熔盐储热调峰电站熔盐泵设计

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 徐昕歆

1 引言

随着我国经济体量迅速扩张，国民用电量也在逐年增长，电力负荷峰谷差距逐渐增大，目前电力系统调峰任务越发艰难；伴随“30·60”政策落实，大规模可再生能源电站逐步并网，光伏电站和风电场发电质量低，电能波动性大，使得电网可控性变差，电力系统调峰需求进一步增加。大量文献数据研究得出，考虑电网调度便利性及新能源发电的不稳定性，火电机组、抽水蓄能机组为目前主要调峰电源，光热电站和储能电站为新型调峰电源[1]。

在熔盐储热调峰电站领域，为增大机组调峰深度及增强其灵活性，利用太阳能光热电站，以及对现有火电机组进行灵活性改造是电网调峰的重要手段[2]。根据中国资源分布差异及现实情况，太阳能资源丰富地区光热电站以熔盐为储换热介质吸收存储热量，实现区域电力平衡；富煤地区火电机组灵活性改造主要有蒸汽旁路改造、储热罐、高背压、光轴、电锅炉及低压缸少蒸汽等技术，沿海地区火电机组灵活性改造以增设储热装置为主，包括电极锅炉、电锅炉固体储热和熔盐储热技术，熔盐储热调峰技术开发成本低、储能密度高、空间占用小，是较优的电网系统深度调峰技术。

熔盐泵是熔盐储热调峰电站里的关键设备，主要用于输送高低温硝酸盐，在其他化工领域中也被广泛使用。近年来，熔盐在熔盐储热调峰领域和太阳能热发电领域得到推广应用[3]，由于电站用的熔盐使用温度在180～580℃，对系统和设备运行的稳定性和可靠性要求较高，因此熔盐泵选型分析对于同类型项目工程应用具有重要意义。

本文在此基础上依托熔盐储热调峰项目，从火电厂灵活性改造工程应用角度对高、低温熔盐泵流量、扬程进行计算，开展熔盐储热调峰系统中的高、低温熔盐泵的选型研究，力求较为准确地反映出熔盐泵的运行特性，也为熔盐储热调峰项目系统优化设计和全系统性能仿真平台搭建提供基础支撑。

2 设计规范对熔盐泵设计要求

熔盐储热调峰项目储热过程以熔盐为储热介质，通过低温熔盐泵将熔盐从低温熔盐罐输送至熔盐电加热器，经熔盐电加热器加热至385℃后，送至高温熔盐罐进行储存[4]；放热过程也采用熔盐作为传热介质，通过高温熔盐泵将熔盐从高温熔盐罐输送至SGS（蒸汽发生）系统[5]，与水进行换热产生所需蒸汽，接入工业供汽母管，送至供热蒸汽汇集箱。

高、低温熔盐泵的设计计算，综合塔式、槽式太阳能光热发电站设计规范要求，其基本计算内容包括熔盐泵流量、扬程的计算，其中熔盐泵扬程计算指泵出口至熔盐储罐间的扬程，包括沿程阻力、局部阻力和设备静压（差）三项。以上两种设计规范适用于不同运行温度的储换热介质，但是对于熔盐泵设计流量系数、沿程阻力系数、局部阻力系数及设计扬程系数选取均相同。本文依托的熔盐储热调峰电站，其储换热系统中熔盐运行温度在180～385℃，更适合于槽式太阳能光热发电站设计规范。

3 熔盐泵计算模型

熔盐储热调峰电站系统包含高、低温熔盐泵，两者计算模型一致，运行边界条件不同。熔盐泵计算包括流经熔盐泵熔盐流量计算和熔盐泵扬程计算[6]，需先计算熔盐泵熔盐流量，作为扬程计算基础和设备选型依据，再根据熔盐泵熔盐流量、管路布置、设备静压（差）计算得出熔盐泵扬程。本熔盐储热调峰电站系统包含高、低温熔盐泵各3台，按3×50%配置，均为2运1备。

3.1 熔盐泵熔盐流量计算

熔盐泵熔盐流量应根据电加热器（换热系统）额定功率、熔盐热物性参数、电加热器（换热系统）效率、热盐设计温度、冷盐设计温度确定。根据规范设计，运行中的熔盐泵熔盐选泵流量应满足设计流量的110%。

