劉 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

加熱爐爐管中兩相流水動力特性分析研究

劉 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

由于焦油中的瀝青質(zhì)及游離碳有結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)要求較高的出口汽化率，焦油汽化加熱爐設(shè)計(jì)對管內(nèi)流型和加熱爐內(nèi)換熱狀況有極嚴(yán)格的要求。在調(diào)試初期升溫及升流量的過程中遇到了并聯(lián)支路偏流的狀況，針對這種狀況，本文對并聯(lián)受熱管中水動力特性不穩(wěn)定的成因、趨勢及解決方法進(jìn)行了探討。

焦油加熱爐； 汽液兩相流； 水動力特性

0 前言

煤炭是世界儲量最多分布最廣的化石能源，大力發(fā)展以煤為主的潔凈煤技術(shù)，將是我國今后能源可持續(xù)發(fā)展的重要工作。同時(shí)，我國又是一個(gè)鋼鐵大國，鋼鐵行業(yè)的發(fā)展拉動了焦炭行業(yè)的發(fā)展。與煤相關(guān)的潔凈能源技術(shù)符合國家的節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的政策，應(yīng)用前景廣泛。“煤焦油深加工”是指對煤焦油進(jìn)行的深度加工工藝，生產(chǎn)出更多的下游產(chǎn)品，如輕油、酚、萘、洗油、蒽、瀝青等，在此生產(chǎn)過程中要用到焦油加熱爐。

焦油加熱爐被加熱介質(zhì)為無水焦油，介質(zhì)進(jìn)入加熱爐時(shí)為液相，被加熱后為汽液兩相。加熱爐設(shè)計(jì)中，換熱盤管以多路并聯(lián)爐管居多，不可避免會出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，造成出口各支管的介質(zhì)溫度和汽化率出現(xiàn)偏差的情況。某項(xiàng)目焦油加熱爐在運(yùn)行調(diào)試初期出現(xiàn)了這種情況。經(jīng)過理論分析及探討，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)管路中兩相流水動力特性不穩(wěn)定的特性決定了支管偏流的狀況?，F(xiàn)場通過調(diào)整相關(guān)工藝條件、熱力參數(shù)來改善換熱狀況，并進(jìn)一步提出了改進(jìn)措施，有效地減小偏流狀況。

1 水動力特性理論分析

假定在恒定熱流密度條件下，爐管中強(qiáng)制流動的介質(zhì)的質(zhì)量流量與介質(zhì)壓降之間的關(guān)系形成受熱管的水動力特性。在受熱并聯(lián)蒸發(fā)管中，當(dāng)設(shè)計(jì)不良時(shí)，會發(fā)生水動力不穩(wěn)定和脈動現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生水動力不穩(wěn)定時(shí)，各并聯(lián)蒸發(fā)管中，雖然各管兩端壓力差相同但各管中的流量卻不相同，并且各管中的流量可以時(shí)大時(shí)小，做非周期的變化。此時(shí)各出口的工質(zhì)的狀況也是不均衡的，有的輸出過熱蒸汽，有的輸出汽液混合物，有的可能是液體。

并聯(lián)蒸發(fā)管是加熱爐布置型式中最基本的型式。首先討論水平并聯(lián)蒸發(fā)管的水動力特性。

當(dāng)單相流體流過管子時(shí)，其流動壓力降主要由兩部分組成，即沿程摩擦阻力降和局部阻力降?？杀硎緸椋?/p>

(1)

式中 ∑ξ—各項(xiàng)局部阻力系數(shù)之和；

λ—沿程阻力系數(shù)；

ρ1—液體密度,kg/m3；

w—液體質(zhì)量流量,kg/s；

l—管子長度,m；D—管子直徑,m；

A—管子流通截面面積,m2。

在公式(1)中，除在上式中，除ΔP和w外，其余各值均為常數(shù)。根據(jù)公式(1)可得圖1所示的ΔP=f(W)曲線。這是一根單調(diào)上升的二次曲線，相應(yīng)于一個(gè)壓力降只有一個(gè)對應(yīng)的質(zhì)量流量。并且經(jīng)過零點(diǎn)，流量為零時(shí)，壓力降也為零。

圖1 ΔP=f(W)曲線(單相流)

但是，在一根進(jìn)口工質(zhì)具有欠熱的未飽和液體，在管中經(jīng)吸熱后逐漸蒸發(fā)而在出口處工質(zhì)已經(jīng)成為汽液混合物的管子中，其水動力特性曲線會變成一根三次曲線，汽液兩相流的水動力特性完全不同于單相流，且較為復(fù)雜。

