太陽(yáng)能光熱電站熔鹽截止閥整機(jī)溫度場(chǎng)分析

胡永海,陸佳銘

(中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海 201316 )

0 前 言

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是一種新型高效的發(fā)電技術(shù)，興起于20世紀(jì)80年代。熔鹽塔式系統(tǒng)是目前比較成熟的太陽(yáng)能光熱電站系統(tǒng)，其采用液態(tài)二元熔鹽為吸熱、傳熱介質(zhì)。熔鹽在常溫下為固態(tài)，導(dǎo)電率較高，使用的溫度范圍也較廣，蒸汽壓低，熱容量大，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。這些優(yōu)點(diǎn)使得熔鹽不僅在化工產(chǎn)品的制備中得到大量應(yīng)用，而且也使熔鹽被廣泛地用作太陽(yáng)能光熱電站的蓄熱材料和傳熱介質(zhì)[1-2]。

青海共和50 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱電站中的熔鹽截止閥位于電站的熔鹽管道回路中，以兩端焊接方式連接，輸運(yùn)高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕性的液態(tài)二元熔鹽60%NaNO3-40%KNO3，運(yùn)行溫度為290～565 ℃，設(shè)計(jì)溫度600 ℃[3]。高溫熔鹽的凝固點(diǎn)溫度是223～238 ℃，截止閥內(nèi)部熔鹽一旦發(fā)生凝固，將會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞光熱發(fā)電設(shè)備。因此，避免太陽(yáng)能光熱電站熔鹽截止閥在任何運(yùn)行工況下發(fā)生凝固現(xiàn)象，是保證太陽(yáng)能光熱電站穩(wěn)定運(yùn)行的必要前提[4-5]。本文以青海共和縣50 MW級(jí)太陽(yáng)能光熱電站熔鹽截止閥為研究對(duì)象，采用ANSYS仿真軟件對(duì)熔鹽截止閥不同工況下的整機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，為熔鹽截止閥在光熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

1 分析方法

1.1 概 況

鑒于青海共和縣50 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱電站高溫熔鹽的物性以及其輸送管道的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，截止閥較適用于光熱電站。熔鹽截止閥一般采用Globe形式，這個(gè)類(lèi)型可以達(dá)到V級(jí)密封，主要具有4個(gè)優(yōu)點(diǎn)：① 密封性能較好；② 閥門(mén)內(nèi)部平滑不容易卡澀；③ 占用空間較小，閥門(mén)總體高度小于閘閥；④ 采用“Y”型直通型結(jié)構(gòu)可以避免流阻。單個(gè)熔鹽塔式50 MW項(xiàng)目需要熔鹽截止閥50～70臺(tái)，主要應(yīng)用于熔鹽流量、壓力或者溫度的調(diào)節(jié)，是光熱電站主要設(shè)備之一。

本文研究的光熱電站熔鹽截止閥按ASME B16.34標(biāo)準(zhǔn)的DN50、600磅級(jí)、設(shè)計(jì)溫度600 ℃的壓力等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，工作壓力4.29 MPa,0.1 MPa前后壓差情況下的理論流量約為0.78 m3/h。

1.2 工況參數(shù)

閥門(mén)氣溫條件如表1所示。據(jù)此設(shè)置3種工況，如表2所示。工況1模擬閥門(mén)全開(kāi)、正常運(yùn)行、無(wú)保溫層的溫度場(chǎng)，目的是得到熔鹽域最低溫度，分析熔鹽截止閥在極端工況下是否會(huì)發(fā)生熔鹽凝固現(xiàn)象。其熱源溫度取運(yùn)行溫度565 ℃，環(huán)境溫度參考工作地極端最低氣溫，取-30 ℃。熔鹽入口流速取設(shè)計(jì)值4 m/s。工況2模擬突然失流且閥芯未回座的故障工況，采用與工況1相同的數(shù)值模型，但入口流速極低，為0.01 m/s。工況3則模擬了閥門(mén)緊急關(guān)閉且閥門(mén)內(nèi)仍充滿熔鹽、短時(shí)間內(nèi)熔鹽進(jìn)出口保持高溫的情形，數(shù)值模型與前兩者不同，計(jì)算了閥門(mén)緊急關(guān)閉時(shí)可能達(dá)到的極端最低溫度[6-8]。

