熔盐泵现状与展望

doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2019.11.010

流 体 机 械2019年11月  49

熔盐泵现状与展望

操松林1，呼核升2，操瑞嘉3，丁强民1，文宏刚1，王祥薇1，温 超1，李双宁1

（1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.西安科尚流体设备工程有限公司，西安 710523；

3.江苏大学流体中心，江苏镇江 212013）

摘 要：简要介绍了熔盐的特点，分析了熔盐泵的选型要求、结构特点、设计中应注意的事项，介绍了熔盐泵的应用领域和国内外生产状况，指出了熔盐泵的发展方向。关键词：熔盐泵；高温；立式湿坑泵

中图分类号：TH131 文献标志码：A

The Present Situation and Prospect of Molten Salt Pump

Cao Songlin1，Hu Hesheng2，Cao Ruijia3，Ding Qiangmin1，Wen Honggang1，Wang Xiangwei1，

Wen Chao1，Li Shuangning1

（1.Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China；2.Xi'an Keshang Fluid Equipment and Engineering

Co.，Ltd.，Xi'an 710523，China；3.Research Center of Fluid Machinery of Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

Abstract：The characteristics of molten salt were briefly introduced，type selection requirements，structural features of the pump and precautions in the design were analyzed，the application fields and production status of molten salt pump at home and abroad were introduced，and finally the future development direction of the molten salt pump was pointed out. Key words：molten salt pump；high temperature；vertical wet pit pump

0 前言

熔盐是指无机盐的熔融态液体，一般由碱金

属或碱土金属与卤化物、或硫酸盐、或碳酸盐、或硝酸盐、或磷酸盐组成，其固态大部分为离子晶体，在高温下熔化后形成离子熔体。最常用的熔融盐是硝酸盐，如40%KNO3与60%NaNO3的二元混合物，或55%KNO3与45%NaNO2的二元混合物，以及53%KNO3与40%NaNO2、7%NaNO3的三元混合物。

熔融盐具有下述优点［1-2］：

（1）宽泛的使用温度范围。如40%KNO3与60%NaNO3的二元硝酸盐混合物，在230 ℃左右熔化，在600 ℃以内性质稳定，不燃烧、不爆炸。在290~565 ℃范围内呈液态，且具有黏度低、流动性好的特点。（2）饱和蒸汽压小，即对储存的容器和管路承          收稿日期： 2018-12-29 修稿日期： 2019-10-15基金项目： 国机集团2019年度基金项目

压能力要求低，在常压或低压下就可以得到高温。（3）相对密度大、比热容高。即熵焓值高，储热能力强。

（4）有些熔盐还具有导电性能好的特点。熔融盐是一种公认的中高温蓄热传热介质，在工业上有广泛应用。利用它可对其它设备或介质进行间接加热或保温，或者储热储能。

熔盐的缺点是在高温下具有吸湿能力和氧化特性［2］。一旦从空气中吸收氧气，熔盐会分解。这种分解会使盐的熔点升高，在生产中易因温度波动造成盐的凝固。因此，在利用熔盐的系统中，常利用低压惰性气体（氮气）对熔盐表面进行覆盖保护，使其在高温状态下不接触空气。1 熔盐泵的特点

输送熔融盐的泵称为熔盐泵，熔盐泵在工作

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时所输送的介质熔融盐处于高温状态。例如，输

送硝酸盐时工作温度一般在290~575 ℃，输送二元碳酸盐时，温度可达850 ℃。有些被输送的熔融盐有较强的腐蚀性，如卤素盐中氯离子的强腐蚀，因此，熔盐泵工作环境相对苛刻。

程文洁、王业芳、顾海飞、Smith等针对输送熔融盐介质时泵内流动进行了数值分析与研 究［3-7］。相关文献给出的结论是：熔盐在操作温度下黏度不高，其流动特性与水类似，泵输送熔盐与输水时，在水力性能方面差异不明显；在操作温度略有变化时，熔盐的黏度变化不大；其次，在操作温度下，熔盐全部熔化，无颗粒物。因此，可以按常规的水力设计即可满足工程设计需求。

