高温熔盐泵底座支撑钢架温度场的数值模拟

胡日骍 曾柱楷 曾 勇 吴旺松 徐灿君 廖 锷 张立栋

（1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司；2.东北电力大学能源与动力工程学院）

高温熔盐泵是以熔盐为传送介质的泵，广泛应用于核电、化工及太阳能等领域。 目前，国内太阳能光热发电项目正处于高速发展期，在太阳能光热发电中，熔盐泵长期在270～550 ℃高温工况下运行，在核电领域，熔盐介质温度甚至可高达700～750 ℃［1，2］。 由于熔盐泵长期在高温工况下运行，因此需要密切关注其工作性能和安全性。

影响熔盐泵工作性能的因素很多，例如熔盐相态、粘度及泵结构等。 通常，熔盐泵输送的介质为完全熔融的盐， 当温度降低析出结晶颗粒时，泵内流动由单相流转为盐析两相流，析出的颗粒对熔盐泵工作性能有很大的影响。 邵春雷等通过实验和数值模拟研究分析了晶体颗粒在熔盐泵内的体积分数分布特性，以及颗粒直径、密度及泵叶片数对熔盐泵外特性和内部流动的影响规律［3～5］。为了研究不同粘度液体下熔盐泵的外部性能和内部流动，SHAO C L 等采用数值模拟方法研究了熔盐泵在不同粘度液体时的非稳态流动，定量地阐明了不同粘度液体下熔盐泵的非稳态流动特性［6，7］。

此外， 保障熔盐泵安全运行也极为重要，为保障熔盐泵工作的安全性，泵的受力特性、泵材料、泵轴承的承温极限及泵底座钢架承温极限等都需要考虑。 单春贤等分析了熔盐泵轴承温度与泵转速、熔盐介质温度、润滑油流量以及进油温度之间的变化规律［8］。 为降低熔盐泵轴承的承受温度，王凯等采用数值模拟方法对高温熔盐泵散热器进行了优化分析［2］；李云校等采用数值模拟方法， 研究了单-双蜗壳离心泵内部流动规律及泵体受力特性，探究了泵振动特性与内部流动的关联［9］；朱洋等采用ANSYS 软件模拟了熔盐泵转子的应力与变形，研究了不同介质流量下非定常流动对转子部件的影响，考察了泵转子结构的模态性能［10］。

熔盐泵底座支撑钢架的工作性能也会影响熔盐泵运行的可靠性，熔盐泵底座采用工字钢结构支撑， 熔盐泵在工作过程中会产生一定的振动，并将振动传递到钢架上。 当钢架的受热温度超过200 ℃时，其屈服强度、抗拉强度和弹性模量随温度升高会有一定程度降低，为保障熔盐泵正常运行，支撑钢架的工作性能需稳定可靠。 因此，研究熔盐温度等因素对熔盐泵支撑钢架受热面温度分布的影响很有必要。

笔者采用数值模拟方法分析熔盐温度、隔热垫片对高温熔盐泵支撑钢架受热面温度场的影响，研究结果对熔盐泵的安装设计具有一定参考价值。

1 主要设计参数及物性参数

本研究设定熔盐工作温度在520～600 ℃。 泵体和钢结构导热系数λ、 比热C满足拟合多项式，表 达 式 分 别 为λ=0.0148T+10.69 W/（m·K），C=0.19T+441.28 J/（kg·K）。隔热垫片厚度5 mm，位于熔盐泵底座与支撑钢架之间以及底座两安装钢板之间，其导热系数范围为0.10～16.00 W/（m·K）。

2 物理模型及边界条件

2.1 物理模型

熔盐泵的实体建模采用NX 软件， 其物理模型如图1 所示。 定义靠近输盐管侧为支撑钢架的A 侧，背对输盐管侧为支撑钢架的B 侧。 模型的网格划分在ICEM 软件完成，由于模型比较复杂，整个计算域采用非结构化四面体网格，隔热垫片网格进行局部加密，总网格数量为4 321 453。

2.2 边界条件设置

熔盐泵的高温区域主要集中在输盐管和相邻轴管部位， 当熔盐泵处于稳定工作状态时，熔盐工作温度恒定在550 ℃左右，输盐管壁面温度接近550 ℃。 采用Fluent 软件进行稳态数值计算， 输盐管和相邻轴管壁面温度均设为550 ℃，熔盐泵外侧壁面对流换热系数根据传热损失设为0.6 W/（m2·K）。

