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2020OEM机械设计技术研讨会云会议
测试测量

高温型超声波流量计-光热电站中传热/储热工质流量测量的理想答案

  2020年08月21日  

  当前,世界能源发展面临资源紧缺、环境污染、气候变化等严峻挑战,同时经济社会发展对能源的需求仍将保持较快增长,现有能源发展方式已经不可持续。

  光热发电技术作为一种重要的清洁能源技术虽然在直接实现碳减排方面的作用微不足道,但关键在于其连续、稳定、可调度等优势可以对如风力发电和太阳能光伏发电等电波动性可再生能源电源进行有效的电力系统调节,推进全球能源体系向清洁低碳方向转型。

  您知道光热电站中传热/储热工质流量测量的理想答案是什么吗? 高温型超声波流量计

  在目前所有商业运行的光热电站中均采用导热油/熔盐作为传热工质,将从太阳光中吸收的能量传送到储热系统进行储存,或者传送到热交换器产生蒸汽进行发电;而在储热系统中均采用熔盐作为储热工质用以储存能量,使得光热电站在夜间或天气情况不佳时仍能持续发电。无论是在传热系统还是在储热系统中,都需要对管道中流通的工质流量进行实时测量,这既是检测和控制整套系统运行状况和效率的依据,同时也是标定其他仪表和设备的重要手段。因此对于传热/储热工质的流量测量对于整套光热发电系统十分重要。

  作为光热发电中的工质,导热油的特点是其工作温度在300~400℃,而且随着温度的变化其密度、粘度、声速等理化特性均会产生变化。而对于熔盐来说,其在冷端的工作温度近300℃,在热端可达到500~600℃的高温,其密度、粘度等理化特性也会随着温度变化而变化并且熔盐还具有凝结的特性。以上的介质特性限制了大多数流量计的应用。

  图:金属卷片导波杆结构简图

  采用了金属卷片导波杆技术的OPTISONIC4400高温型超声波流量计最高适用温度可达600℃,完全满足光热发电中导热油和熔盐的运行要求。针对熔盐低温易凝结的特点,该款流量计可在整个测量管及导波杆结构上敷设伴热保温,只需在换能器处留出一定的散热空间,最大程度上减少了熔盐凝结的可能。该款流量计测量管内没有阻流或可动部件,不会产生压损和磨损,故障率低,维护量小,有助于提高光热电站的运行效率。而且其过程连接还可采用焊接形式,进一步减少了高温介质泄漏的可能,增加了系统运行的安全性。

  此外,相比于外夹式超声波流量计,管道式超声波流量计不受介质声速、粘度等变化影响,非常适合光热电站中工质温度频繁变化的工况。而且外夹式超声波流量计需要在实流状态下近距离进行安装调试,测量点处的保温也很难敷设,对于人员安全和系统能耗有很大影响,管道式超声波流量计在这两方面也具有明显的优势。

  KROHNE公司的高温型超声波流量计由于其具有测量精度高、流通量大、无压损、免维护等特点至今已在全球近70家光热电站中得到了广泛使用和认可,在这一过程中我们也积累了诸多应用经验。

  欧洲第一个商业化运行的槽式光热电站ANDASOL电站项目也是KROHNE首次涉足光热发电行业。该项目使用了OPTISONIC4400的前身UFM530HT高温型超声波流量计,通过该项目我们充分摸清了光热发电行业中导热油的特性,为后续产品的研发和之后在其他项目中的应用打下了坚实的基础。

  首先我们发现随着温度的升高导热油的声速迅速降低,导致在最高运行温度下其声速非常低,仅460m/s。低声速对于超声波具有非常大的衰减作用,直接导致流量计无法收到超声波信号。为此KROHNE快速研发出了UFC030HiPower信号转换器,该转换器提供更高的激发电压,增强了发出的原始超声波强度,提高了超声波信号的信噪比;此外其还搭载了额外的“高性能”版软件,使得转换器能自动根据诊断参数对声波信号做滤波和平均计算,进一步优化了信号处理能力。通过这一改进UFM530HT高温型超声波流量计成功实现了导热油流量的稳定测量。该改进也被沿用到了UFM530HT的继任者OPTISONIC4400之上。

  图:OPTISONIC 4400 HT

  其次我们发现导热油的密度对温度变化也非常敏感,这导致在冷热流交汇点的下游由于温差而带来的密度差使得导热油无法快速均匀混合。这样的非均匀流体中声速分布不均匀会使超声波信号在不同声速界面上产生折射从而导致流量计工作不稳定,甚至完全不能工作。针对这样的工况KROHNE的建议是在交汇点下游安装静态混合器以帮助导热油尽快混合均匀,确保通过流量计的是均匀介质。通过现场实际应用证明该静态混合器起到了非常好的效果,使得流量计最终能够平稳运行。

  而在一些熔盐测量应用,如世界上第一个商业化运行的塔式光热电站GEMASOLAR电站、青海中控德令哈50MW塔式电站等项目中,我们发现在电站停运期间有时熔盐在管道内无法完全排尽,这会导致少量的熔盐凝结在超声波流量计的测量管内从而出现串扰现象,即超声波信号经测量管管壁及熔盐固体在换能器间传输,从而造成流量计在空管时出现波动。

  得益于OPTISONIC4400超声波流量计所配备的强大自诊断能力,我们发现该串扰信号相比于真实的流量信号在增益、声速等诊断参数上有显著的差异,可以通过在信号转换器上根据不同状态下的增益情况设置空管阈值的方式,使流量计在增益明显高于实际流量信号时强制置零即可屏蔽串扰信号,实现流量计在空管状态的稳定归零。

  随着光热发电技术的发展,如何提高电站效率、降低发电成本是最值得关注的核心问题,选用何种工质则直接决定了光热发电系统的运行效率,目前占据主流地位的传储热材料是二元熔盐,但其也存在上限温度较低(570°C)、具有腐蚀性、易凝固而造成管路堵塞等缺陷。为寻求进一步突破,光热发电行业一直在尝试寻找其他更高效、上限温度更高的传储热材料。

  更高的上限温度对于相关仪表带来了更高的挑战。目前应用于光热行业的高温型仪表最高耐温均在600℃左右,进一步提高仪表耐温需在结构、材料上做进一步优化。此外新型传储热材料的理化特性对仪表测量的影响也是未知数,如对于超声波流量计来说被测介质的传声性能及与导波杆的声耦合性对于测量至关重要,而这些研究工作需要长期大量实验及投入。KROHNE公司也会一直关注光热发电行业的发展,紧追行业潮流,始终为光热发电行业提供满足应用需求的测量仪表。

(科隆测量仪器(上海)世界杯投注作者:陈昊骏)

标签:科隆流量计我要反馈
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