中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 徐昕歆

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)體量迅速擴(kuò)張，國民用電量也在逐年增長，電力負(fù)荷峰谷差距逐漸增大，目前電力系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)越發(fā)艱難；伴隨“30·60”政策落實(shí)，大規(guī)?？稍偕茉措娬局鸩讲⒕W(wǎng)，光伏電站和風(fēng)電場發(fā)電質(zhì)量低，電能波動性大，使得電網(wǎng)可控性變差，電力系統(tǒng)調(diào)峰需求進(jìn)一步增加。大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)研究得出，考慮電網(wǎng)調(diào)度便利性及新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，火電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組為目前主要調(diào)峰電源，光熱電站和儲能電站為新型調(diào)峰電源[1]。

在熔鹽儲熱調(diào)峰電站領(lǐng)域，為增大機(jī)組調(diào)峰深度及增強(qiáng)其靈活性，利用太陽能光熱電站，以及對現(xiàn)有火電機(jī)組進(jìn)行靈活性改造是電網(wǎng)調(diào)峰的重要手段[2]。根據(jù)中國資源分布差異及現(xiàn)實(shí)情況，太陽能資源豐富地區(qū)光熱電站以熔鹽為儲換熱介質(zhì)吸收存儲熱量，實(shí)現(xiàn)區(qū)域電力平衡；富煤地區(qū)火電機(jī)組靈活性改造主要有蒸汽旁路改造、儲熱罐、高背壓、光軸、電鍋爐及低壓缸少蒸汽等技術(shù)，沿海地區(qū)火電機(jī)組靈活性改造以增設(shè)儲熱裝置為主，包括電極鍋爐、電鍋爐固體儲熱和熔鹽儲熱技術(shù)，熔鹽儲熱調(diào)峰技術(shù)開發(fā)成本低、儲能密度高、空間占用小，是較優(yōu)的電網(wǎng)系統(tǒng)深度調(diào)峰技術(shù)。

熔鹽泵是熔鹽儲熱調(diào)峰電站里的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于輸送高低溫硝酸鹽，在其他化工領(lǐng)域中也被廣泛使用。近年來，熔鹽在熔鹽儲熱調(diào)峰領(lǐng)域和太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用[3]，由于電站用的熔鹽使用溫度在180～580℃，對系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求較高，因此熔鹽泵選型分析對于同類型項(xiàng)目工程應(yīng)用具有重要意義。

本文在此基礎(chǔ)上依托熔鹽儲熱調(diào)峰項(xiàng)目，從火電廠靈活性改造工程應(yīng)用角度對高、低溫熔鹽泵流量、揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算，開展熔鹽儲熱調(diào)峰系統(tǒng)中的高、低溫熔鹽泵的選型研究，力求較為準(zhǔn)確地反映出熔鹽泵的運(yùn)行特性，也為熔鹽儲熱調(diào)峰項(xiàng)目系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和全系統(tǒng)性能仿真平臺搭建提供基礎(chǔ)支撐。

2 設(shè)計(jì)規(guī)范對熔鹽泵設(shè)計(jì)要求

熔鹽儲熱調(diào)峰項(xiàng)目儲熱過程以熔鹽為儲熱介質(zhì)，通過低溫熔鹽泵將熔鹽從低溫熔鹽罐輸送至熔鹽電加熱器，經(jīng)熔鹽電加熱器加熱至385℃后，送至高溫熔鹽罐進(jìn)行儲存[4]；放熱過程也采用熔鹽作為傳熱介質(zhì)，通過高溫熔鹽泵將熔鹽從高溫熔鹽罐輸送至SGS（蒸汽發(fā)生）系統(tǒng)[5]，與水進(jìn)行換熱產(chǎn)生所需蒸汽，接入工業(yè)供汽母管，送至供熱蒸汽匯集箱。

高、低溫熔鹽泵的設(shè)計(jì)計(jì)算，綜合塔式、槽式太陽能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范要求，其基本計(jì)算內(nèi)容包括熔鹽泵流量、揚(yáng)程的計(jì)算，其中熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算指泵出口至熔鹽儲罐間的揚(yáng)程，包括沿程阻力、局部阻力和設(shè)備靜壓（差）三項(xiàng)。以上兩種設(shè)計(jì)規(guī)范適用于不同運(yùn)行溫度的儲換熱介質(zhì)，但是對于熔鹽泵設(shè)計(jì)流量系數(shù)、沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)及設(shè)計(jì)揚(yáng)程系數(shù)選取均相同。本文依托的熔鹽儲熱調(diào)峰電站，其儲換熱系統(tǒng)中熔鹽運(yùn)行溫度在180～385℃，更適合于槽式太陽能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 熔鹽泵計(jì)算模型