圖2所示為一進(jìn)口工質(zhì)為未飽和液體，出口工質(zhì)為汽液混合物的水平蒸發(fā)管的示意圖。

圖2 汽液混合物水平蒸發(fā)管示意圖

管內(nèi)工質(zhì)做強(qiáng)制流動，沿管子長度工質(zhì)均勻受熱，管子長度為l，熱液段長度為L1，蒸發(fā)段長度Lm，工質(zhì)質(zhì)量流量為w。進(jìn)口工質(zhì)的參數(shù)以角碼1表示，出口工質(zhì)參數(shù)以角碼2表示。蒸發(fā)管的壓力降可近似認(rèn)為等于其沿程阻力損失和局部阻力損失之和。將蒸發(fā)段中汽液兩相流體看作均相流體，則壓力降[1]為:

(2)

式中ρc—飽和汽密度；

x—管子出口干度。

式中r—汽化潛熱

將LL，Lm及x計(jì)算式帶入到式(2)中，可得：

(3)

式中vG—飽和汽的比容;

vl—飽和液的比容。

如令：

則公式(3)可以改寫為

ΔP=AW2-BW2+CW

(4)

公式(3)中，當(dāng)q及工質(zhì)的物性參數(shù)確定后，A，B及C均為常數(shù)，因此，公式(4)所表示的工質(zhì)的質(zhì)量流量和壓力降的關(guān)系曲線，即水動力特性曲線，為一根三次曲線，如圖3所示。

圖3 汽液兩相流水動力特性曲線

圖3可見，在同一壓力降ΔP下，并聯(lián)蒸發(fā)管中可能有3種不同的流量，因此這種水動力特性表現(xiàn)為多值性。

加熱爐設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免在蒸發(fā)管中出現(xiàn)水動力不穩(wěn)定狀況，在這里需要對消除管子水動力特性曲線不穩(wěn)定的條件做進(jìn)一步討論。根據(jù)數(shù)學(xué)分析，要使公式(4)所代表的曲線成為單調(diào)上升的曲線，必須滿足下列條件：曲線不應(yīng)有極值，只允許有一個(gè)拐點(diǎn)。因此，公式(4)的一次導(dǎo)數(shù)的根為虛數(shù)或二次導(dǎo)數(shù)等于零。對公式(4)求導(dǎo)，并使其等于零，可得下列二次代數(shù)方程式：

(5)

當(dāng)B2-3AC才<0時(shí)，W值為虛數(shù)，故得無極值點(diǎn)的條件之一為B2-3AC<0。

再求二次導(dǎo)數(shù)為零時(shí)的條件，對公式(5)進(jìn)一步求導(dǎo)并使之等于零，可得：

(6)

由公式(6)可解得

(7)

將公式(7)帶入到公式(5)，則

(8)

綜合以上分析，要使公式(4)所示的曲線為單調(diào)上升曲線的條件是

(9)

將A，B及C的值帶入到公式(9)中，可得：

(10)

為保證ΔP=f(W)曲線具有一定陡度，在公式(9)中右端分母上乘以修正系數(shù)α。因此判別并聯(lián)蒸發(fā)管中水動力特性是否穩(wěn)定的準(zhǔn)則可寫成：

(11)

所以，當(dāng)管子進(jìn)口處工質(zhì)欠焓小于公式(11)的計(jì)算值，并聯(lián)水平蒸發(fā)管中的水動力特性是穩(wěn)定的。在垂直并聯(lián)蒸發(fā)管中必須計(jì)及的壓力降除了沿程阻力損失和局部阻力損失，還有重位壓力降。若對單根管而言，重位壓力降對垂直上升管起到穩(wěn)定水動力特性的問題，對U型管來說，重位壓力降會使水動力特性曲線變?yōu)槎嘀敌浴５?，對于做多次上升和下降布置的并?lián)蒸發(fā)管，由于其流動阻力壓力降在總壓力降中所占的比重大而使重位壓力降所占的比重減小，因而重位壓力降對水動力特性穩(wěn)定性的影響減少。當(dāng)上升管及下降管的總數(shù)大于10，管子水動力特性是否穩(wěn)定主要取決于管子的流動阻力特性曲線是否穩(wěn)定，亦取決于沿程阻力壓力降和局部阻力損失與流量的關(guān)系是否穩(wěn)定。如阻力特性曲線是單值的，則管子的水動力特性曲線是穩(wěn)定的，反之，是不穩(wěn)定的。此時(shí)，可用公式(11)進(jìn)行判定。對于加熱爐內(nèi)的管系，亦用公式(11)進(jìn)行水動力穩(wěn)定性的判別。

