高溫熔鹽密度數值擬合與實驗研究

劉文祥 石世宏

摘 要：介紹了熱太陽能電廠的工作原理與流程以及熔鹽密度對控制閥流通能力計算和選型的影響，表達了熔鹽密度的擬合方法，應用控制閥流通能力測試原理和系統對不同溫度下的流量和壓損進行測量并推算熔鹽密度值，然后比較驗證擬合方法。

關鍵詞：熔鹽；密度；擬合；實驗

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

1 概述

太陽能熱發電是新能源技術之一，基本原理是鏡面反射陽光加熱存儲有熔鹽的管道，熔鹽流動與蒸汽回路交換熱量，蒸汽再推動汽輪機和發電機發電。熔鹽熱容比高，吸收和存儲大量熱能，其流動性、成本、穩定性、安全性也較好。熔鹽由固態硝酸鹽熔化形成，密度比水和蒸汽大，密度隨溫度變化。密度與粘度相關，影響到熔鹽在閥門中的流通能力和選型計算，進而影響電廠的工作效率和成本。因此，研究高溫熔鹽密度對太陽能熱發電廠的技術可靠性和經濟性有重要意義。

熔鹽成分為60%硝酸鈉和40%硝酸鉀，熔點在221℃左右，最高工作溫度不超過600℃。為保證蒸汽發生段能夠平穩和持續運行，熔鹽熱傳輸量依靠控制閥對流量進行調節。在設計時，控制閥額定流量和口徑選擇與所需流量、介質壓力及密度有關，流量和壓力由工藝設計決定，所以介質密度是與控制閥流通能力相關的唯一因素。

2 熔鹽密度數值擬合

熔鹽在260℃至621℃之間的熔鹽密度經驗擬合公式為：

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系。該擬合方法由于測試方法、設備和測試和分析過程中存在的誤差，實際的熔鹽密度與擬合方法的結果應有所不同，因此對該擬合方法的準確性需進行驗證。

3 實驗原理及系統

熔鹽與水的流體特性相似，當流體不可壓時，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為流體在流動方向上的一維向量；V為流體流速或流量，const是常數。公式中 體現流體的壓差勢能，表示流體的重力勢能，表示流體的動能。壓差勢能、重力勢能和動能進行轉化，總量保持恒定，在宏觀上體現為壓力的變化（即壓差）和動能的變化（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-數字常數；ρ1-介質在工作溫度和壓力下的密度；ρ0-15℃和1個大氣壓下水的密度；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，把控制閥安裝到流量測試系統上，在閥入口設置固定的流量和壓力，調節閥芯開度，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）計算得到控制閥的流通能力。閥的流通能力是與閥門結構和尺寸相關的固有特性，與介質、溫度、流速和壓力等因素無關。以此為基礎，通過測得不同溫度下熔鹽的流量和壓差來計算出該溫度下的密度，然后與擬合計算結果比較。

流量測試系統如圖2所示，系統由控制閥、管道、上游增壓系統和下游儲罐組成，增壓系統和儲罐與測試無直接關系，因此未體現在圖中。在距離控制閥L1的上游管道設置取壓口和取速口，取得入口壓力和流量，在距離控制閥L2處設置取壓口，取得出口壓力。在取壓口附近和閥體設置測溫點，對介質溫度進行監測。

首先用常溫水進行測試，建立穩定的流量和壓差，測取相應數據，根據公式（2）計算控制閥流通能力值。然后更換為熔鹽進行測試，對管道和控制閥加熱至260℃，待儲罐中熔鹽完全融化，啟動增壓泵，將熔鹽泵入管道和閥門。觀察測溫點溫度偏差不超過±2℃，待流量和入口壓力穩定達到預定值，測得出口壓力，再依次加熱提高溫度，測取壓力、流量和溫度值，相同操作方法直至溫度達到620℃，記錄下相關試驗數據。

4 實驗結果分析

利用水進行測試，測得壓差和流量，通過公式（3）進行計算得到控制閥流通能力值。使用熔鹽為介質測試，控制閥入口處流量Q為180 m3/h，入口壓力P1為2840 kPa，測得各溫度點下流量和壓力，利用公式（3）推算出熔鹽密度值，與擬合法得到的數值進行比較，結果如表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

分子內能增強，分子間運動加劇，運動距離加大，具體表現就是體積膨脹，單位體積的熔鹽分子數減少，即質量減少和密度下降。

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

（3）在各個溫度點下的熔鹽密度，實驗值比擬合值略大，但偏差不大，在1%到3%之間，說明擬合值基本可靠。300℃至450℃之間，實驗值與擬合值的偏差均勻，主因是系統誤差。500℃至600℃之間，偏差有增大趨勢，原因是熔鹽物性從500℃開始產生較大變化，分解化學反應開始發生并隨著溫度增加而嚴重。

5 結語

熔鹽密度與控制閥設計和選型密切相關，依托于流體動力學理論和方法設計流量測試系統并測取各高溫點下熔鹽流量和壓力，進而驗證熔鹽密度數值擬合方法可靠。同時發現在極高溫度下，熔鹽密度偏差增大，需進一步分析原因。熔鹽在允許工作溫度范圍內，應盡量使用其極限溫度，此時熔鹽流動性和傳熱效率最有利于發揮太陽能熱電廠發電效能。

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作者簡介：劉文祥（1979-），男，安徽天長人，本科，工程師，研究方向： 流體機械和工業閥門研發和設計。