当然，泵在水力设计时，需要注意叶轮与导叶体的匹配，并适当加长耐磨环的长度，以便于轴向位置调节，确保叶轮与导叶体流道的对中。1.1 熔盐泵的技术要求

熔盐泵在设计与选型时，需要慎重考虑下述问题［2］。

（1）高温热膨胀问题。不同的材料因线膨胀系数不同，在温度变化较大时，零件相互配合止口处往往会出现过大的间隙或严重的过盈；抑或转子与壳体伸长不一致，造成叶轮与蜗壳流道不对中。其次，冷态装配的泵，在热态易出现偏心。因此，在选型与设计时，必须充分考虑泵结构，使其

应能在温度变化时均匀膨胀和收缩，保证泵在热

态和冷态运行时均不会相碰或刮擦。

（2）高温下的密封可靠性。高温熔盐介质一旦泄漏，对人身和环境的安全构成重大风险，因此，绝对不允许熔融盐泄漏。

（3）材料的合理选择与匹配。安装底板以下零件的材料应能耐高温熔融盐介质的灼烧、腐蚀，且在高温下具有足够的强度和稳定性。通常，材料在高温下其拉伸强度、疲劳强度、硬度、弹性模量等机械性能明显减小，在设计计算时，应按设计温度下的材料机械性能进行校核。1.2 熔盐泵选型与结构特点

因熔融盐的凝固点温度高，考虑运行时的安全性、安装维护操作的便利性，输送熔盐的泵，一般选用API610标准指明的VS1~VS5结构的湿坑型立式悬吊泵，或GB/T16907所述的10AB、12AB泵族结构形式。对卧式泵而言，因轴封安全性无法保证，因此通常不被选用。

图1示出的VS1型熔盐泵是一种叶轮与导流壳组合的节段式多级离心泵或混流泵，其结构特点是利用支撑管出液，即单管插入型泵，出液管在安装基础之上横向拐弯与支撑管分离。这种泵型的过流部分径向尺寸相对较小，且轴对称性好，热变形均匀；性能方面适合中小流量、较高的泵扬程；VS1常用于外输。

（a）VTP型泵 （b）VEY型泵 （c）VNY型泵

图1 VS1型熔盐泵

利用支撑管出液的单管插入型泵，还有VS2、

VS3型。其中，VS3型泵性能方面属大流量、低扬程，水力上是单级轴流泵，常用于罐内循环；VS2型泵性能参数介于VS1和VS3两者之间，属大中流量、较低扬程，水力上是单级或两级、单吸或双

吸的蜗壳型的离心泵或混流泵。

VS1~VS3型单管插入泵因其安装方便，应用越来越普遍。特别是VS1型，市场应用的增长趋势明显。

VS1~VS3泵型普遍采用减压衬套节流、泄压

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回流管放空、填料密封氮气阻封的组合轴封形式，如图2所示。即熔盐沿轴向上泄漏时首先被节流衬套降压，再通过泄压管回到熔盐盛放储槽中，泄压腔上部设置一个填料密封，0.05 MPa在填料函中通入泵的出口压力，的氮气安全阻封。但由于轴封承受的是特别是VS1型多级泵，泵出口压力较高，一旦节流衬套磨损严重，泄压腔中熔盐不能及时从泄压管泄放，熔盐会从填料处外漏。李威等［8］对上述的密封节流衬套的设计方法作了较为详细的说明；Yao-YuHu等［9］对叶轮背后节流套的节流机理做了较为详细的研究。

图2 VS1~VS3型熔盐泵的轴封结构

为解除熔盐从填料处外漏这一安全隐患，可

采用图3示出的结构布置方案，即出液管在安装基础之下与支撑管分离，从而增强了支撑管的自排空功能，熔盐则不会从安装底板上部泄漏，泵的安全性也随之提高。

图3 法国Ensival moret公司生产的改进型VS1泵

图4示出的VS4型熔盐泵是一种具有独立

排液管的液下泵。VS4型多为流量不大的离心泵

或混流泵。国内生产的熔盐泵，大多为此类结构产品。

（a）CPXV型泵 （b）VEY型泵

图4 VS4型熔盐泵

但液下部分径向尺寸相对较大。泵工作时，VS4型泵的优点是轴封不会出现熔盐泄漏，

出液管内充满熔盐，支撑管为半管熔盐（受液位限制），出液管在高温作用下产生应力，或出液管受外接管路的作用力，形成对泵的支撑管或泵壳体的作用力或力矩。在泵轴对称性不好的条件下，支撑管或泵壳体在最薄弱的位置变形而与轴偏

