熔鹽系統儀表的選型與結構設計要點探討

■ 王玄驊 陳明強 徐能 毛永夫 熊步青 唐亞平 周慧

(1.浙江中控太陽能技術有限公司; 2.青海中控太陽能發電有限公司)

0 引言

自21世紀開始以來，太陽能熱發電技術在國內外的發展趨勢一直迅猛。隨著大量實驗與示范項目的建立，塔式太陽能熱發電站除了在高熱電效率、低運行成本、環保等方面體現出優勢以外，其眾多高技術門檻也凸顯出來。作為塔式太陽能熱發電站廉價、可靠、高效的儲熱介質，熔鹽得到了廣泛應用。由于熔鹽本身具有凝固點高、粘度隨溫度變化較大、高溫腐蝕性強等特點，因此，電站系統對在熔鹽工況中使用的儀表的設計和制造提出了更高的要求。儀表包括流量計、壓力表、液位計等。

在熱力島運行過程中，負責整體系統監控和控制的分布式控制系統(DCS)需接收現場各類型儀表信號，并進行聯鎖和判斷，從而保證系統能夠正常運行。在熔鹽工況下，傳統常用的儀表形式和結構明顯表現出能力不足，主要包括設備高溫、介質凝固、難校正，以及材料腐蝕等。在國內外相關項目和實驗中，也充分說明了以上問題會嚴重影響熔鹽系統流量、壓力和液位的監控能力和DCS系統控制，甚至降低整個電廠的運行效率。

針對以上熔鹽系統的儀表問題，本文從儀表種類展開，重點對塔式太陽能熱發電站熔鹽系統儀表的選型和結構設計進行了討論研究。

1 熔鹽系統工況

根據塔式太陽能熱發電站系統運行的工藝要求，熔鹽系統是整套電站系統中非常重要的環節。低溫熔鹽流體從冷鹽儲罐進入吸熱器，通過吸熱器吸熱升溫后流入熱鹽儲罐，高溫熔鹽流體從熱鹽儲罐通過換熱系統換熱后流入冷鹽儲罐[1]。在這一過程中，熔鹽流體的溫度從低溫290 ℃升溫至565 ℃，然后再降至290 ℃，溫度波動范圍較大，熔鹽本身的物質特性及運行中大的溫度波動不可避免地給儀表選型和結構設計帶來了困難，主要包括以下幾點：

1)高溫性質?，F階段國內大多數儀表廠家所生產的高溫型儀表耐溫在300～400 ℃之間，但熔鹽系統中熔鹽介質的最高溫度可達到565 ℃以上，這對儀表結構、傳感部件及電子部件等的耐溫能力提出了更高的要求。

2)低溫凝結性質。太陽能熱發電站的熔鹽系統使用的熔鹽為太陽鹽，其成分為硝酸鈉和硝酸鉀混合而成的二元鹽。該種熔鹽從207 ℃開始融化，加熱至290 ℃已基本成為液態熔鹽[2]。在熔鹽系統中，部分設備不適合進行完全保溫或配置加熱設備，此時若選型設計不合理或控制不當，極有可能造成儀表及附近管道發生熔鹽凝結，使儀表傳感裝置與管道中介質接觸位置由于介質凝固成固體熔鹽而發生失效。

3)腐蝕性質。硝酸鹽為中性鹽，在常溫下無任何腐蝕性，但在565 ℃高溫下，硝酸鹽會呈現強氧化性。針對該特性，除了需考慮儀表制造材料的抗氧化性之外，還需要考慮儀表配套密封件的抗氧化性。

4)鹽霧性質。高溫環境中，熔鹽會在容器中形成有微小氣化熔鹽液滴的鹽霧。這種鹽霧會附著在不與熔鹽直接接觸的儲存容器內壁及儀表上，經過長時間粘著結晶后會出現一層白色的鹽粒結晶層，該結晶層會影響儀表精度甚至導致儀表無法工作。

2 熔鹽系統儀表選型與結構設計方案

熔鹽系統中使用到的儀表種類有流量計、壓力表、液位計、熱電偶。其中，熱電偶選型為K型熱電偶，采用鎧裝形式且配合集熱塊安裝于熔鹽管道外管壁上，與常規熱電偶使用方式無異；而流量計、壓力表、液位計均與熔鹽直接或間接接觸[3]。熔鹽系統儀表的選型與結構設計難度主要體現在流量計、壓力表、液位計[4]上。

