熔鹽儲熱調峰電站熔鹽泵設計

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 徐昕歆

1 引言

隨著我國經(jīng)濟體量迅速擴張，國民用電量也在逐年增長，電力負荷峰谷差距逐漸增大，目前電力系統(tǒng)調峰任務越發(fā)艱難；伴隨“30·60”政策落實，大規(guī)模可再生能源電站逐步并網(wǎng)，光伏電站和風電場發(fā)電質量低，電能波動性大，使得電網(wǎng)可控性變差，電力系統(tǒng)調峰需求進一步增加。大量文獻數(shù)據(jù)研究得出，考慮電網(wǎng)調度便利性及新能源發(fā)電的不穩(wěn)定性，火電機組、抽水蓄能機組為目前主要調峰電源，光熱電站和儲能電站為新型調峰電源[1]。

在熔鹽儲熱調峰電站領域，為增大機組調峰深度及增強其靈活性，利用太陽能光熱電站，以及對現(xiàn)有火電機組進行靈活性改造是電網(wǎng)調峰的重要手段[2]。根據(jù)中國資源分布差異及現(xiàn)實情況，太陽能資源豐富地區(qū)光熱電站以熔鹽為儲換熱介質吸收存儲熱量，實現(xiàn)區(qū)域電力平衡；富煤地區(qū)火電機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，沿海地區(qū)火電機組靈活性改造以增設儲熱裝置為主，包括電極鍋爐、電鍋爐固體儲熱和熔鹽儲熱技術，熔鹽儲熱調峰技術開發(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)深度調峰技術。

熔鹽泵是熔鹽儲熱調峰電站里的關鍵設備，主要用于輸送高低溫硝酸鹽，在其他化工領域中也被廣泛使用。近年來，熔鹽在熔鹽儲熱調峰領域和太陽能熱發(fā)電領域得到推廣應用[3]，由于電站用的熔鹽使用溫度在180～580℃，對系統(tǒng)和設備運行的穩(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目工程應用具有重要意義。

本文在此基礎上依托熔鹽儲熱調峰項目，從火電廠靈活性改造工程應用角度對高、低溫熔鹽泵流量、揚程進行計算，開展熔鹽儲熱調峰系統(tǒng)中的高、低溫熔鹽泵的選型研究，力求較為準確地反映出熔鹽泵的運行特性，也為熔鹽儲熱調峰項目系統(tǒng)優(yōu)化設計和全系統(tǒng)性能仿真平臺搭建提供基礎支撐。

2 設計規(guī)范對熔鹽泵設計要求

熔鹽儲熱調峰項目儲熱過程以熔鹽為儲熱介質，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，送至高溫熔鹽罐進行儲存[4]；放熱過程也采用熔鹽作為傳熱介質，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、低溫熔鹽泵的設計計算，綜合塔式、槽式太陽能光熱發(fā)電站設計規(guī)范要求，其基本計算內容包括熔鹽泵流量、揚程的計算，其中熔鹽泵揚程計算指泵出口至熔鹽儲罐間的揚程，包括沿程阻力、局部阻力和設備靜壓（差）三項。以上兩種設計規(guī)范適用于不同運行溫度的儲換熱介質，但是對于熔鹽泵設計流量系數(shù)、沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)及設計揚程系數(shù)選取均相同。本文依托的熔鹽儲熱調峰電站，其儲換熱系統(tǒng)中熔鹽運行溫度在180～385℃，更適合于槽式太陽能光熱發(fā)電站設計規(guī)范。

3 熔鹽泵計算模型

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

3.1 熔鹽泵熔鹽流量計算

熔鹽泵熔鹽流量應根據(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、熱鹽設計溫度、冷鹽設計溫度確定。根據(jù)規(guī)范設計，運行中的熔鹽泵熔鹽選泵流量應滿足設計流量的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 熔鹽泵揚程計算

熔鹽泵揚程計算公式如下：

式中，H—熔鹽泵設計理論揚程（鹽頭），熔鹽泵設計揚程應為其理論揚程的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—熔鹽管道內直徑，m；

