張曉暉，余成長

(1.蘇州大學 物理科技學院，江蘇 蘇州 215006;2.蘇州熱工研究院，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

某電廠2臺機組 GSS(主蒸汽系統(tǒng))、AHP(高加系統(tǒng))所屬疏水管線頻繁出現(xiàn)開裂泄漏，開裂位置主要發(fā)生在疏水器到閃蒸箱之間的閥門、彎頭、三通、節(jié)流孔板前后的焊縫附近。

GSS與AHP系統(tǒng)抽汽管道的疏水管道系統(tǒng)的功能是將抽汽管道內(nèi)的凝結水排往冷凝器的FLASHBOX，避免蒸汽夾帶水珠高速流動對管道造成水擊或大量積水時產(chǎn)生水錘對管道造成嚴重破壞。疏水管路系統(tǒng)設計有電動調節(jié)閥旁路，用于機組剛啟動至30%負荷這段時間內(nèi)通過電動調節(jié)閥控制凝結水的排放。機組功率大于30%以后改由疏水器管路進行自動疏水。疏水器及上游管道內(nèi)介質為對應抽汽管道工作壓力下的飽和水，疏水器開啟后上游管道和疏水器內(nèi)的凝結水受壓差的驅動開始迅速流動，凝結水在通過疏水器出口時被節(jié)流降壓，部分飽和水吸收汽化潛熱迅速轉變成蒸汽，在下游管道內(nèi)變成兩相流，高速流動的水汽兩相流對管道產(chǎn)生嚴重的沖蝕。

針對造成管線頻繁泄漏和斷裂現(xiàn)象，本文在調研基礎上，驗證原設計是否合理，尤其是汽水流速，進行重新設計，以改變沖蝕作用對管線影響。

1 原設計技術參數(shù)

為核算流速，需對原設備設計參數(shù)進行整理。

1.1 疏水器選型依據(jù)的系統(tǒng)介質參數(shù)

不同工況下設計參數(shù)詳見表1～3。

表1 啟動工況時的參數(shù)Tab.1 Start up operating condition

表2 管線在達到30%工況時的參數(shù)Tab.2 30%load working condition of pipe lines

表3 管線在達到100%工況時的參數(shù)Tab.3 100%load working condition of pipe lines

1.2 疏水器性能

疏水器性能參數(shù)見表4。

表4 疏水器性能表Tab．4 Steam trap specification

1.3 孔板參數(shù)

孔板參數(shù)見表5。

表5 孔板參數(shù)Tab．5 Orifice plate specifications

1.4 疏水器的流量壓差特性

原設計選用了Armstrong 314和316系列疏水器，各疏水管路選用的疏水器型號如表6所列。

表6 管線疏水器型號Tab.6 Steam trap model

根據(jù)Armstrong314系列和316系列疏水器的特性曲線，可以分別求得對應各個不同節(jié)流孔直徑的疏水器流量壓差特性函數(shù)。

314系列3/16″節(jié)流孔直徑疏水器 (GSS110/210DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關系函數(shù) (單位分別換算成bar和kg/s):

316系列 11/32″節(jié)流孔直徑疏水器(AHP107DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關系函數(shù):

316系列5/16″節(jié)流孔直徑疏水器 (AHP105/205DI)，根據(jù)其特性線上的讀數(shù)得到下列流量－壓差關系函數(shù):

1.5 孔板的流量壓差特性

根據(jù)孔板GSS110/210DI的設計參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關系式:ΔP2=4.9346×G2bar;

根據(jù)孔板AHP107DI的設計參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關系式:ΔP2=13.28×G2bar;

根據(jù)孔板AHP205DI的設計參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關系式:ΔP2=0.2922×G2bar;

根據(jù)孔板AHP105DI的設計參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關系式:ΔP2=52.7×G2bar;

根據(jù)孔板AHP106DI的設計參數(shù)，求得孔板的流量－壓差關系式:ΔP2=1.2448×G2bar。

2 原設計管線疏水管路水力計算

2.1 疏水管道水力計算簡化條件

可以近似地認為凝結水在經(jīng)過疏水器節(jié)流孔和孔板節(jié)流孔時的過程為熱力學等焓過程，同時忽略疏水器下游管道的散熱，即疏水器前后以及孔板前后介質的焓值保持不變，等于疏水器內(nèi)的凝結水焓值。因此，在忽略閥門和彎頭等的局部阻力，僅考慮疏水器和下游孔板的流動阻力的情況下根據(jù)疏水器上游介質參數(shù)和要保證的排放背壓即FLASHBOX的工作壓力 (0.92 bar)，根據(jù)疏水器壓差流量特性和孔板壓差流量特性，運用水蒸汽熱力學性質可以計算得到疏水器出口和孔板出口濕蒸汽介質的比容、以及可以通過的介質流量，從而計算得到在計算流量和給定管徑條件下管道內(nèi)濕蒸汽的流速。