表1 青海共和縣氣溫 /℃

表2 工況設(shè)置

1.3 幾何模型

根據(jù)初始模型，對(duì)熔鹽截止閥進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理，得到閥門(mén)關(guān)閉的幾何模型如圖1所示，主要包括：① 填補(bǔ)填料壓蓋、填料與閥蓋的縫隙；② 簡(jiǎn)化22個(gè)螺栓的倒角，填充螺栓螺孔的縫隙；③ 補(bǔ)上閥體、波紋管罩、閥蓋之間墊片的縫隙；④ 刪去波紋管，以內(nèi)徑11 mm、外徑16 mm、長(zhǎng)128.3 mm的圓柱代替；⑤ 刪去導(dǎo)向螺絲，填充其凹槽。

本文將截止閥結(jié)構(gòu)域、空氣域和熔鹽域聯(lián)合建模，采用ANSYS Mechanical軟件與 ANSYS CFX軟件結(jié)合的流固耦合方法進(jìn)行計(jì)算，截止閥內(nèi)部填充有可流動(dòng)的熔鹽，外部擴(kuò)展0.5 m，包裹一層空氣流場(chǎng)。

1.4 邊界條件

數(shù)值計(jì)算的流體域包括空氣域和熔鹽域?？諝庥虻牧黧w設(shè)為理想空氣，氣壓為3 000 m海拔下的0.677atm，參考密度為1.061 kg/m3，參考溫度-30℃。在工業(yè)上常見(jiàn)溫度范圍內(nèi)，分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體，如空氣、氮、氧等，實(shí)際上并無(wú)發(fā)射和吸收輻射能的能力，可認(rèn)為是熱輻射的透明體。在本項(xiàng)目中可認(rèn)為閥外部是空氣，是熱輻射的透明體，故熱輻射模型采用DTRM的S2S模型較為合適?？諝獾淖匀粚?duì)流采用buoyancy模型。四周出口為opening，溫度為-30 ℃，相對(duì)壓力為0 MPa?？諝鈨?nèi)部與閥門(mén)是熱流量守恒的換熱交界面，截止閥表面發(fā)射率取0.8。

熔鹽域的流體物性參數(shù)為液態(tài)二元熔鹽在定性溫度300℃下的物性參數(shù)，參考?jí)毫?.29 MPa，參考溫度也取為300 ℃。工況1、2中的熔鹽進(jìn)口面設(shè)為速度入口，速度大小按不同工況設(shè)置，出口面設(shè)為壓力出口，相對(duì)壓力為0；而工況3中的熔鹽進(jìn)出口面均設(shè)為opening，熔鹽與閥門(mén)外部是熱流量守恒的換熱交界面。

熔鹽泵內(nèi)流動(dòng)的控制方程如方程(1)和(2)所示，包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，同時(shí)采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)湍流模型(SST k-w模型)對(duì)上述方程進(jìn)行擬合。SST k-w湍流模型適合工程應(yīng)用，其計(jì)算效率和k-ε湍流模型相當(dāng)，同時(shí)又在模擬邊界層分離流動(dòng)時(shí)有更好的表現(xiàn)。截止閥的幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有很多細(xì)小的縫隙。所以流體域采用SST k-w湍流模型計(jì)算，以更好地捕捉截止閥內(nèi)外壁面附近流體的邊界層分離現(xiàn)象。

(1)

(2)

公式(1)～(2)中：ρ是在參考?jí)毫ο碌娜埯}密度，取1 817 kg/m3；p是熔鹽壓力值, Pa；ux為三方向速度分量， m/s；x是位移分量， m；t是時(shí)間, s;g是常數(shù)，取9.81 m/s2;μ是流體動(dòng)力粘度,Pa·s;μt是流體湍流粘度,Pa·s。

截止閥是固體域，其材質(zhì)主要是ASTM-A182牌號(hào)F347H的奧氏體不銹鋼，取定性溫度300 ℃下的物理性質(zhì)參數(shù)。截止閥內(nèi)壁面與熔鹽域發(fā)生對(duì)流換熱，外壁面設(shè)為與空氣域的換熱交界面。截止閥進(jìn)出口端面設(shè)為絕熱壁面。材料物性參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 材料物性參數(shù)