ν—介質流速，m/s。

管道摩擦因子λ 計算公式如下：

當雷諾數(shù)Re ＜2320時，為滯留狀態(tài)，

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

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

當26.98（d2/ε）8/7＜Re ＜4160（d2/2ε）0.85時，

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

雷諾數(shù)Re 計算公式如下：

其中，υ為介質運動黏度，pa·s。

熔鹽在輸送過程中的總局部阻力∑hg按下式計算：

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計手冊》選取。

4 計算結果與分析

分別對高、低溫熔鹽泵進行流量、揚程計算。表1給出了熔鹽儲熱調峰項目三元鹽的主要物性參數(shù)。該鹽的熔點為115℃，初晶點138℃，分解溫度為565℃，液態(tài)熔鹽能在180～500℃的溫度范圍內長期使用。

表1 三元鹽物性參數(shù)

表2給出了高、低溫熔鹽泵主要運行參數(shù)。

表2 高、低溫熔鹽泵主要運行參數(shù)

4.1 熔鹽泵流量計算與分析

設計工況下，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、低溫熔鹽泵流量計算結果

國產(chǎn)設備電加熱器和換熱器的換熱效率可達99%以上，在工程應用中對熔鹽泵流量設計影響較小，熔鹽泵流量計算可以忽略設備效率的影響，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、低溫熔鹽泵流量計算公式（1），影響熔鹽泵流量數(shù)值的主要因素是設備額定功率及效率、熔鹽溫度變化量以及熔鹽定壓比熱容。熔鹽泵流量與設備額定功率成正比，與設備效率、熔鹽溫度變化量以及熔鹽定壓比熱容成反比。同時，在項目設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 熔鹽泵揚程計算與分析

在表3熔鹽泵理論流量計算基礎上，參考熔鹽泵設計邊界條件，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計手冊》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程，按不同流量負荷下對熔鹽泵揚程進行計算。表4為熔鹽泵設計邊界條件。

表4 高、低溫熔鹽泵設計邊界條件

4.2.1 熔鹽泵揚程計算分析

根據(jù)高、低溫熔鹽泵設計邊界條件，依次計算熔鹽泵15%、30%、40%、50%、60%、75%、80%、100%、110%流量負荷條件下熔鹽泵的設計揚程，計算結果如圖1所示。

圖1 不同流量負荷下高、低熔鹽泵設計揚程（鹽頭：m）

由計算結果可知，隨著流量負荷由15%增至110%，高、低溫熔鹽泵揚程均增大，對于高溫熔鹽泵，其揚程變化較大，對于低溫熔鹽泵，其揚程變化趨勢與高溫熔鹽泵相同，但是變化幅度較小。形成這一結果的原因是熔鹽泵揚程計算中，各組成項目對泵揚程的影響程度存在區(qū)別，且各組成項目隨熔鹽泵流量負荷變化的程度亦存在差異，需進一步對熔鹽泵揚程影響因素影響程度、組成要素隨熔鹽泵流量變化程度進行分析。

4.2.2 設計工況下熔鹽泵揚程組成要素計算分析

分別對比設計工況下高、低溫熔鹽泵揚程組成要素數(shù)據(jù)大小，計算結果如圖2所示。

圖2 設計工況下高、低溫熔鹽泵揚程組成要素占總揚程百分比

由計算結果可知，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程百分比較高，設備阻力和熔鹽在管道內靜壓差占熔鹽泵總揚程百分比居中。形成這一結果的原因是：

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

二是國內熔鹽調峰電站項目熔鹽罐尺寸多為（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程計算中罐體液位差靜壓力區(qū)別較小，電站調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)射流公式計算或進行儲罐內流場模擬計算得到，包含噴嘴阻力和保證儲罐內流場傳熱穩(wěn)定所需要的阻力，本文中儲罐出口無噴嘴，僅考慮保證儲罐內流場傳熱穩(wěn)定所需要的阻力，根據(jù)射流公式計算得到，在調峰能力大的電站，這一數(shù)據(jù)還會增大。

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

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

4.2.3 不同流量負荷下熔鹽泵揚程影響因素計算分析

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

圖3 不同流量負荷下熔鹽泵揚程影響因素數(shù)據(jù)的變化

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

5 結論

本文從工程應用角度對高、低溫熔鹽泵流量和揚程計算進行簡化建模，通過計算分析不同流量負荷下高、低溫熔鹽泵揚程，為后續(xù)熔鹽儲熱調峰項目熔鹽泵設計提供依據(jù)。主要結論如下：

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。

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

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

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

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