高温熔盐密度数值拟合与实验研究

刘文祥 石世宏

摘 要：介绍了热太阳能电厂的工作原理与流程以及熔盐密度对控制阀流通能力计算和选型的影响，表达了熔盐密度的拟合方法，应用控制阀流通能力测试原理和系统对不同温度下的流量和压损进行测量并推算熔盐密度值，然后比较验证拟合方法。

关键词：熔盐；密度；拟合；实验

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

1 概述

太阳能热发电是新能源技术之一，基本原理是镜面反射阳光加热存储有熔盐的管道，熔盐流动与蒸汽回路交换热量，蒸汽再推动汽轮机和发电机发电。熔盐热容比高，吸收和存储大量热能，其流动性、成本、稳定性、安全性也较好。熔盐由固态硝酸盐熔化形成，密度比水和蒸汽大，密度随温度变化。密度与粘度相关，影响到熔盐在阀门中的流通能力和选型计算，进而影响电厂的工作效率和成本。因此，研究高温熔盐密度对太阳能热发电厂的技术可靠性和经济性有重要意义。

熔盐成分为60%硝酸钠和40%硝酸钾，熔点在221℃左右，最高工作温度不超过600℃。为保证蒸汽发生段能够平稳和持续运行，熔盐热传输量依靠控制阀对流量进行调节。在设计时，控制阀额定流量和口径选择与所需流量、介质压力及密度有关，流量和压力由工艺设计决定，所以介质密度是与控制阀流通能力相关的唯一因素。

2 熔盐密度数值拟合

熔盐在260℃至621℃之間的熔盐密度经验拟合公式为：

ρ=2090-0.636T （1）

式中 ρ为熔盐密度；T为熔盐温度。由拟合公式（1）可见，熔盐密度随着温度的上升而下降，熔盐温度与密度的变化成线性关系。该拟合方法由于测试方法、设备和测试和分析过程中存在的误差，实际的熔盐密度与拟合方法的结果应有所不同，因此对该拟合方法的准确性需进行验证。

3 实验原理及系统

熔盐与水的流体特性相似，当流体不可压时，其伯努利方程为：

（2）

式中 p为流体压力；ρ为流体密度；g为重力加速度；z为流体在流动方向上的一维向量；V为流体流速或流量，const是常数。公式中 体现流体的压差势能，表示流体的重力势能，表示流体的动能。压差势能、重力势能和动能进行转化，总量保持恒定，在宏观上体现为压力的变化（即压差）和动能的变化（即流速或流量）。

在流体为不可压缩的、紊流和非阻塞流的情况下，控制阀流通能力公式为：

（3）

式中 C-控制阀流通能力；Q-体积流量；N1-数字常数；ρ1-介质在工作温度和压力下的密度；ρ0-15℃和1个大气压下水的密度；P1-控制阀入口处压力；P2-控制阀出口处压力。

在常温下用水为介质，把控制阀安装到流量测试系统上，在阀入口设置固定的流量和压力，调节阀芯开度，得出口处某压力，从而得到压差（即P1与P2的差值）。通过公式（3）计算得到控制阀的流通能力。阀的流通能力是与阀门结构和尺寸相关的固有特性，与介质、温度、流速和压力等因素无关。以此为基础，通过测得不同温度下熔盐的流量和压差来计算出该温度下的密度，然后与拟合计算结果比较。

流量测试系统如图2所示，系统由控制阀、管道、上游增压系统和下游储罐组成，增压系统和储罐与测试无直接关系，因此未体现在图中。在距离控制阀L1的上游管道设置取压口和取速口，取得入口压力和流量，在距离控制阀L2处设置取压口，取得出口压力。在取压口附近和阀体设置测温点，对介质温度进行监测。

首先用常温水进行测试，建立稳定的流量和压差，测取相应数据，根据公式（2）计算控制阀流通能力值。然后更换为熔盐进行测试，对管道和控制阀加热至260℃，待储罐中熔盐完全融化，启动增压泵，将熔盐泵入管道和阀门。观察测温点温度偏差不超过±2℃，待流量和入口压力稳定达到预定值，测得出口压力，再依次加热提高温度，测取压力、流量和温度值，相同操作方法直至温度达到620℃，记录下相关试验数据。

4 实验结果分析

利用水进行测试，测得压差和流量，通过公式（3）进行计算得到控制阀流通能力值。使用熔盐为介质测试，控制阀入口处流量Q为180 m3/h，入口压力P1为2840 kPa，测得各温度点下流量和压力，利用公式（3）推算出熔盐密度值，与拟合法得到的数值进行比较，结果如表1所示。

通过比较得到以下分析：

（1）熔盐密度随温度上升而下降，证明了随着温度升高，熔盐

分子内能增强，分子间运动加剧，运动距离加大，具体表现就是体积膨胀，单位体积的熔盐分子数减少，即质量减少和密度下降。

（2）随着温度上升，熔盐密度下降的速率接近于常数，这符合分子热力学原理，分子动能与体积变化之间的变化成基本线性。实验值变化率与拟合曲线斜率相似。

（3）在各个温度点下的熔盐密度，实验值比拟合值略大，但偏差不大，在1%到3%之间，说明拟合值基本可靠。300℃至450℃之间，实验值与拟合值的偏差均匀，主因是系统误差。500℃至600℃之间，偏差有增大趋势，原因是熔盐物性从500℃开始产生较大变化，分解化学反应开始发生并随着温度增加而严重。

5 结语

熔盐密度与控制阀设计和选型密切相关，依托于流体动力学理论和方法设计流量测试系统并测取各高温点下熔盐流量和压力，进而验证熔盐密度数值拟合方法可靠。同时发现在极高温度下，熔盐密度偏差增大，需进一步分析原因。熔盐在允许工作温度范围内，应尽量使用其极限温度，此时熔盐流动性和传热效率最有利于发挥太阳能热电厂发电效能。

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作者简介：刘文祥（1979-），男，安徽天长人，本科，工程师，研究方向： 流体机械和工业阀门研发和设计。