熔鹽儲熱調(diào)峰電站系統(tǒng)包含高、低溫熔鹽泵，兩者計(jì)算模型一致，運(yùn)行邊界條件不同。熔鹽泵計(jì)算包括流經(jīng)熔鹽泵熔鹽流量計(jì)算和熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算[6]，需先計(jì)算熔鹽泵熔鹽流量，作為揚(yáng)程計(jì)算基礎(chǔ)和設(shè)備選型依據(jù)，再根據(jù)熔鹽泵熔鹽流量、管路布置、設(shè)備靜壓（差）計(jì)算得出熔鹽泵揚(yáng)程。本熔鹽儲熱調(diào)峰電站系統(tǒng)包含高、低溫熔鹽泵各3臺，按3×50%配置，均為2運(yùn)1備。

3.1 熔鹽泵熔鹽流量計(jì)算

熔鹽泵熔鹽流量應(yīng)根據(jù)電加熱器（換熱系統(tǒng)）額定功率、熔鹽熱物性參數(shù)、電加熱器（換熱系統(tǒng)）效率、熱鹽設(shè)計(jì)溫度、冷鹽設(shè)計(jì)溫度確定。根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)，運(yùn)行中的熔鹽泵熔鹽選泵流量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)流量的110%。

式中，Qcc—熔鹽泵選泵流量，t/h；

P—換熱系統(tǒng)額定功率，W；

nc—熔鹽泵運(yùn)行數(shù)量，臺；

F（CP）—熔鹽比熱容函數(shù)，J/（kg·℃）；

T—熔鹽溫度，℃；

η—換熱系統(tǒng)效率，無量綱。

3.2 熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算

熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算公式如下：

式中，H—熔鹽泵設(shè)計(jì)理論揚(yáng)程（鹽頭），熔鹽泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)為其理論揚(yáng)程的1.05～1.10倍，m；

ΔZ—高（低）溫儲罐最低工作液位時，兩個儲罐內(nèi)液位高度差，m；

ΔP1—熔鹽管道系統(tǒng)靜壓差，kPa；

ρ—熔鹽密度，kg/m3；

g—常量，一般取9.8N/kg。

ΔP2—設(shè)備阻力，kPa；

∑hf—總沿程阻力，m；

∑hg—總局部阻力，m；

POUT—出口壓力，kPa。

熔鹽在輸送過程中的總沿程阻力∑hf按下式計(jì)算：

式中，λ—管道摩擦因子，無量綱；

L—管路總長度，m；

D—熔鹽管道內(nèi)直徑，m；

ν—介質(zhì)流速，m/s。

管道摩擦因子λ 計(jì)算公式如下：

當(dāng)雷諾數(shù)Re ＜2320時，為滯留狀態(tài)，

當(dāng)2320＜Re ＜4000時，管道摩擦因子均在摩擦因子圖內(nèi)查取數(shù)值；

當(dāng)4000＜Re ＜26.98（d2/εfalse）8/7時，為紊流光滑管區(qū)，

當(dāng)26.98（d2/ε）8/7＜Re ＜4160（d2/2ε）0.85時，

當(dāng)4160（d2/2ε）0.85＜Re 時，為紊流粗糙管平方阻力區(qū)，

雷諾數(shù)Re 計(jì)算公式如下：

其中，υ為介質(zhì)運(yùn)動黏度，pa·s。

熔鹽在輸送過程中的總局部阻力∑hg按下式計(jì)算：

其中，ζ為局部阻力系數(shù)，無量綱。本文所用熔鹽為三元鹽，是不可壓縮流體，局部阻力系數(shù)參考《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊》選取。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

分別對高、低溫熔鹽泵進(jìn)行流量、揚(yáng)程計(jì)算。表1給出了熔鹽儲熱調(diào)峰項(xiàng)目三元鹽的主要物性參數(shù)。該鹽的熔點(diǎn)為115℃，初晶點(diǎn)138℃，分解溫度為565℃，液態(tài)熔鹽能在180～500℃的溫度范圍內(nèi)長期使用。

表1 三元鹽物性參數(shù)

表2給出了高、低溫熔鹽泵主要運(yùn)行參數(shù)。

表2 高、低溫熔鹽泵主要運(yùn)行參數(shù)

