密封波纹管附近，熔盐流速甚至超过了入口流速，达到0.125 m/s。熔盐流动加强了换热，所以熔盐域的最低温度并未有大幅度的下降。如图9所示，提取熔盐外壁的温度分布，发现熔盐域最低温度为329.998 ℃，高于熔盐凝固点，不会发生熔盐凝固现象。由图10可以看到，截止阀整机温度分布在94.489～442.215 ℃。

2.3 阀门紧急关闭的温度场

工况3模拟了阀门紧急关闭时可能达到的极端最低温度。由于采用阀门关闭的模型，并且计算时假设阀门内充满熔盐，所以熔盐域分为两部分。熔盐域进出口面设为opening，如图11所示，熔盐域整体流速很低，最大值为0.228 m/s，熔盐域和截止阀的温度分布也比阀门正常运行(工况1)时低，熔盐有发生凝固现象的可能。如图12和图13所示，分别展示了截止阀外壁面和熔盐外壁的温度分布。截止阀整机温度分布在128.147～460.758 ℃，仍保持在较高的温度水平。所以空气域的流场和温度场受阀门关闭的影响较小，如图14所示，自然对流的最大速度为1.642 m/s，与工况1相近。而熔盐域的最低温度为394.924 ℃，因此，在阀门紧急关闭的工况下，截止阀不会发生熔盐凝固现象。