胡日骍 曾柱楷 曾 勇 吳旺松 徐燦君 廖 鍔 張立棟

（1.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司；2.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院）

高溫熔鹽泵是以熔鹽為傳送介質(zhì)的泵，廣泛應(yīng)用于核電、化工及太陽能等領(lǐng)域。 目前，國內(nèi)太陽能光熱發(fā)電項目正處于高速發(fā)展期，在太陽能光熱發(fā)電中，熔鹽泵長期在270～550 ℃高溫工況下運行，在核電領(lǐng)域，熔鹽介質(zhì)溫度甚至可高達(dá)700～750 ℃［1，2］。 由于熔鹽泵長期在高溫工況下運行，因此需要密切關(guān)注其工作性能和安全性。

影響熔鹽泵工作性能的因素很多，例如熔鹽相態(tài)、粘度及泵結(jié)構(gòu)等。 通常，熔鹽泵輸送的介質(zhì)為完全熔融的鹽， 當(dāng)溫度降低析出結(jié)晶顆粒時，泵內(nèi)流動由單相流轉(zhuǎn)為鹽析兩相流，析出的顆粒對熔鹽泵工作性能有很大的影響。 邵春雷等通過實驗和數(shù)值模擬研究分析了晶體顆粒在熔鹽泵內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)分布特性，以及顆粒直徑、密度及泵葉片數(shù)對熔鹽泵外特性和內(nèi)部流動的影響規(guī)律［3～5］。為了研究不同粘度液體下熔鹽泵的外部性能和內(nèi)部流動，SHAO C L 等采用數(shù)值模擬方法研究了熔鹽泵在不同粘度液體時的非穩(wěn)態(tài)流動，定量地闡明了不同粘度液體下熔鹽泵的非穩(wěn)態(tài)流動特性［6，7］。

此外， 保障熔鹽泵安全運行也極為重要，為保障熔鹽泵工作的安全性，泵的受力特性、泵材料、泵軸承的承溫極限及泵底座鋼架承溫極限等都需要考慮。 單春賢等分析了熔鹽泵軸承溫度與泵轉(zhuǎn)速、熔鹽介質(zhì)溫度、潤滑油流量以及進(jìn)油溫度之間的變化規(guī)律［8］。 為降低熔鹽泵軸承的承受溫度，王凱等采用數(shù)值模擬方法對高溫熔鹽泵散熱器進(jìn)行了優(yōu)化分析［2］；李云校等采用數(shù)值模擬方法， 研究了單-雙蝸殼離心泵內(nèi)部流動規(guī)律及泵體受力特性，探究了泵振動特性與內(nèi)部流動的關(guān)聯(lián)［9］；朱洋等采用ANSYS 軟件模擬了熔鹽泵轉(zhuǎn)子的應(yīng)力與變形，研究了不同介質(zhì)流量下非定常流動對轉(zhuǎn)子部件的影響，考察了泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的模態(tài)性能［10］。

熔鹽泵底座支撐鋼架的工作性能也會影響熔鹽泵運行的可靠性，熔鹽泵底座采用工字鋼結(jié)構(gòu)支撐， 熔鹽泵在工作過程中會產(chǎn)生一定的振動，并將振動傳遞到鋼架上。 當(dāng)鋼架的受熱溫度超過200 ℃時，其屈服強度、抗拉強度和彈性模量隨溫度升高會有一定程度降低，為保障熔鹽泵正常運行，支撐鋼架的工作性能需穩(wěn)定可靠。 因此，研究熔鹽溫度等因素對熔鹽泵支撐鋼架受熱面溫度分布的影響很有必要。

筆者采用數(shù)值模擬方法分析熔鹽溫度、隔熱墊片對高溫熔鹽泵支撐鋼架受熱面溫度場的影響，研究結(jié)果對熔鹽泵的安裝設(shè)計具有一定參考價值。

1 主要設(shè)計參數(shù)及物性參數(shù)

本研究設(shè)定熔鹽工作溫度在520～600 ℃。 泵體和鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)λ、 比熱C滿足擬合多項式，表 達(dá) 式 分 別 為λ=0.0148T+10.69 W/（m·K），C=0.19T+441.28 J/（kg·K）。隔熱墊片厚度5 mm，位于熔鹽泵底座與支撐鋼架之間以及底座兩安裝鋼板之間，其導(dǎo)熱系數(shù)范圍為0.10～16.00 W/（m·K）。

2 物理模型及邊界條件

2.1 物理模型

熔鹽泵的實體建模采用NX 軟件， 其物理模型如圖1 所示。 定義靠近輸鹽管側(cè)為支撐鋼架的A 側(cè)，背對輸鹽管側(cè)為支撐鋼架的B 側(cè)。 模型的網(wǎng)格劃分在ICEM 軟件完成，由于模型比較復(fù)雜，整個計算域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，隔熱墊片網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)量為4 321 453。

