熔鹽系統壓力表設計與選型要點
發布者:lzx | 來源:中控太陽能 | 0評論 | 905查看 | 2019-12-20 14:37:50    

浙江中控太陽能技術有限公司基于其德令哈10MW以及50MW塔式電站的運行經驗,對熔鹽塔式太陽能熱發電站中相關儀表選型及注意事項等進行了分析。


壓力表用于測量和指示工業系統環境壓力的儀表,應用非常普遍。在太陽能光熱電站熔鹽系統中,壓力表同樣是不可或缺的重要測量設備之一,其主要功能為檢測熔鹽管路、部分熔鹽儲罐壓力。與流量計相同,熔鹽的高溫和凝固特性導致常規性儀表不能夠滿足熔鹽工況對儀表的特殊需求。熔鹽壓力表選型和結構設計也需特殊考慮。


隔膜式壓力表通過壓力表隔膜將工作介質和導壓介質隔離,其原理上較適用于工況較為苛刻的腐蝕性介質中,該類壓力表可以考慮用于高溫熔鹽系統中,隔膜材料可選用鉭等耐高溫耐腐蝕金屬材料。中間導壓介質通常使用硅油,但高溫工況下即便是專門耐熱的高溫硅油也難以承受565℃的高溫(國內高溫硅油最高耐受溫度在350℃左右,國外高溫硅油最高耐受溫度在400℃左右)。從這點可以看出,隔膜式壓力表導壓介質的耐溫能力是該種儀表能否使用的最為關鍵因素。


1、鈉鉀合金介質


鈉鉀合金是鈉(Na)和鉀(K)的合金,其常溫狀態下為液體,不同配比情況下其熔點和沸點均不相同。熔點最低的鈉鉀合金鉀含量為78%,鈉含量為22%,該鈉鉀合金熔點為-12.6℃,沸點為785℃,過去其主要作用是冷卻劑、催化劑和干燥劑。


鈉鉀合金-12.6~785℃的液態溫度范圍作為熔鹽工況下新型隔膜式壓力表的導壓介質是非常合適的,其溫度區間完全囊括了熔鹽工藝溫度范圍。-12.6℃的熔點溫度不僅適用于正常廠房的環境溫度,即便是在環境溫度極低(最低溫度可達到-30℃以下)的高海拔區域,也可以通過安裝在管路和設備上的電加熱設備進行加熱升溫,短時間內融化并達到正常工作狀態。


一般來說,隔膜式壓力表是以法蘭形式安裝于管道上的,這種凹陷結構不但可能成為熔鹽系統泄漏隱患,還有可能使膈膜和介質接觸的地方發生熔鹽掛壁堵塞,導致儀表失效。為了避免發生這種情況,需對壓力表專門設計帶可插入擴散膜片的法蘭式膈膜密封方式。具體構造如圖1所示,其中,1—壓力表本體,2—散熱結構,3—法蘭結構,4—管道,5—擴散膜片結構膜盒,6—NaK合金介質。


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圖1:可插入擴散膜片的法蘭式NaK隔膜式壓力表


這種開放式突出的膜片可以保證即便是有熔鹽能凝結在膜片上,也能及時在熔鹽沖刷下短時間內融化附著在表面的熔鹽。


然而,鈉鉀合金還有很強的還原性,介質一旦遇到空氣和水會迅速發生燃燒甚至爆炸。在工業系統中,任何存在安全隱患的設備都需要進行嚴格的安全認證和日常檢查的。鈉鉀合金本身就存在燃燒甚至爆炸的可能,一旦儀表內部發生泄漏就會發生嚴重事故,何況熔鹽高溫下本身就有強氧化性。


2、低溫熔鹽


低溫熔鹽介質作為導壓介質的方案也理論上存在于高溫壓力表的研究中。其低熔點和高沸點特性的優越性僅次于NaK合金介質,并且暴露于外界不會發生化學反應,安全性遠高于NaK合金介質。現今業界當中,北京工業大學所研發的低熔點混合熔鹽介質熔點為83.7℃,沸點可達到592.9℃。


低溫熔鹽導壓介質壓力表與鈉鉀合金介質隔膜式壓力表總體上結構設計基本相同,從功能上來說可以做到正常運行,但在實際工況中使用還是稍顯不足。熔鹽由于膨脹量較大,當系統長期停運時,膜盒中填充的低溫熔鹽介質會自然凍結,膜盒填充液密封區域耐膨脹能力不足,膨脹的熔鹽極可能毀壞膜盒。另外,系統系統啟動時將對膜盒內凝固的熔鹽進行融化,熔點83.7℃的熔鹽也需要長時間熔化過程。由于熔鹽介質的特殊性,現該種壓力表實驗項目中使用較少,產品尚欠成熟開發。


3、結構改造


改造結構通過儀表結構上進行優化,保證儀表正常工作。該結構采用延長管降溫的辦法,熔鹽介質從流動管道中進入延長管并通過延長管散熱,在到達儀表膈膜前使熔鹽溫度降到壓力表高溫硅油安全工作溫度以下。然而,壓力表僅考慮延長管降溫是不夠的,復雜的工況和外部環境很可能導致降溫過快,溫度低的熔鹽易凝固在延長管中。針對可能的熔鹽凝固問題,對延長裝置配置了保溫層、熱電偶以及電伴熱設備,實現對壓力表溫度進行準確控制,保證壓力表法蘭膈膜處介質溫度控制在導壓介質高溫硅油耐受溫度范圍內,且不產生熔鹽凝固問題。設備結構如圖2所示,其中,1—壓力表本體,2—散熱結構,3—法蘭結構,4—保溫層,5—保溫套管(電伴熱),6—延長管,7—管道:


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圖2:帶延長管結構的隔膜式壓力表


改造儀表通過延長管進行介質降溫,通過加熱裝置以及控溫裝置進行嚴格溫度控制,原理簡單、易于操作且成本相對較低。現今這種配置延長結構壓力表已運用到多數實際光熱電站項目當中。


綜合研究結果表明,現階段熔鹽壓力表最為成熟的選型和結構設計形式如下:可以采用配置延長結構和溫控功能的壓力表,既保證使用中壓力表導壓介質不會超溫揮發,也確保與膈膜接觸處的熔鹽不會低溫凍結。NaK介質或其他導壓介質壓力表雖然原理上可行,但實際可靠性尚待驗證。

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