2.1 流量計

流量計是指示被測流量和在選定時間間隔內流體總量的儀表，不僅是作為檢測和控制整套系統運行狀況和效率的依據，也是標定其他儀表和設備等的主要工具之一。因此，熔鹽流量計在整套熔鹽系統中較為重要。

流量計可依據力學、電學、聲學、熱學及其他(原子物理、示蹤等)不同測量原理進行分類。下文主要對在熔鹽中進行過測試和應用的流量計進行說明。

2.1.1 力學原理流量計

所有根據力學原理設計的流量計均涉及到了流體介質壓力、密度、粘度等物理性質方面的計算，因此，儀表精度會受到高溫工況及電站所在地太陽能輻射、天氣等不穩定因素的影響。

以靶式流量計為例，其工作原理為流體沖擊流量計靶板，帶動靶桿，使感應端接收到力的作用，從而測得流量參數。其原理如式(1)所示：

式中，Qv為實際流量值；α為流量系數；β為靶徑與管徑的直徑比；ρ為介質密度；F為靶板受到的力[5]。

由式(1)可以看出，影響流量計工作的主要是流量系數、靶徑與管徑的直徑比和介質密度這3項數據。其中，靶徑與管徑的直徑比為恒定值；介質密度可查閱熔鹽物性表得到；而流量系數的影響因素為靶徑與管徑的直徑比和雷諾數Re，具體關系如圖1[6]所示。

圖1 α、β、Re三者關系圖(D=50 mm)

根據過去實驗和工程項目的數據，熔鹽系統的Re最小值出現在系統工藝最低溫度290 ℃左右。由于熔鹽粘度較低，計算Re值分布均大于105數量級以上，且隨著溫度升高，Re值會持續上升，直至565 ℃時，Re值約為1.3×106。從圖1可以看出，對于口徑D=50 mm的靶式流量計，當Re＞2000時，α值趨向于恒定值。因此，式(1)中的可變因素為熔鹽的介質密度ρ，該類型流量計通過溫度校正可在理論上保證能夠使用。

然而，力學原理流量計會受到熔鹽凝結特性的致命性影響。例如，差壓流量計的取壓部位、靶式流量計的靶桿區域等。此類流量計的傳感測量部件、流量計與管道交接位置若出現外部環境異常(外部溫度過低)、保溫工作未做到位或連續陰天長期停機的情況，極可能發生局部熔鹽凝固現象。在下次系統運行時，該處流量計設備會在充分預熱完成或高溫熔鹽沖刷融化前失去工作能力，更嚴重的情況可能會導致堵管。

綜上所述，常規力學原理流量計對于熔鹽系統的適用度不高。

2.1.2 超聲波流量計

超聲波流量計是利用聲學原理來測定流過管道的流體的流速。它主要由超聲波換能器、電子電路及流量顯示和計算系統3部分組成。超聲波換能器將電能轉換為超聲波能量，將其發射并穿過被測流體；接收器接收到超聲波信號，經過電子電路放大并轉換為代表流量的電信號，供設備儀表顯示和其他流量數據計算[7]。

相對于其他流量計，超聲波流量計的計算原理較為簡單直觀。其中，管道直射式超聲波流量計的示意圖如圖2所示。

圖2 管道直射式超聲波流量計示意圖

管道直射式超聲波流量計原理的計算式為：

式中，V為流體流速；L為測量探頭間距；X為測量探頭水平距離(管道流量方向)；t1為超聲波上游傳輸時間；t2為超聲波下游傳輸時間[8]；c為當前工況條件下的聲速。

從式(2)、式(3)可以看出，超聲波流量計的計算過程與熔鹽性質基本無關。但超聲波流量計設備部件和結構選型仍需注意熔鹽高溫等問題。

超聲波流量計有外夾式和管道式2種。外夾式流量計的探頭直接安裝夾持在管道外部，超聲波在使用時先穿透管壁，經過流動介質后再次穿透管壁到達另一端探頭[9]。這一過程中，聲波在穿透管壁時，折射率會由于介質高溫及環境溫度的不穩定而產生變化，導致聲波傳播折射角度發生偏移，測量信號可能產生斷點。管道式超聲波流量計探頭等部分直接與熔鹽接觸，而傳統探頭和耦合材料的耐溫能力普遍在200～300 ℃之間，無法承受565 ℃高溫的熔鹽，因此，設備需考慮選用專門的耐高溫材料，如高溫陶瓷等。目前世界上有能力生產高溫材料探頭的供應商較少，國外的廠家主要有德國科隆、美國GE公司等，以上公司生產的流量計已正式投入商業電站運行中；然而，國內超聲波流量計尚處于產品空白階段[10]。從技術角度比較，管道式比外夾式相對更可靠。