使用ANSYS CFX軟件計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果。迭代算法為偽瞬態(tài)算法。為了加速收斂過(guò)程，流體域的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為Aggressive算法，1.2倍加速。而固體域只參與換熱計(jì)算，可以取較大的時(shí)間步長(zhǎng)以加快方程收斂，所以時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為自動(dòng)。收斂殘差準(zhǔn)則設(shè)為RMS≤10-6，采用high resolution差分格式和湍流格式，計(jì)算大于500步，以保證流體域的溫度場(chǎng)和熱焓充分發(fā)展。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析

以閥門(mén)正常運(yùn)行工況(即工況1)為例進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，設(shè)置4種密度的網(wǎng)格，觀察熔鹽出口面平均溫度Tout、熔鹽域最低溫度Tmin、截止閥內(nèi)壁面換熱量Q1和截止閥外壁面換熱量Q2。網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算結(jié)果如表4所示。4種網(wǎng)格下的溫度場(chǎng)分布基本一致，熔鹽出口面平均溫度Tout也基本相同。對(duì)網(wǎng)格數(shù)比較敏感的熔鹽域最低溫度Tmin未見(jiàn)顯著變化，最大偏差僅有4.2%。不同網(wǎng)格數(shù)下，截止閥內(nèi)、外壁面的換熱量基本守恒。網(wǎng)格數(shù)達(dá)到286萬(wàn)個(gè)后，換熱量也基本保持不變。所以按照416萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行計(jì)算可以滿足本文計(jì)算的精度要求，同時(shí)兼顧了計(jì)算效率，后續(xù)將以此為標(biāo)準(zhǔn)劃分網(wǎng)格。

表4 不同網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 閥門(mén)正常運(yùn)行的溫度場(chǎng)

工況1計(jì)算了閥門(mén)正常運(yùn)行時(shí)可能達(dá)到的極端最低溫度，目的是得到熔鹽域最低溫度，分析熔鹽截止閥是否會(huì)發(fā)生熔鹽凝固現(xiàn)象。由圖2可以看到，在截止閥對(duì)稱面上的溫度分布合理。截止閥的溫度從下往上逐漸遞減。熔鹽域是熱源，整體溫度較高?？諝庥虻臏囟确植加忻黠@的溫度邊界層現(xiàn)象，貼近截止閥外壁面的氣溫比周?chē)鷼鉁匾撸陂y外壁面附近形成了一層高溫空氣層。如圖3所示，閥外壁面的光滑區(qū)域附近的對(duì)流換熱系數(shù)較小，而在螺栓螺母等結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域附近，空氣形成漩渦，所以對(duì)流換熱系數(shù)也較大。對(duì)流換熱系數(shù)的數(shù)值在大空間自然對(duì)流的常見(jiàn)換熱系數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)，為2.369～12.832 W/m2·K，說(shuō)明計(jì)算合理。提取閥外壁面的溫度分布如圖4所示，發(fā)現(xiàn)截止閥整機(jī)溫度分布在121.454～548.215 ℃，最高溫分布在閥體附近，最低溫在閥蓋頂端。

圖5為熔鹽由入口流入后，受到閥門(mén)形狀影響，大部分從閥芯左下方直接流出，最大流速為8.922 m/s，是進(jìn)口流速的2倍多。其中一部分熔鹽被閥芯阻攔，在閥芯底部形成一個(gè)逆時(shí)針小漩渦；而另一部分熔鹽由于浮力流入上方迷宮段，沿著密封波紋管螺旋上升，到達(dá)密封段頂部后回流，形成大范圍的對(duì)流，利于熔鹽溫度分布均勻。根據(jù)圖6得到熔鹽域最低溫度為518.088 ℃，遠(yuǎn)高于熔鹽凝固點(diǎn)溫度223～238 ℃，因此，熔鹽在閥門(mén)內(nèi)部不會(huì)發(fā)生凝固現(xiàn)象。

2.2 突然失流且閥芯未回座的溫度場(chǎng)