心，致使导轴承偏磨，影响导轴承的寿命［2，10］

。

为减轻出液管受热伸长对泵的影响，要求出液管通过安装底板处的连接应为可活动形式，且出液管中心线尽可能靠近轴心线，避免或减轻出液管的伸缩对支撑管的应力或力矩作用。其次，出液管对外接口法兰尽量不承担管路的负荷。实践中，有采用能减轻应力的多道弯曲形状出液管的实例，如图4（a），以补偿出液管的伸长，消除应力；或者采用对称布置的双出口管形式［2］，使泵壳体与支撑管的受力或变形对称，如图5所示。

图5 双出口熔盐泵［2］

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双蜗壳泵体可以大幅度地减小熔盐泵在非设

计工况下运行时的径向力，减少轴挠度。采用双蜗壳泵体与双出液管相结合的结构型式，可以取消单出液管双蜗壳泵体中的隔板，从而简化泵壳体的铸造［11］。笔者曾设计生产的双蜗壳双出口液下泵在香料生产装置熔盐保温系统中应用效果良好。

为了减小径向尺寸，一些泵制造厂家将蜗壳压水室过流断面做成轴向拉伸的偏心断面，而非径向扩张的对称断面。再将出液管紧贴支撑管，如图4（b）。相对而言，此种结构减小了出液管承受的外力和受热应力对泵壳的作用力臂长度，相应地减少了作用力矩，有益于解决温度对泵变形的影响。

图5示出的为排液管独立的VS5型熔盐泵。与VS4不同点在于泵轴系悬臂布置，由安装在底板上部的两处滚动轴承支承，泵没有导轴承，因此泵的可靠性较VS4型高。目前，VS5在化工领域应用相对普遍。但这种泵受结构限制，允许的插入深度有限，最多不超过3 m。

图6 外置安装的立式熔盐泵

此外，还有外置安装的特殊结构方式［12］，如

图6所示，但这种应用较少。2 熔盐泵设计中的注意事项

目前熔盐泵的设计没有完全合适的标准，从使用工况的苛刻程度和泵的重要性考虑，熔盐泵宜遵从API 610或GB/T 3215《石油、石化和天然气工业用离心泵》或GB/T 16907-2014《离心泵技术条件（Ⅰ类）》，在使用中只参照标准的相关技术要求，而非严格要求、全盘接受。因为，在使

用API 610或GB/T 3215标准时，存在熔盐泵不

在标准规定的三大应用领域范围内的问题；而在使用GB/T 16907标准时，存在该标准不包含混流泵或轴流泵，且所述泵族的许用温度范围不能满足熔盐泵要求的问题。

熔盐泵设计的技术方案要点如下。新泵设计开发时，2.1 应重视并遵循。泵应尽可能采用圆周方向对称布置，总体结构

使泵在高温下沿周向的变形均匀。2.2 除功率转速

≤30 kW、插入深度≤3 m的小型泵以外，泵的转速宜采用1 450 r/min及其以下的低速，以增强泵运转的平稳性。对插入深度≥2 m的泵，应合理布置导轴承位置（导轴承跨距），并核算轴系的临界转速，以及整机模态共振频率，以避免共振的产生［13-15］2.3 。尽量减小径向力，径向力

以便减小轴的挠度，防止口环碰擦，保证导轴承寿命。对多级泵，宜采用空间导叶结构；对单级泵，可采用双蜗壳结构或导叶结构。对于流量不大的离心泵，还可采用环形蜗壳或改良环形蜗壳。2.4 宜采用叶轮前后口环与平衡孔的组合形式平轴向力