式中，Qcc—熔盐泵选泵流量，t/h；

P—换热系统额定功率，W；

nc—熔盐泵运行数量，台；

F（CP）—熔盐比热容函数，J/（kg·℃）；

T—熔盐温度，℃；

η—换热系统效率，无量纲。

3.2 熔盐泵扬程计算

熔盐泵扬程计算公式如下：

式中，H—熔盐泵设计理论扬程（盐头），熔盐泵设计扬程应为其理论扬程的1.05～1.10倍，m；

ΔZ—高（低）温储罐最低工作液位时，两个储罐内液位高度差，m；

ΔP1—熔盐管道系统静压差，kPa；

ρ—熔盐密度，kg/m3；

g—常量，一般取9.8N/kg。

ΔP2—设备阻力，kPa；

∑hf—总沿程阻力，m；

∑hg—总局部阻力，m；

POUT—出口压力，kPa。

熔盐在输送过程中的总沿程阻力∑hf按下式计算：

式中，λ—管道摩擦因子，无量纲；

L—管路总长度，m；

D—熔盐管道内直径，m；

ν—介质流速，m/s。

管道摩擦因子λ 计算公式如下：

当雷诺数Re ＜2320时，为滞留状态，

当2320＜Re ＜4000时，管道摩擦因子均在摩擦因子图内查取数值；

当4000＜Re ＜26.98（d2/εfalse）8/7时，为紊流光滑管区，

当26.98（d2/ε）8/7＜Re ＜4160（d2/2ε）0.85时，

当4160（d2/2ε）0.85＜Re 时，为紊流粗糙管平方阻力区，

雷诺数Re 计算公式如下：

其中，υ为介质运动黏度，pa·s。

熔盐在输送过程中的总局部阻力∑hg按下式计算：

其中，ζ为局部阻力系数，无量纲。本文所用熔盐为三元盐，是不可压缩流体，局部阻力系数参考《石油化工装置工艺管道安装设计手册》选取。

4 计算结果与分析

分别对高、低温熔盐泵进行流量、扬程计算。表1给出了熔盐储热调峰项目三元盐的主要物性参数。该盐的熔点为115℃，初晶点138℃，分解温度为565℃，液态熔盐能在180～500℃的温度范围内长期使用。

表1 三元盐物性参数

表2给出了高、低温熔盐泵主要运行参数。

表2 高、低温熔盐泵主要运行参数

4.1 熔盐泵流量计算与分析

设计工况下，根据表1拟合出三元盐变比热容函数公式，再根据公式（1）计算得出高、低温熔盐泵流量。具体数据见表3。

表3 高、低温熔盐泵流量计算结果

国产设备电加热器和换热器的换热效率可达99%以上，在工程应用中对熔盐泵流量设计影响较小，熔盐泵流量计算可以忽略设备效率的影响，本文电熔盐加热器和换热器的额定功率是考虑换热效率后给定的数值。参考高、低温熔盐泵流量计算公式（1），影响熔盐泵流量数值的主要因素是设备额定功率及效率、熔盐温度变化量以及熔盐定压比热容。熔盐泵流量与设备额定功率成正比，与设备效率、熔盐温度变化量以及熔盐定压比热容成反比。同时，在项目设备功率确定的条件下，影响熔盐泵流量的核心因素是熔盐比热容和熔盐温度变化量。

4.2 熔盐泵扬程计算与分析

在表3熔盐泵理论流量计算基础上，参考熔盐泵设计边界条件，根据公式（8）求出熔盐雷诺数，参考公式（4）～（7）求取沿程阻力系数，根据《石油化工装置工艺管道安装设计手册》查取熔盐管道局部阻力系数，代入至公式（3）、公式（9）分别计算出熔盐泵沿程阻力和局部阻力，参考公式（2）汇总得出熔盐泵理论扬程，按不同流量负荷下对熔盐泵扬程进行计算。表4为熔盐泵设计边界条件。

表4 高、低温熔盐泵设计边界条件

4.2.1 熔盐泵扬程计算分析

根据高、低温熔盐泵设计边界条件，依次计算熔盐泵15%、30%、40%、50%、60%、75%、80%、100%、110%流量负荷条件下熔盐泵的设计扬程，计算结果如图1所示。

图1 不同流量负荷下高、低熔盐泵设计扬程（盐头：m）

由计算结果可知，随着流量负荷由15%增至110%，高、低温熔盐泵扬程均增大，对于高温熔盐泵，其扬程变化较大，对于低温熔盐泵，其扬程变化趋势与高温熔盐泵相同，但是变化幅度较小。形成这一结果的原因是熔盐泵扬程计算中，各组成项目对泵扬程的影响程度存在区别，且各组成项目随熔盐泵流量负荷变化的程度亦存在差异，需进一步对熔盐泵扬程影响因素影响程度、组成要素随熔盐泵流量变化程度进行分析。