工況2模擬的是突然失流且閥芯未及時(shí)回座的故障工況，采用了與工況1相同的數(shù)值模型，但假設(shè)熔鹽入口流速為0.01 m/s。如圖7、8所示，工況2下空氣域的流場(chǎng)分布與工況1中近乎相同，二者空氣域溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)也基本一致，但熔鹽域的速度場(chǎng)有很大不同。工況2中熔鹽入口流速很低，但由于熔鹽密度隨溫度增大而降低，所以在閥內(nèi)形成了大強(qiáng)度的自然循環(huán)。熔鹽由進(jìn)口流入后，穿過(guò)閥芯左下方，一部分流到出口，另一部分浮升到上方密封段，形成順時(shí)針的循環(huán)對(duì)流。在密封波紋管附近，熔鹽流速甚至超過(guò)了入口流速，達(dá)到0.125 m/s。熔鹽流動(dòng)加強(qiáng)了換熱，所以熔鹽域的最低溫度并未有大幅度的下降。如圖9所示，提取熔鹽外壁的溫度分布，發(fā)現(xiàn)熔鹽域最低溫度為329.998 ℃，高于熔鹽凝固點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生熔鹽凝固現(xiàn)象。由圖10可以看到，截止閥整機(jī)溫度分布在94.489～442.215 ℃。

2.3 閥門(mén)緊急關(guān)閉的溫度場(chǎng)

工況3模擬了閥門(mén)緊急關(guān)閉時(shí)可能達(dá)到的極端最低溫度。由于采用閥門(mén)關(guān)閉的模型，并且計(jì)算時(shí)假設(shè)閥門(mén)內(nèi)充滿熔鹽，所以熔鹽域分為兩部分。熔鹽域進(jìn)出口面設(shè)為opening，如圖11所示，熔鹽域整體流速很低，最大值為0.228 m/s，熔鹽域和截止閥的溫度分布也比閥門(mén)正常運(yùn)行(工況1)時(shí)低，熔鹽有發(fā)生凝固現(xiàn)象的可能。如圖12和圖13所示，分別展示了截止閥外壁面和熔鹽外壁的溫度分布。截止閥整機(jī)溫度分布在128.147～460.758 ℃，仍保持在較高的溫度水平。所以空氣域的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)受閥門(mén)關(guān)閉的影響較小，如圖14所示，自然對(duì)流的最大速度為1.642 m/s，與工況1相近。而熔鹽域的最低溫度為394.924 ℃，因此，在閥門(mén)緊急關(guān)閉的工況下，截止閥不會(huì)發(fā)生熔鹽凝固現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

本文采用流固耦合傳熱方法，基于交界面通量守恒，計(jì)算截止閥高溫工況下的整機(jī)溫度場(chǎng)，形成結(jié)論如下：

(1) 熔鹽截止閥在正常運(yùn)行工況下，熔鹽截止閥內(nèi)部熔鹽域最低溫度為518.088 ℃，高于熔鹽凝固點(diǎn)溫度，不存在熔鹽凝固現(xiàn)象。

(2) 熔鹽截止閥在突然失流且閥芯未及時(shí)回座的故障工況下，熔鹽溫度明顯下降，但由于熔鹽密度隨溫度增大而降低，在閥內(nèi)形成自然對(duì)流，所以熔鹽域溫度分布仍比較均勻，最低溫度329.998 ℃，高于熔鹽凝固點(diǎn)溫度。

(3) 熔鹽截止閥在閥門(mén)緊急關(guān)閉的工況下，空氣域的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)受閥門(mén)關(guān)閉的影響較小，截止閥內(nèi)熔鹽域的最低溫度為394.924 ℃，不會(huì)發(fā)生熔鹽凝固現(xiàn)象。

以上結(jié)論表明，用于青海共和縣50 MW熔鹽塔式太陽(yáng)能光熱電站熔鹽截止閥可滿足太陽(yáng)能光熱電站設(shè)計(jì)要求，可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，本文得到的截止閥整機(jī)溫度場(chǎng)，可為后續(xù)深入分析熔鹽截止閥熱變形和靜強(qiáng)度提供數(shù)據(jù)支撐。