衡轴向力。叶轮两侧轴向串动量设计，应充分考虑冷态与热态不同条件下的轴系与壳体的相对位置。口环间隙设置应充分考虑壳体口环材料与叶轮口环材料的线膨胀系数，还应考虑导轴承磨损后间隙增大对口环的影响。2.5 轴系的支承是泵稳定运行的关键。滚动轴承部件

对立式泵，须在安装底板上部设置滚动轴承部件，用以承担转子重量和残余轴向力。

对插入深度不大的VS5型泵，一般采用成对安装的角接触轴承与圆柱滚子轴承组合的方式，液下部分不设导轴承。叶轮悬臂支承，叶轮背面只设节流套［16］。

对插入深度较大的VS1~VS4型泵，除了在安装底板上部设滚动轴承外，必须在熔盐中设置导轴承，起径向支承稳定轴系运转作用。一般情况下，底板上部设置成对角接触轴承，承受转子重量和/或轴向力；如果是大型泵或多级泵，转子较重或轴向负荷较大，底板上部的滚动轴承可采用深

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沟球轴承与推力滚子轴承组合的方式［17］。

滚动轴承需考虑润滑与冷却方式。水冷的效果较风冷好，但在缺水地区不得不采用风冷的冷却方式。对滚动轴承，脂润滑与水冷的组合或稀油润滑与风冷的组合都可采用；脂润滑与风冷组合的轴承结构有潜在风险，需要进行详细的数值分析后才能考虑选用［18］。

对稀油润滑的轴承部件，关键是确保润滑油循环量和轴承箱的散热量。作者设计的熔盐泵、熔融碱泵大多采用图7示出的皮托管供油结构方式，该结构给油量足，可靠性好，使用效果非常满意。杨敏官等［19］推荐了一种锥螺旋强制供油结构，相当于升角为10°～13°的螺旋泵；尚家巨 等［20-21］推荐了一种收敛锥供油结构。该供油结构简单，无间隙要求，在冷凝水泵上有较为普遍的应用。

图7 皮托管给油润滑的轴承部件为阻断或减少热量向上部滚动轴承的传递，

在轴封与滚动轴承部件之间设计好隔热结构。2.6 导轴承通常由装配在轴上的轴套和装配在壳导轴承

体上的衬套组成。结构设计中需注意导轴承衬套与壳体之间、导轴承轴套与轴之间的配合，应充分考虑热膨胀的影响。

熔盐中使用的导轴承必须具有耐高温、耐蚀、硬度高、耐磨等特征。工作温度在400 ℃以下的冷熔盐泵，其导轴承的制作材料可采用锡青铜或铍青铜与表面处理的13%铬钢配对；400 ℃以上的热熔盐泵，导轴承只能采用硬质合金与硬质合金或不锈钢堆焊硬质合金配对。钨铬钴合金6B的轴套与灰口铸铁的轴承衬套配对也显示了较好的耐磨性能［1］。目前，许多厂家采用347H堆焊硬质合金做导轴承。

2.7 对大插入深度的泵，接轴方式与对中

轴与支撑管都需要分段制造，于是，接轴方式、轴与支撑管的加工精度等对轴系与壳体的上下同心度至关重要。

比较成熟的接轴方式［22-23］是分半夹紧套接轴方式或锥形套挤压接轴方式如图8所示。这2种结构容易拆装，对中性也较好。

（a）分半夹紧套接轴方式

（b）锥形套挤压接轴方式

图8 接轴方式

在支撑管加工时，上下连接止口的同心度应

从严要求，2.8 泵过流件材料选用确保壳体连接后上下同心。［24-25］

熔盐泵过流件材料的选用主要考虑耐高温和耐腐蚀两点。设计计算时应考虑材料的机械性能下降，强度、刚性、弹性模量的减小。

对230~400 ℃的硝酸盐，泵壳体、支撑管等材料可选WCB、ZG15Cr12或CF-8（ZG07Cr19Ni9）；叶轮可选CF-8（ZG07Cr19Ni9）；出液管可选20G耐304SS热锅炉钢管、12CrMo或15CrMo支撑管、或叶轮等过流件材料可选316SS。对400~565 ℃的硝酸盐，等；轴CF-8C，轴等可壳体、可选选347H或Incol 718。对碳酸盐、卤素盐等其它熔融盐，因工作温度和腐蚀性问题，则须根据具体盐的成分另外考虑。