此外，熔鹽在高溫狀態下的腐蝕性也不容忽視。外夾式超聲波流量計不與熔鹽直接接觸，不存在流量計腐蝕問題。而管道式超聲波流量計存在法蘭結構部位，法蘭連接處的緊固件/墊片等極有可能因熔鹽腐蝕產生泄露等問題。針對以上問題，管道式超聲波流量計需選用可靠的密封方式和墊片，以避免因高溫熔鹽強氧化性腐蝕而產生泄漏等問題。

2.1.3 渦街流量計

渦街流量計是利用非流線型阻流體插入測量管中，對流動液體進行擾流，從而形成有規律的渦流，再用檢測元件對這些渦流進行檢測并進行計算，從而得出流量值[3]。

以渦街流量計的圓柱形渦流發生器為例，其渦流穩定條件和流速測量公式為：

式中，h為渦列寬度；L1為同列相鄰漩渦間距。公式(4)取決于渦流發生器的形狀，不同形狀情況下，公式(4)會相應發生變化。

式中，f為漩渦發生頻率；St為斯特勞哈爾數；d為渦流發生器直徑(圓柱形)[1,11]。

式(5)中，f和d均為可控因素；St值與Re值相關，即當Re＜2×104時，St值為變數，當Re在 2×104～7×106范圍內時，St基本不變[12]。根據文中熔鹽系統的Re參考值可以確定，渦流發生器的St值基本不變。而在熔鹽系統實際使用中，渦流發生器上雖然可能殘留系統上次運行中未完全排盡的掛壁熔鹽，但因為渦流發生器是以開放形式存在的，殘留熔鹽可以在熔鹽流體中快速融化，使流量計在短時間內恢復正常。由此可判斷渦流發生器部分可以在熔鹽系統中正常工作。

流量計另一部分——渦流信號檢測元件，其處于渦流發生器下游，負責檢測漩渦發生的頻率。目前渦流信號檢測技術主要有：應力式、電容式、熱敏式、超聲式、振動式、光電式[1]。其中，應力式、電容式、振動式、光電式基本原理均是由渦流產生壓力引起渦流信號變化，類似結構存在一定缺陷，抗凝結和耐溫能力均有所不足。而熱敏式雖然在原理上不感應壓力信號，但由感應局部流量變化說明其感應元件仍需與介質直接接觸，因此，也可能產生凝固風險。超聲式感應元件直接利用渦流對聲波傳導的干擾頻率進行計算，選型和結構可參考前文外夾式超聲波流量計探頭，其外夾結構避免了熔鹽凝結，而探頭的耐高溫問題也已經得到解決。

現階段渦街流量計大多用于實驗裝置當中，在商業電站熔鹽系統中尚未大量使用。但根據一系列實驗和文獻研究表明，該儀表測量精度在外夾式超聲波流量計和管道式超聲波流量計之間，僅次于管道式超聲波流量計[13]。

2.2 壓力表

壓力表是用于測量和指示工業系統環境壓力的儀表，應用非常普遍，在太陽能熱發電站熔鹽系統中，其同樣是不可或缺的重要測量設備之一，主要功能為檢測熔鹽管路、部分熔鹽儲罐的壓力。流量計相同，熔鹽的高溫和凝固特性導致常規性儀表不能滿足熔鹽工況對壓力表的特殊需求，熔鹽壓力表的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，在原理上較適用于工況相對苛刻的腐蝕性介質中。該類壓力表可以考慮應用于高溫熔鹽系統中，隔膜材料可選用鉭等耐高溫、耐腐蝕的金屬材料；中間導壓介質通常使用硅油，但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約為350 ℃，國外高溫硅油最高耐受溫度約為400 ℃)。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壓力表能否使用最為關鍵的因素。

2.2.1 鈉鉀合金介質

鈉鉀合金是鈉和鉀的合金，常溫狀態下為液體，不同配比情況下的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%)的熔點為-12.6 ℃、沸點為785 ℃，過去其主要是用作冷卻劑、催化劑和干燥劑。

-12.6～785 ℃的液態溫度范圍使鈉鉀合金非常適合作為熔鹽工況下新型隔膜式壓力表的導壓介質，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，但這種凹陷結構不但可能成為熔鹽系統泄漏的隱患，還有可能使隔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隔膜密封方式[14]，具體構造如圖3所示。