4.1 熔鹽泵流量計(jì)算與分析

設(shè)計(jì)工況下，根據(jù)表1擬合出三元鹽變比熱容函數(shù)公式，再根據(jù)公式（1）計(jì)算得出高、低溫熔鹽泵流量。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 高、低溫熔鹽泵流量計(jì)算結(jié)果

國產(chǎn)設(shè)備電加熱器和換熱器的換熱效率可達(dá)99%以上，在工程應(yīng)用中對熔鹽泵流量設(shè)計(jì)影響較小，熔鹽泵流量計(jì)算可以忽略設(shè)備效率的影響，本文電熔鹽加熱器和換熱器的額定功率是考慮換熱效率后給定的數(shù)值。參考高、低溫熔鹽泵流量計(jì)算公式（1），影響熔鹽泵流量數(shù)值的主要因素是設(shè)備額定功率及效率、熔鹽溫度變化量以及熔鹽定壓比熱容。熔鹽泵流量與設(shè)備額定功率成正比，與設(shè)備效率、熔鹽溫度變化量以及熔鹽定壓比熱容成反比。同時，在項(xiàng)目設(shè)備功率確定的條件下，影響熔鹽泵流量的核心因素是熔鹽比熱容和熔鹽溫度變化量。

4.2 熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算與分析

在表3熔鹽泵理論流量計(jì)算基礎(chǔ)上，參考熔鹽泵設(shè)計(jì)邊界條件，根據(jù)公式（8）求出熔鹽雷諾數(shù)，參考公式（4）～（7）求取沿程阻力系數(shù)，根據(jù)《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊》查取熔鹽管道局部阻力系數(shù)，代入至公式（3）、公式（9）分別計(jì)算出熔鹽泵沿程阻力和局部阻力，參考公式（2）匯總得出熔鹽泵理論揚(yáng)程，按不同流量負(fù)荷下對熔鹽泵揚(yáng)程進(jìn)行計(jì)算。表4為熔鹽泵設(shè)計(jì)邊界條件。

表4 高、低溫熔鹽泵設(shè)計(jì)邊界條件

4.2.1 熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算分析

根據(jù)高、低溫熔鹽泵設(shè)計(jì)邊界條件，依次計(jì)算熔鹽泵15%、30%、40%、50%、60%、75%、80%、100%、110%流量負(fù)荷條件下熔鹽泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同流量負(fù)荷下高、低熔鹽泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程（鹽頭：m）

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著流量負(fù)荷由15%增至110%，高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程均增大，對于高溫熔鹽泵，其揚(yáng)程變化較大，對于低溫熔鹽泵，其揚(yáng)程變化趨勢與高溫熔鹽泵相同，但是變化幅度較小。形成這一結(jié)果的原因是熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算中，各組成項(xiàng)目對泵揚(yáng)程的影響程度存在區(qū)別，且各組成項(xiàng)目隨熔鹽泵流量負(fù)荷變化的程度亦存在差異，需進(jìn)一步對熔鹽泵揚(yáng)程影響因素影響程度、組成要素隨熔鹽泵流量變化程度進(jìn)行分析。

4.2.2 設(shè)計(jì)工況下熔鹽泵揚(yáng)程組成要素計(jì)算分析

分別對比設(shè)計(jì)工況下高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程組成要素數(shù)據(jù)大小，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)工況下高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程組成要素占總揚(yáng)程百分比

由計(jì)算結(jié)果可知，高、低溫熔鹽泵的總沿程阻力和總局部阻力占熔鹽泵總揚(yáng)程百分比均比較小，罐體液位差靜壓力和熔鹽在儲罐出口壓力占熔鹽泵總揚(yáng)程百分比較高，設(shè)備阻力和熔鹽在管道內(nèi)靜壓差占熔鹽泵總揚(yáng)程百分比居中。形成這一結(jié)果的原因是：

一是本項(xiàng)目以火電廠調(diào)峰改造項(xiàng)目為基礎(chǔ)，國內(nèi)火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)成熟、占地面積小，因此在管徑確定的情況下，其介質(zhì)流速也是確定的，管道長度短導(dǎo)致管道沿程阻力和局部阻力均比較小，這一結(jié)論在火電廠熔鹽調(diào)峰電站里均適用。

二是國內(nèi)熔鹽調(diào)峰電站項(xiàng)目熔鹽罐尺寸多為（直徑10m×高9m）～（直徑25m×高12m），熔鹽死液位高度至最高液位高度基本在10m 左右，因此在絕大部分熔鹽泵揚(yáng)程計(jì)算中罐體液位差靜壓力區(qū)別較小，電站調(diào)峰能力越小熔鹽泵高度影響熔鹽泵程度越大。