2.2 原設計疏水器下游管道介質流速計算

按照原有設計對疏水器管道內(nèi)介質的流速進行計算，現(xiàn)以GSS110DI/210DI管線為例進行詳細計算，見表7。

其他類同，從略，原設計疏水器下游管道介質流速計算結果見表8。

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標準DL/T 5054－1996[1]，標準中推薦的濕蒸汽流速值20～35 m/s，從計算結果來看，其流速遠遠大于標準中推薦的流速，流速過大會導致流體對管道的沖擊力過大，會損壞管道，與此相伴隨的孔板前后的壓力差很大，這些地方的孔板如果選用不當，就會給安全運行帶來很大隱患。當水經(jīng)過節(jié)流孔板縮口時，流束會變細或收縮，流束的最小橫斷面出現(xiàn)在實際縮口的下游，稱為縮流斷面，在縮流斷面處，流速是最大的，流速的增加伴隨著縮流斷面處的壓力的降低，在縮流斷面后的區(qū)域，速度下降，壓力增加，但由于能量損失的存在，下游的壓力不會完全恢復到上游的壓力，當縮流斷面處的壓力小于當?shù)厮娘柡驼羝麎毫r，部分水會汽化，同時，溶解在水中的部分氣體也會逸出，形成蒸汽與氣體混合的小汽泡，如果孔板下游的壓力仍低于當?shù)厮娘柡驼羝麎毫?，汽泡將在下游的管道繼續(xù)產(chǎn)生，汽液兩相混合存在，形成閃蒸現(xiàn)象。產(chǎn)生閃蒸以后，如果孔板下游的壓力沒有保持在相應水的飽和蒸汽壓力以下，而是恢復到高于該飽和壓力的水平，那么，汽泡在高壓的作用下，迅速凝結而破裂，在汽泡破裂的瞬間，產(chǎn)生空穴，高壓水以極高的速度流向這些原汽泡占有的空間，形成一個沖擊力。由于汽泡中的氣體和蒸汽來不及在瞬間全部溶解和凝結，在沖擊力作用下又分成小汽泡，再被高壓水壓縮、凝結，如此形成多次反復，產(chǎn)生空化現(xiàn)象，閃蒸和空化合稱為汽蝕。

表7 GSS110DI/210DI管線的流速計算Tab.7 Velocity calculation of GSS110DI/210DI pipe line

汽蝕造成的破壞是巨大的，汽泡破裂和高速沖擊會引起嚴重的噪音，管道振動大，在流道表面極微小的面積上，沖擊力形成的壓力可高達幾百甚至上 kMPa，沖擊頻率可達每 s幾萬次，在短時間內(nèi)就可能引起沖刷面的嚴重損壞，不論是閃蒸還是空化，都是對安全運行不利的，因此，需要通過設計合適的管道通流能力、控制疏水器下游管道和孔板下游介質的流速使其盡量在行業(yè)標準推薦數(shù)值范圍之內(nèi)，這樣才可以顯著降低汽液兩相流對管道的沖蝕作用。

表8 100%負荷工況下各疏水管道原設計的流速計算結果匯總Tab.8 Original design velocity of pipelines under 100%load condition

3 疏水管路失效的改進設計

要降低疏水器下游管道中的介質流速有3種途徑:(1)保持現(xiàn)有管道通徑不變，僅減小疏水器和孔板的節(jié)流孔徑，通過增加管道局部阻力來降低管道介質流量。(2)保持疏水器和節(jié)流孔板的節(jié)流孔徑不變，即在保持流量不變的情況下增大疏水器下游管道的通徑即流通截面積。(3)既通過減小疏水器和孔板的節(jié)流孔徑降低流量，同時又增加管道流通面積。

下面根據(jù)不同管線的具體情況，通過計算選擇最合適的途徑來降低管道內(nèi)介質的流速。

3.1 改進設計和計算

3.1.1 GSS110DI/210DI管線的改進設計和計算

由于GSS110DI和GSS210DI管線的流動工況參數(shù)完全相同，故兩條管線采用同一種方法進行節(jié)流減速。原設計的計算流量為0.484 kg/s，遠遠超過0.25 kg/s的工況要求，有較大的下調空間。