3 计算结果与分析

通过数值计算，获得无隔热垫片时（即设定材料导热系数与钢材一致，为16.00 W/（m·K））熔盐泵的温度场分布如图2 所示，它与含隔热垫片（材料导热系数0.40 W/（m·K）） 时熔盐泵的温度场类似。 对比无隔热垫片与含隔热垫片时，熔盐泵支撑钢架A 侧受热面（以下简称A 侧受热面）的温度分布如图3 所示。

图2 无隔热垫片时熔盐泵温度场分布

图3 有/无隔热垫片时A 侧受热面温度场分布

由图2、3 可知，熔盐泵的高温区主要集中在输盐管附近区域， 在无隔热垫片时，A 侧受热面的最高温度高达235.8 ℃， 加入隔热垫片后其最高温度降至214.8 ℃，降低了21.0 ℃，同时其最高温度与最低温度的温差也降低了12 ℃。 隔热垫片的隔热效果明显，对支撑钢架起了较好的热防护作用。

为进一步分析熔盐温度和隔热垫片导热系数对A 侧受热面温度分布的影响，以下选取熔盐温度为520～600 ℃、 隔热垫片导热系数为0.05～16.00 W/（m·K）的变化区间，分析各因素对支撑钢架受热面温度分布的影响特性。

3.1 隔热垫片导热系数对支撑钢架受热面温度分布的影响

保持熔盐温度不变，改变隔热垫片导热系数从0.05 W/（m·K）变化到16.00 W/（m·K），获得熔盐温度分别为520、550、580 ℃时，A 侧受热面的最高温度变化规律如图4 所示。

图4 熔盐温度对A 侧受热面最高温度的影响

由图4 可以看出， 当隔热垫片导热系数在2.00～16.00 W/（m·K） 之间时，A 侧受热面的最高温度随隔热垫片导热系数减小而缓慢降低；但当隔热垫片导热系数在0.05～2.00 W/（m·K）之间时，A 侧受热面的最高温度随隔热垫片导热系数减小而快速降低， 且当隔热垫片导热系数小于0.40 W/（m·K）时，其下降幅度尤为明显。这说明， 隔热垫片的导热系数小于0.40 W/（m·K）时，其隔热效果最佳。

此外，还可以看出，当隔热垫片导热系数为16.00 W/（m·K）， 熔盐温度从520 ℃升高到580 ℃时，A 侧受热面的最高温度从221.2 ℃升高到248.7 ℃。 随着熔盐温度进一步提高，A 侧受热面的最高温度也将进一步升高，这会使得支撑钢架的工作性能减弱，安全可靠性降低。

3.2 熔盐温度对支撑钢架受热面温度分布的影响

由上述分析可知， 隔热垫片导热系数小于0.40 W/（m·K）时，其对支撑钢架受热面温度分布的影响非常大。 以下进一步分析隔热垫片导热系数分别为0.10、0.20、0.40 W/（m·K）时，熔盐温度对A 侧受热面最高温度的影响规律（图5）。

图5 隔热垫片导热系数对A 侧受热面最高温度的影响

由图5 可以看出，A 侧受热面最高温度随熔盐温度升高而线性升高，当隔热垫片导热系数为0.40 W/（m·K），熔盐温度从520 ℃升高到600 ℃时，A 侧受热面的最高温度从202.5 ℃升高到235.6 ℃；当隔热垫片导热系数降为0.10 W/（m·K），熔盐温度从520 ℃升高到600 ℃时，A 侧受热面最高温度始终低于200 ℃，钢架工作性能可得到较好的保障。

4 结论

4.1 熔盐泵工作时，高温区主要集中在输盐管和相邻轴管附近区域，当熔盐温度超过550 ℃且无隔热垫片时，熔盐泵支撑钢架的受热面最高温度可达到235.8 ℃以上， 这会影响支撑钢架的工作性能，但加入隔热垫片后，能明显降低支撑钢架的受热面温度。

4.2 当隔热垫片导热系数在2.00～16.00 W/（m·K）之间时， 隔热垫片对支撑钢架的热防护作用较弱； 当隔热垫片导热系数在0.40～2.00 W/（m·K）之间时， 隔热垫片对支撑钢架的热防护作用较强；当隔热垫片导热系数小于0.40 W/（m·K）时，隔热垫片对支撑钢架的热防护作用最好。

4.3 支撑钢架受热面最高温度随着熔盐温度的升高而线性升高， 当隔热垫片导热系数低于0.10 W/（m·K），熔盐温度低于600 ℃时，钢架支撑面最高温度始终低于200 ℃，支撑钢架的工作性能可得到较好的保障。