2.2 邊界條件設(shè)置

熔鹽泵的高溫區(qū)域主要集中在輸鹽管和相鄰軸管部位， 當(dāng)熔鹽泵處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，熔鹽工作溫度恒定在550 ℃左右，輸鹽管壁面溫度接近550 ℃。 采用Fluent 軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值計算， 輸鹽管和相鄰軸管壁面溫度均設(shè)為550 ℃，熔鹽泵外側(cè)壁面對流換熱系數(shù)根據(jù)傳熱損失設(shè)為0.6 W/（m2·K）。

3 計算結(jié)果與分析

通過數(shù)值計算，獲得無隔熱墊片時（即設(shè)定材料導(dǎo)熱系數(shù)與鋼材一致，為16.00 W/（m·K））熔鹽泵的溫度場分布如圖2 所示，它與含隔熱墊片（材料導(dǎo)熱系數(shù)0.40 W/（m·K）） 時熔鹽泵的溫度場類似。 對比無隔熱墊片與含隔熱墊片時，熔鹽泵支撐鋼架A 側(cè)受熱面（以下簡稱A 側(cè)受熱面）的溫度分布如圖3 所示。

圖2 無隔熱墊片時熔鹽泵溫度場分布

圖3 有/無隔熱墊片時A 側(cè)受熱面溫度場分布

由圖2、3 可知，熔鹽泵的高溫區(qū)主要集中在輸鹽管附近區(qū)域， 在無隔熱墊片時，A 側(cè)受熱面的最高溫度高達(dá)235.8 ℃， 加入隔熱墊片后其最高溫度降至214.8 ℃，降低了21.0 ℃，同時其最高溫度與最低溫度的溫差也降低了12 ℃。 隔熱墊片的隔熱效果明顯，對支撐鋼架起了較好的熱防護(hù)作用。

為進(jìn)一步分析熔鹽溫度和隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)對A 側(cè)受熱面溫度分布的影響，以下選取熔鹽溫度為520～600 ℃、 隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)為0.05～16.00 W/（m·K）的變化區(qū)間，分析各因素對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響特性。

3.1 隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響

保持熔鹽溫度不變，改變隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)從0.05 W/（m·K）變化到16.00 W/（m·K），獲得熔鹽溫度分別為520、550、580 ℃時，A 側(cè)受熱面的最高溫度變化規(guī)律如圖4 所示。

圖4 熔鹽溫度對A 側(cè)受熱面最高溫度的影響

由圖4 可以看出， 當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)在2.00～16.00 W/（m·K） 之間時，A 側(cè)受熱面的最高溫度隨隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)減小而緩慢降低；但當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)在0.05～2.00 W/（m·K）之間時，A 側(cè)受熱面的最高溫度隨隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)減小而快速降低， 且當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)小于0.40 W/（m·K）時，其下降幅度尤為明顯。這說明， 隔熱墊片的導(dǎo)熱系數(shù)小于0.40 W/（m·K）時，其隔熱效果最佳。

此外，還可以看出，當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)為16.00 W/（m·K）， 熔鹽溫度從520 ℃升高到580 ℃時，A 側(cè)受熱面的最高溫度從221.2 ℃升高到248.7 ℃。 隨著熔鹽溫度進(jìn)一步提高，A 側(cè)受熱面的最高溫度也將進(jìn)一步升高，這會使得支撐鋼架的工作性能減弱，安全可靠性降低。

3.2 熔鹽溫度對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響

由上述分析可知， 隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)小于0.40 W/（m·K）時，其對支撐鋼架受熱面溫度分布的影響非常大。 以下進(jìn)一步分析隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.10、0.20、0.40 W/（m·K）時，熔鹽溫度對A 側(cè)受熱面最高溫度的影響規(guī)律（圖5）。

圖5 隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)對A 側(cè)受熱面最高溫度的影響

由圖5 可以看出，A 側(cè)受熱面最高溫度隨熔鹽溫度升高而線性升高，當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)為0.40 W/（m·K），熔鹽溫度從520 ℃升高到600 ℃時，A 側(cè)受熱面的最高溫度從202.5 ℃升高到235.6 ℃；當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)降為0.10 W/（m·K），熔鹽溫度從520 ℃升高到600 ℃時，A 側(cè)受熱面最高溫度始終低于200 ℃，鋼架工作性能可得到較好的保障。

4 結(jié)論

4.1 熔鹽泵工作時，高溫區(qū)主要集中在輸鹽管和相鄰軸管附近區(qū)域，當(dāng)熔鹽溫度超過550 ℃且無隔熱墊片時，熔鹽泵支撐鋼架的受熱面最高溫度可達(dá)到235.8 ℃以上， 這會影響支撐鋼架的工作性能，但加入隔熱墊片后，能明顯降低支撐鋼架的受熱面溫度。

4.2 當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)在2.00～16.00 W/（m·K）之間時， 隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護(hù)作用較弱； 當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)在0.40～2.00 W/（m·K）之間時， 隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護(hù)作用較強；當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)小于0.40 W/（m·K）時，隔熱墊片對支撐鋼架的熱防護(hù)作用最好。

4.3 支撐鋼架受熱面最高溫度隨著熔鹽溫度的升高而線性升高， 當(dāng)隔熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)低于0.10 W/（m·K），熔鹽溫度低于600 ℃時，鋼架支撐面最高溫度始終低于200 ℃，支撐鋼架的工作性能可得到較好的保障。