在考慮計算流量和滿足背壓的情況下，進行了驗算，最終決定保留原有設計時使用的314系列疏水器GSS102PU，其流量－壓差關系函數(shù)為

改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由9 mm改為7 mm，同時增大疏水器下游管道的管徑，由原來的40 mm改為80 mm，即使用原設計孔板AHP107DI，其流量－壓差關系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時，通過一系列的計算、核算最終確定計算流量為0.469 kg/s，能夠滿足100%工況時0.25 kg/s的流量。啟動工況時的計算流量為0.278 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過改進設計的GSS110DI和GSS210DI管線在100%工況時，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速從原有設計的78 m/s降至改進后的8.6 m/s，孔板下游介質的流速從原有設計的197 m/s降至改進后的46.67 m/s。

3.1.2 AHP107DI管線的改進設計和計算

由于AHP107DI管線的100%工況下的設計流量為0.98 kg/s，原設計管路的計算流量為1.022 2 kg/s，下調空間太小，不能通過降低介質流量來降低流速，可適當將疏水器下游管道的通徑增大，由原設計的直徑80mm增大至100 mm。

經(jīng)過改進設計的AHP107DI管線在100%工況時，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速從原有設計的1 m/s降至改進后的0.6 m/s，孔板下游介質的流速從原有設計的84 m/s降至改進后的53 m/s。

3.1.3 AHP205DI管線的改進設計和計算

由于AHP205DI管線原設計的計算流量為1.635 kg/s，遠遠超過0.98 kg/s的工況要求，有較大的下調空間。

在考慮計算流量和滿足背壓的情況下，進行了驗算，最終決定去除原有設計時使用的316系列疏水器 AHP201PU，改用316系列疏水器AHP107DI，其流量－壓差關系函數(shù)為

另外改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由18 mm改為7 mm，即把原設計孔板AHP205DI更換掉，使用孔板 AHP107DI，其流量 －壓差關系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時，通過一系列的計算、核算最終確定計算流量為1.215 kg/s，能夠滿足100%工況時0.99 kg/s的流量，啟動工況時的計算流量為0.686 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過改進設計的AHP205DI管線在100%工況時，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速從原有設計的78 m/s降至改進后的1.2 m/s，孔板下游介質的流速從原有設計的160 m/s降至改進后的114 m/s。

3.1.4 AHP105DI管線的改進設計和計算

在考慮計算流量和滿足背壓的情況下，進行了驗算，最終決定去除原有設計時使用的316系列疏水器 AHP201PU，改用316系列疏水器AHP107DI，其流量－壓差關系函數(shù)為

另外改變節(jié)流孔板的孔徑，將孔板孔徑由18 mm改為7 mm。即把原設計孔板AHP105DI更換掉，使用孔板 AHP107DI，其流量 －壓差關系函數(shù)為

在滿足背壓0.92 bar的同時，通過一系列的計算、核算最終確定計算流量為1.215 kg/s，能夠滿足100%工況時0.99 kg/s的流量，啟動工況時的計算流量為0.686 kg/s，基本能滿足系統(tǒng)的要求。

經(jīng)過改進設計的AHP105DI在100%工況時，在保證背壓的情況下，疏水器下游管道的流速從原有設計的78 m/s降至改進后的12 m/s，孔板下游介質的流速從原有設計的160 m/s降至改進后的114 m/s。

上述計算結果匯總詳見表9。

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標準中推薦的濕蒸汽流速值20～35 m/s，從改進設計后的計算結果來看，部分流速雖然仍大于標準中推薦的流速。但已遠低于原設計的流速，減少了流體對管道的沖擊力，降低了對管道的損壞，取得較好的改進效果。

表9 100%負荷工況下各疏水管道改進設計后的流速計算結果匯總Tab.9 Retrofitted design velocity of pipelines under 100%load condition

4 結論

管道焊縫及孔板對接焊逢包括孔板本身頻繁發(fā)生泄漏的一個主要原因是疏水器下游管道內(nèi)介質 (汽液兩相)的流速遠遠超過行業(yè)推薦值，流速太快使管道遭受嚴重沖蝕破壞，誘發(fā)微裂紋，再在疲勞 (間隙性排放)作用下使裂紋不斷擴展，最終造成斷裂失效。

在原有的設計基礎上對疏水系統(tǒng)進行了改進設計，在基本滿足設計技術參數(shù)的情況下，對各管線的疏水器和孔板進行了調整，通過這次改進，采用本方案改造后管內(nèi)介質流速將大為減小，其所產(chǎn)生的沖蝕破壞也將大大降低，由此造成的管道破裂事故將明顯得到抑制。

[1]中華人民共和國．電力行業(yè)標準 DL/T 5054－1996《火力發(fā)電廠汽水管道設計技術規(guī)定》[s]．北京:中國電力出版社，2004．

[2]景思睿，張鳴遠．流體力學[M]．西安:西安交通大學出版社，2001．