三是熔鹽在儲罐出口壓力根據(jù)射流公式計(jì)算或進(jìn)行儲罐內(nèi)流場模擬計(jì)算得到，包含噴嘴阻力和保證儲罐內(nèi)流場傳熱穩(wěn)定所需要的阻力，本文中儲罐出口無噴嘴，僅考慮保證儲罐內(nèi)流場傳熱穩(wěn)定所需要的阻力，根據(jù)射流公式計(jì)算得到，在調(diào)峰能力大的電站，這一數(shù)據(jù)還會增大。

四是設(shè)備阻力由設(shè)備廠家提供這一數(shù)據(jù)，熔鹽在管道內(nèi)靜壓差根據(jù)管道總圖布置確定，可以認(rèn)為是熔鹽泵揚(yáng)程的影響因素，但影響程度需根據(jù)具體項(xiàng)目來確定。

影響高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程的核心因素主要是設(shè)備阻力、罐體液位差靜壓力、熔鹽在儲罐出口壓力和在管道內(nèi)的靜壓差。

4.2.3 不同流量負(fù)荷下熔鹽泵揚(yáng)程影響因素計(jì)算分析

高、低溫熔鹽泵采用相同的計(jì)算模型，以高溫熔鹽泵為例，分別對比不同流量負(fù)荷下熔鹽泵揚(yáng)程影響因素數(shù)據(jù)的變化，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同流量負(fù)荷下熔鹽泵揚(yáng)程影響因素數(shù)據(jù)的變化

由計(jì)算結(jié)果可知，罐體液位差靜壓力和熔鹽在管道內(nèi)靜壓差這兩項(xiàng)要素，不因流量負(fù)荷變化而變化，原因在于這兩項(xiàng)主要受高程影響，與流量變化無關(guān)。局部阻力和沿程阻力隨流量負(fù)荷增大而增大，變化趨勢一致，原因在于當(dāng)管徑不變時，流量增大引起管道介質(zhì)流速增大，管道介質(zhì)流速與局部阻力和沿程阻力均成正比，因此這兩項(xiàng)隨流量增大而增大。設(shè)備阻力隨流量負(fù)荷增大而增大，這項(xiàng)因素數(shù)據(jù)來源為設(shè)備廠家提供，因此變化趨勢受工程應(yīng)用影響。熔鹽在儲罐出口壓力隨流量負(fù)荷增大而減小，這項(xiàng)因素計(jì)算與射流公式、伯努利方程應(yīng)用、儲罐內(nèi)流場模擬計(jì)算、噴嘴阻力有關(guān)?？梢哉J(rèn)為熔鹽泵流量負(fù)荷變化是局部阻力、沿程阻力、設(shè)備阻力及罐體液位差靜壓力的影響因素。

5 結(jié)論

本文從工程應(yīng)用角度對高、低溫熔鹽泵流量和揚(yáng)程計(jì)算進(jìn)行簡化建模，通過計(jì)算分析不同流量負(fù)荷下高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程，為后續(xù)熔鹽儲熱調(diào)峰項(xiàng)目熔鹽泵設(shè)計(jì)提供依據(jù)。主要結(jié)論如下：

一是影響熔鹽泵流量的核心因素是熔鹽比熱容和熔鹽溫度變化量。

二是隨著流量負(fù)荷由15%增至110%，熔鹽泵揚(yáng)程均增大，在本文邊界條件下，高、低溫熔鹽泵其揚(yáng)程變化趨勢不同。

三是在本文邊界條件下，影響高、低溫熔鹽泵揚(yáng)程的核心因素主要是設(shè)備阻力、罐體液位差靜壓力、熔鹽在儲罐出口壓力和在管道內(nèi)的靜壓差。

四是罐體液位差靜壓力和熔鹽在管道內(nèi)靜壓差這兩項(xiàng)要素主要受高程影響，不因流量負(fù)荷變化而變化。局部阻力、沿程阻力和設(shè)備阻力隨流量負(fù)荷增大而增大，罐體液位差靜壓力隨流量負(fù)荷增大而減小。

五是本文熔鹽泵流量及揚(yáng)程計(jì)算對工程應(yīng)用具有一定意義，熔鹽泵流量計(jì)算可用于校核設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)熱平衡圖中熔鹽流量數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)范要求和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，熔鹽泵理論揚(yáng)程計(jì)算中沿程阻力和局部阻力的計(jì)算需考慮110%裕量，靜壓力（差）計(jì)算時不考慮裕量，熔鹽泵選泵揚(yáng)程應(yīng)為理論計(jì)算值的1.05～1.10倍。