4.2.2 设计工况下熔盐泵扬程组成要素计算分析

分别对比设计工况下高、低温熔盐泵扬程组成要素数据大小，计算结果如图2所示。

图2 设计工况下高、低温熔盐泵扬程组成要素占总扬程百分比

由计算结果可知，高、低温熔盐泵的总沿程阻力和总局部阻力占熔盐泵总扬程百分比均比较小，罐体液位差静压力和熔盐在储罐出口压力占熔盐泵总扬程百分比较高，设备阻力和熔盐在管道内静压差占熔盐泵总扬程百分比居中。形成这一结果的原因是：

一是本项目以火电厂调峰改造项目为基础，国内火力发电厂设计成熟、占地面积小，因此在管径确定的情况下，其介质流速也是确定的，管道长度短导致管道沿程阻力和局部阻力均比较小，这一结论在火电厂熔盐调峰电站里均适用。

二是国内熔盐调峰电站项目熔盐罐尺寸多为（直径10m×高9m）～（直径25m×高12m），熔盐死液位高度至最高液位高度基本在10m 左右，因此在绝大部分熔盐泵扬程计算中罐体液位差静压力区别较小，电站调峰能力越小熔盐泵高度影响熔盐泵程度越大。

三是熔盐在储罐出口压力根据射流公式计算或进行储罐内流场模拟计算得到，包含喷嘴阻力和保证储罐内流场传热稳定所需要的阻力，本文中储罐出口无喷嘴，仅考虑保证储罐内流场传热稳定所需要的阻力，根据射流公式计算得到，在调峰能力大的电站，这一数据还会增大。

四是设备阻力由设备厂家提供这一数据，熔盐在管道内静压差根据管道总图布置确定，可以认为是熔盐泵扬程的影响因素，但影响程度需根据具体项目来确定。

影响高、低温熔盐泵扬程的核心因素主要是设备阻力、罐体液位差静压力、熔盐在储罐出口压力和在管道内的静压差。

4.2.3 不同流量负荷下熔盐泵扬程影响因素计算分析

高、低温熔盐泵采用相同的计算模型，以高温熔盐泵为例，分别对比不同流量负荷下熔盐泵扬程影响因素数据的变化，计算结果如图3所示。

图3 不同流量负荷下熔盐泵扬程影响因素数据的变化

由计算结果可知，罐体液位差静压力和熔盐在管道内静压差这两项要素，不因流量负荷变化而变化，原因在于这两项主要受高程影响，与流量变化无关。局部阻力和沿程阻力随流量负荷增大而增大，变化趋势一致，原因在于当管径不变时，流量增大引起管道介质流速增大，管道介质流速与局部阻力和沿程阻力均成正比，因此这两项随流量增大而增大。设备阻力随流量负荷增大而增大，这项因素数据来源为设备厂家提供，因此变化趋势受工程应用影响。熔盐在储罐出口压力随流量负荷增大而减小，这项因素计算与射流公式、伯努利方程应用、储罐内流场模拟计算、喷嘴阻力有关。可以认为熔盐泵流量负荷变化是局部阻力、沿程阻力、设备阻力及罐体液位差静压力的影响因素。

5 结论

本文从工程应用角度对高、低温熔盐泵流量和扬程计算进行简化建模，通过计算分析不同流量负荷下高、低温熔盐泵扬程，为后续熔盐储热调峰项目熔盐泵设计提供依据。主要结论如下：

一是影响熔盐泵流量的核心因素是熔盐比热容和熔盐温度变化量。

二是随着流量负荷由15%增至110%，熔盐泵扬程均增大，在本文边界条件下，高、低温熔盐泵其扬程变化趋势不同。

三是在本文边界条件下，影响高、低温熔盐泵扬程的核心因素主要是设备阻力、罐体液位差静压力、熔盐在储罐出口压力和在管道内的静压差。

四是罐体液位差静压力和熔盐在管道内静压差这两项要素主要受高程影响，不因流量负荷变化而变化。局部阻力、沿程阻力和设备阻力随流量负荷增大而增大，罐体液位差静压力随流量负荷增大而减小。

五是本文熔盐泵流量及扬程计算对工程应用具有一定意义，熔盐泵流量计算可用于校核设计工况下系统热平衡图中熔盐流量数据，根据规范要求和实际工程经验，熔盐泵理论扬程计算中沿程阻力和局部阻力的计算需考虑110%裕量，静压力（差）计算时不考虑裕量，熔盐泵选泵扬程应为理论计算值的1.05～1.10倍。