圖3 可插入擴散膜片的法蘭式鈉鉀合金介質隔膜式壓力表

這種開放式凸出的膜片可以保證即便有熔鹽凝結在膜片上，也能及時在熔鹽的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。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，況且熔鹽在高溫下本身就具有強氧化性[15]。

2.2.2 低溫熔鹽介質

以低溫熔鹽介質作為導壓介質的方案，理論上也存在于壓力表的研究中。低溫熔鹽介質低熔點和高沸點特性的優越性僅次于鈉鉀合金介質，并且其暴露于外界不會發生化學反應，安全性遠高于鈉鉀合金介質。在當今業界，北京工業大學研發了低熔點混合熔鹽介質，其熔點為83.7 ℃，沸點可達到592.9 ℃[16]。

低溫熔鹽介質隔膜式壓力表與鈉鉀合金介質隔膜式壓力表在總體結構上設計基本相同，功能上可以做到正常運行，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，膨脹的熔鹽極有可能毀壞膜盒；另外，若要在系統啟動時對膜盒內凝固的熔鹽進行融化，83.7 ℃熔點的熔鹽也需要長時間的熔化過程。

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由于熔鹽介質的特殊性，目前該種壓力表在實驗項目中使用較少，產品尚未成熟。

2.2.3 改造儀表結構

通過優化儀表結構來保證儀表正常工作。優化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，在到達儀表隔膜前使熔鹽溫度降到壓力表導壓介質高溫硅油的安全工作溫度以下。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，使溫度低的熔鹽易凝固在延長管中。針對可能發生的熔鹽凝固問題，對延長裝置配置了保溫層、熱電偶及電伴熱設備，以實現對壓力表溫度的準確控制，保證壓力表法蘭隔膜處的介質溫度控制在導壓介質高溫硅油的耐受溫度范圍內，且不產生熔鹽凝固問題[17]。帶延長管結構的隔膜式壓力表的結構如圖4所示。

改造儀表通過延長管進行介質降溫，通過加熱裝置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?，F今這種配置延長管結構的隔膜式壓力表已在多數實際的太陽能熱發電站中運用。

圖4 帶延長管結構的隔膜式壓力表

2.3 液位計

熔鹽液位計作為整個系統熔鹽量的測量設備，對系統可靠運行等具有重要的作用。塔式太陽能熱發電站中，熔鹽液位計的作用主要是測量各類設備中熔鹽的液位值，如熔鹽儲罐等。以下介紹幾種實驗和項目中使用到的熔鹽液位計。

2.3.1 磁翻板液位計

磁翻板液位計又稱為磁浮子式液位計，原理是儀表浮子或浮筒隨液位升降而上下浮動，通常可以就地顯示或將液位信息轉換成電子信號傳輸[3]。磁翻板液位計的類型眾多，但熔鹽性質決定了液位計本體不適合與熔鹽進行直接接觸。比如側裝式磁翻板液位計需要引導介質進入和接觸液位計本體，因此此類磁翻板液位計無法在熔鹽系統中使用。磁翻板液位計需將浮子所受之力直接作用于容器本體，帶動簡單的機械傳遞結構從而進行指示。

2.3.1.1 鋼帶式磁翻板液位計(內浮標)

鋼帶式磁翻板液位計采用2個定滑輪、鋼帶及浮球組成滑輪系統，浮球隨液位變化帶動磁性指針指示液位[3]。這種液位計除了浮球以外均不與熔鹽接觸，但由于其傳遞鋼帶本身為金屬結構，高溫狀況下可能會產生熱膨脹拉伸，若儲罐容器高度過高，可能會產生較大的精度誤差。

需要注意的是，浮球原理性設計需以水為標準進行設計，否則液位計運行前無法調試。總體而言，鋼帶式磁翻板液位計在熔鹽系統中的適用性較高。

2.3.1.2 頂裝式磁翻板液位計

頂裝式磁翻板液位計的原理與鋼帶式液位計類似，其安裝于設備頂部，并采用支撐管來傳遞液位信息[3]。然而由于采用金屬支撐管，溫度的變化同樣會引起金屬的線性膨脹，從而帶來一定的測量誤差。