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3 熔盐泵生产与应用现状

目前，美国Flowserve、瑞士Sulzer能生产插入深度20 m的VS1型熔盐泵；德国Friatec能生

产插入深度20 m的VS4型熔盐泵；美国Nagle研制了插入15 m深的熔盐泵。这些大插入深度泵在太阳能热发电工程中都有应用案例。从法国Ensival moret熔盐泵，但未见大插入深度泵的报道。

官网上看，该公司也能生产VS1型德国KSB、日本酉岛、意大利Gabbioneta等能生产VS4、VS5型泵，其产品在我国的化工项目上有应用。

国内生产熔盐泵的厂家有合肥通用、济南华威、江苏金岭、江苏海狮等，大多为VS4、VS5型熔盐泵。VS1~3型产品近年在开发推广，其中合肥通用、上海能装等单位正在开发大插入深度的熔盐泵。

3.1 熔盐泵在工业上主要应用于下述3个方向。熔融盐被用作材料热处理的媒体。如氯化物在机械行业材料热处理领域的应用

混合物熔盐被用于钢材的退火和等温淬火，氰化物和氯盐的混合物用于金属材料表面渗碳和碳氮共渗［26］。盐浴炉是用熔融盐液作为加热介质、将工件浸入盐液内加热的工业炉，盐浴炉上需配套熔盐泵。

在该领域所需熔盐泵插入深度在2 m左右，流量十几方或几十方，扬程不高。传统选型用双蜗壳双出口管的悬臂式3.2 VS5，应用效果较好。在化学工业中，在化工行业的应用

一些工艺流程需要精确地进行温度控制，采用熔融盐作为热媒间接加热的方式，比其它直接加热或蒸汽加热措施更可靠、更安全，操作更方便。硝酸盐具有腐蚀性小、获取成本较低的优势，在化工装置中广泛应用。如三聚氰胺［27］、苯酐［28-29］、氧化铝［30］、电缆硫化［31］、片 碱［10］等装置都有应用。

化工装置中的熔盐泵，随装置不同，性能参数差异很大，工作温度一般不超过480℃，目前多数采用3.3 VS4在太阳能热发电蓄能领域应用、VS5泵型。

［32-33］

近些年，随着太阳能光热发电的兴起，熔盐泵的研究受到行业的重视。在光热发电的蓄能储热装置中，熔融盐用于热能的储存，以便在太阳辐射

不足的阴雨天或无太阳光照的夜晚持续发电，还

可在一定范围内根据发电计划调整出力、平滑出力，使其适应电网需求。

太阳能热发电流行双罐储热系统，有冷、热熔盐泵及调温泵。每套装置配50 MW5~12台泵。如哈密热盐泵、塔式光热发电项目熔盐泵8台（包括3台100 MW3台热盐泵和槽式光热发电项目熔盐泵台冷盐泵和2台调温泵），乌拉特中旗6台冷盐泵）。

12台（包括6此外，氟盐、氯盐和氢氧化物盐可作为核燃料的高温处理溶剂。4 熔盐泵发展展望

VS1未来熔盐泵的结构形式将以单管泵首级叶轮下沉、、VS2、VS3型为主。对次级叶轮上提，VS1型结构多级泵，插入的

充分利用滚动轴将承的高承载能力，有效减轻下部泵轴负荷（同时减轻导轴承的承载负荷），可提高泵轴系支撑的可靠性［34-40］。

熔盐泵的主要市场还是化工行业。太阳能热发电是国家积极推进的新兴产业，处于起步阶 段［41］。其产业链上的熔盐泵产品正处于研发阶段，未来有可能成为泵行业新的增长点。但太阳能发电项目投资大（12~15亿元），发电成本高，大面积推广不具备条件。因此，同核电工程项目类似，培育出成熟的市场尚需时日。

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