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測試測量

高溫型超聲波流量計-光熱電站中傳熱/儲熱工質流量測量的理想答案

  2020年08月21日  

  當前,世界能源發展面臨資源緊缺、環境污染、氣候變化等嚴峻挑戰,同時經濟社會發展對能源的需求仍將保持較快增長,現有能源發展方式已經不可持續。

  光熱發電技術作為一種重要的清潔能源技術雖然在直接實現碳減排方面的作用微不足道,但關鍵在于其連續、穩定、可調度等優勢可以對如風力發電和太陽能光伏發電等電波動性可再生能源電源進行有效的電力系統調節,推進全球能源體系向清潔低碳方向轉型。

  您知道光熱電站中傳熱/儲熱工質流量測量的理想答案是什么嗎? 高溫型超聲波流量計

  在目前所有商業運行的光熱電站中均采用導熱油/熔鹽作為傳熱工質,將從太陽光中吸收的能量傳送到儲熱系統進行儲存,或者傳送到熱交換器產生蒸汽進行發電;而在儲熱系統中均采用熔鹽作為儲熱工質用以儲存能量,使得光熱電站在夜間或天氣情況不佳時仍能持續發電。無論是在傳熱系統還是在儲熱系統中,都需要對管道中流通的工質流量進行實時測量,這既是檢測和控制整套系統運行狀況和效率的依據,同時也是標定其他儀表和設備的重要手段。因此對于傳熱/儲熱工質的流量測量對于整套光熱發電系統十分重要。

  作為光熱發電中的工質,導熱油的特點是其工作溫度在300~400℃,而且隨著溫度的變化其密度、粘度、聲速等理化特性均會產生變化。而對于熔鹽來說,其在冷端的工作溫度近300℃,在熱端可達到500~600℃的高溫,其密度、粘度等理化特性也會隨著溫度變化而變化并且熔鹽還具有凝結的特性。以上的介質特性限制了大多數流量計的應用。

  圖:金屬卷片導波桿結構簡圖

  采用了金屬卷片導波桿技術的OPTISONIC4400高溫型超聲波流量計最高適用溫度可達600℃,完全滿足光熱發電中導熱油和熔鹽的運行要求。針對熔鹽低溫易凝結的特點,該款流量計可在整個測量管及導波桿結構上敷設伴熱保溫,只需在換能器處留出一定的散熱空間,最大程度上減少了熔鹽凝結的可能。該款流量計測量管內沒有阻流或可動部件,不會產生壓損和磨損,故障率低,維護量小,有助于提高光熱電站的運行效率。而且其過程連接還可采用焊接形式,進一步減少了高溫介質泄漏的可能,增加了系統運行的安全性。

  此外,相比于外夾式超聲波流量計,管道式超聲波流量計不受介質聲速、粘度等變化影響,非常適合光熱電站中工質溫度頻繁變化的工況。而且外夾式超聲波流量計需要在實流狀態下近距離進行安裝調試,測量點處的保溫也很難敷設,對于人員安全和系統能耗有很大影響,管道式超聲波流量計在這兩方面也具有明顯的優勢。

  KROHNE公司的高溫型超聲波流量計由于其具有測量精度高、流通量大、無壓損、免維護等特點至今已在全球近70家光熱電站中得到了廣泛使用和認可,在這一過程中我們也積累了諸多應用經驗。

  歐洲第一個商業化運行的槽式光熱電站ANDASOL電站項目也是KROHNE首次涉足光熱發電行業。該項目使用了OPTISONIC4400的前身UFM530HT高溫型超聲波流量計,通過該項目我們充分摸清了光熱發電行業中導熱油的特性,為后續產品的研發和之后在其他項目中的應用打下了堅實的基礎。

  首先我們發現隨著溫度的升高導熱油的聲速迅速降低,導致在最高運行溫度下其聲速非常低,僅460m/s。低聲速對于超聲波具有非常大的衰減作用,直接導致流量計無法收到超聲波信號。為此KROHNE快速研發出了UFC030HiPower信號轉換器,該轉換器提供更高的激發電壓,增強了發出的原始超聲波強度,提高了超聲波信號的信噪比;此外其還搭載了額外的“高性能”版軟件,使得轉換器能自動根據診斷參數對聲波信號做濾波和平均計算,進一步優化了信號處理能力。通過這一改進UFM530HT高溫型超聲波流量計成功實現了導熱油流量的穩定測量。該改進也被沿用到了UFM530HT的繼任者OPTISONIC4400之上。

  圖:OPTISONIC 4400 HT

  其次我們發現導熱油的密度對溫度變化也非常敏感,這導致在冷熱流交匯點的下游由于溫差而帶來的密度差使得導熱油無法快速均勻混合。這樣的非均勻流體中聲速分布不均勻會使超聲波信號在不同聲速界面上產生折射從而導致流量計工作不穩定,甚至完全不能工作。針對這樣的工況KROHNE的建議是在交匯點下游安裝靜態混合器以幫助導熱油盡快混合均勻,確保通過流量計的是均勻介質。通過現場實際應用證明該靜態混合器起到了非常好的效果,使得流量計最終能夠平穩運行。

  而在一些熔鹽測量應用,如世界上第一個商業化運行的塔式光熱電站GEMASOLAR電站、青海中控德令哈50MW塔式電站等項目中,我們發現在電站停運期間有時熔鹽在管道內無法完全排盡,這會導致少量的熔鹽凝結在超聲波流量計的測量管內從而出現串擾現象,即超聲波信號經測量管管壁及熔鹽固體在換能器間傳輸,從而造成流量計在空管時出現波動。

  得益于OPTISONIC4400超聲波流量計所配備的強大自診斷能力,我們發現該串擾信號相比于真實的流量信號在增益、聲速等診斷參數上有顯著的差異,可以通過在信號轉換器上根據不同狀態下的增益情況設置空管閾值的方式,使流量計在增益明顯高于實際流量信號時強制置零即可屏蔽串擾信號,實現流量計在空管狀態的穩定歸零。

  隨著光熱發電技術的發展,如何提高電站效率、降低發電成本是最值得關注的核心問題,選用何種工質則直接決定了光熱發電系統的運行效率,目前占據主流地位的傳儲熱材料是二元熔鹽,但其也存在上限溫度較低(570°C)、具有腐蝕性、易凝固而造成管路堵塞等缺陷。為尋求進一步突破,光熱發電行業一直在嘗試尋找其他更高效、上限溫度更高的傳儲熱材料。

  更高的上限溫度對于相關儀表帶來了更高的挑戰。目前應用于光熱行業的高溫型儀表最高耐溫均在600℃左右,進一步提高儀表耐溫需在結構、材料上做進一步優化。此外新型傳儲熱材料的理化特性對儀表測量的影響也是未知數,如對于超聲波流量計來說被測介質的傳聲性能及與導波桿的聲耦合性對于測量至關重要,而這些研究工作需要長期大量實驗及投入。KROHNE公司也會一直關注光熱發電行業的發展,緊追行業潮流,始終為光熱發電行業提供滿足應用需求的測量儀表。

(科隆測量儀器(上海)有限公司作者:陳昊駿)

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