此外，在實際項目應用中，頂裝式磁翻板液位計還存在以下問題：1)磁翻板為頂裝式結構，意味著液位計安裝后，其頂部高度將為設備高度的2倍，而在太陽能熱發電站中，儲罐高度普遍在10 m以上，高度的增加無疑會增加廠房等的投入成本。因此，頂裝式磁翻板液位計多使用于小型設備上。2)熔鹽本身會產生鹽霧，液位計支撐管表面長時間處于鹽霧環境下容易形成鹽粒結晶層，從而導致支撐管在移動時容易被結晶層卡住，使液位計無法正常工作。頂裝式磁翻板液位計在使用時應定期對其進行結晶層清潔，如考慮配置電伴熱或加入自清潔系統。

盡管頂裝式磁翻板液位計能夠在熔鹽系統中使用，但使用條件要比鋼帶式磁翻板液位計苛刻。

2.3.2 雷達液位計

雷達液位計采用電磁波原理進行液位測量，一般安裝于設備頂部。工作時，雷達液位計向被測液面發射微波，再接收液面反射的回波，并通過比較得出該波束經過的時間，計算出測量空高和實際液位。雷達液位計的計算式為[1]：

式中，L2為當前實際液位；H為儲罐容器高度；Vr為光速(影響光速的介電常數受溫度影響極小，可視為常數)；t為儀表發射和接收到微波的間隔時間。

在實際使用中，雷達液位計采用頂裝式安裝，避免了儀表和介質的直接接觸。盡管雷達液位計不直接接觸熔鹽，但是依然存在高溫問題，液位計發射振子、電子電路等設備建議采用耐高溫材料。若部件耐高溫能力有限，設計時應考慮重新進行外部環境改造或安裝結構優化設計。傳統解決方案主要是配置空壓系統進行氮風吹掃從而降溫。

此外，雷達液位計也存在鹽霧凝結問題。類似頂裝式磁翻板液位計，大量的鹽霧凝結會在雷達液位計位于儲罐內部的部分形成鹽粒結晶層，鹽粒結晶層會降低雷達液位計的精度，甚至導致液位計徹底失效；尤其是雷達液位計發射口，其外型為喇叭形狀，難以配置自清潔系統。對于鹽霧凝結問題，通常的做法是定期清潔，以保證發射口處的表面清潔。

在實際安裝使用過程中，雷達液位計對熔鹽系統也提出了較高的要求。在熔鹽系統中，設備內部不可避免地會使用到熱電偶、插入式電加熱器、其他形式液位計等，這些內部結構易成為雷達微波信號傳導過程中的阻礙。因此，除了雷達液位計的安裝使用過程對雷達液位計及系統結構設計等提出更高的要求以外，選擇發射角角度較小和配置導波管的雷達液位計也可以避免干擾問題。

目前，國外雷達液位計產品使用較多，生產廠家主要有德國科隆、西門子等，特點是耐溫能力可靠且發射角小。

2.3.3 激光液位計

激光液位計的工作原理與雷達液位計基本相同，其半導體激光發射器發出連續的高速脈沖光束，在被測液面反射接收后得出時間差，從而計算出液位高度[3]。

激光的高速脈沖光束與常規雷達液位計的微波有本質性的區別，這也使激光液位計更適用于熔鹽系統。激光本身不僅有不受氣體密度、溫度影響的優點，而且其穿透能力極強，可以在高溫視窗隔離的情況下進行液位測量[3]。高溫視窗的存在解決了雷達液位計受鹽霧干擾的問題，并且大幅降低了維護檢修的工作量和危險性。另外，激光束有不發散的物理特性，測量過程中發射角近于0°，可最大程度降低測量過程的干擾。

3 結論

本文針對各種儀表的工作原理、結構，以及在實驗和項目中的應用情況，分析了工業測量儀表在高、低溫熔鹽工況時面對的各類問題，并進行了簡要的研究和解決方案的可行性討論。結果表明，現階段流量計、壓力表、液位計最為成熟的選型和結構設計形式如下：

1)熔鹽流量計：超聲波流量計憑借直觀簡單的測量計算原理及較低的測量誤差，性能優于其他原理的流量計；渦街流量計若采用耐高溫超聲探頭，也可作為檢測熔鹽流量的一種可靠手段。

2)熔鹽壓力表：可以采用配置延長裝置和溫控功能的隔膜式壓力表，既可保證使用中壓力表導壓介質不會超溫揮發，也可確保與隔膜接觸處的熔鹽不會低溫凍結。鈉鉀合金介質或其他導壓介質隔膜式壓力表雖然在原理上可行，但實際應用的可靠性尚待驗證。

3)熔鹽液位計：主流測量方式為雷達液位計，其非接觸式的特點適用于熔鹽工況。激光液位計原理上與雷達液位計較為相似，但缺少實驗和工程應用驗證。