以上是從數(shù)學(xué)角度分析了進(jìn)口工質(zhì)為帶欠焓液體的蒸發(fā)管中水動力特性不穩(wěn)定的可能性。從物理上分析，發(fā)生水動力特性曲線不穩(wěn)定或多值的主要原因是隨著流量的增加，蒸發(fā)段中汽液混合物平均比容急劇變化造成蒸發(fā)段的壓力降先增大、后降低而引起的，即由于汽相和液相的比容不同引起的[2]。增加進(jìn)口壓力，減少介質(zhì)進(jìn)口欠焓及增加受熱管段的熱流密度都會穩(wěn)定兩相流的水動力特性曲線有貢獻(xiàn)。

2 計(jì)算原理及現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

采用FRNC-5PC工藝核算軟件來完成焦油加熱爐的模擬計(jì)算。將焦油在加熱爐中加熱過程分成若干管段進(jìn)行壓力平衡、熱平衡及相平衡的計(jì)算。同時(shí)對管段內(nèi)油料的流型和流速進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，確保流速不超過臨界流速，流型達(dá)到較理想的環(huán)霧流和霧狀流的流動狀態(tài)。軟件根據(jù)恩氏或?qū)嵎悬c(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合得到一條連續(xù)的曲線，可自動產(chǎn)生組成該油料的各虛擬組分做為油品的物性參數(shù)參與計(jì)算。

圖4 支管介質(zhì)溫度與加熱出口溫度的關(guān)系

從某項(xiàng)目焦油加熱爐現(xiàn)場采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以充分證明汽液兩相流水動力特性多值性的問題。加熱爐被加熱介質(zhì)為無水焦油，介質(zhì)進(jìn)入到進(jìn)口集合管中，此時(shí)為純液相，分為兩個(gè)流程進(jìn)入到爐內(nèi)進(jìn)行加熱，出口是汽液兩相的流體。在兩個(gè)出口支路上各安裝一支熱電阻，用于測量每個(gè)支路介質(zhì)的溫度。通過監(jiān)測每個(gè)支路介質(zhì)的溫度來判斷是否偏流。從現(xiàn)場采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，在初始的升溫狀態(tài)，焦油介質(zhì)在進(jìn)出口溫度和壓力下均為液相。這時(shí)，介質(zhì)的水動力特性曲線具有單值性的特點(diǎn)。支管1和支管2的介質(zhì)溫差較小，在出口加熱溫度逐漸升高的過程中，焦油在對應(yīng)的進(jìn)口溫度和壓力下為液相，經(jīng)過管內(nèi)加熱后，出口介質(zhì)變?yōu)槠簝上?，兩路支管的介質(zhì)溫差逐步加大，介質(zhì)在加熱的過程中出現(xiàn)了水動力特性不穩(wěn)定的狀況。支管1較支管2溫度低，且汽化率也低，顯然進(jìn)入到支管1中的介質(zhì)流量大于支管2，此時(shí)水動力狀態(tài)不穩(wěn)定。

表1 爐管內(nèi)介質(zhì)單相流及兩相流運(yùn)行數(shù)據(jù)比較

因此，在加熱爐運(yùn)行中，進(jìn)口介質(zhì)為單相流，出口介質(zhì)為汽液兩相流，則并聯(lián)的管路中不可避免會出現(xiàn)水動力特性不穩(wěn)定的現(xiàn)象，出口汽化率越高，不穩(wěn)定現(xiàn)象越突出，而提高介質(zhì)流量、進(jìn)口壓力或減少蒸發(fā)段長度有助于水動力特性的穩(wěn)定。在加熱爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中要考慮解決水動力特性不穩(wěn)定的現(xiàn)象。另外，在焦油加熱爐的實(shí)際運(yùn)行中，工藝參數(shù)需與原設(shè)計(jì)參數(shù)保持高度一致性，工藝條件如果偏差較大，會極大影響加熱爐的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)空氣過剩系數(shù)、換熱強(qiáng)度、燃燒器的燃燒狀態(tài)均會對加熱爐的運(yùn)行造成影響。

3 解決方法

汽相爐設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮盡量不使用多路并聯(lián)盤管，盡量使用單路盤管的形式。但是，對于負(fù)荷較大或介質(zhì)處理量較大的加熱爐，整臺加熱爐只設(shè)置一個(gè)流路不能滿足壓降、結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)性的要求，那么必須要設(shè)置多個(gè)流路。在這種情況下，就要充分考慮水動力特性不穩(wěn)定的影響。首先，集合管的設(shè)計(jì)要做到盡量沿程及局部阻力損失一致，可以做成如圖5所示。

其次，需要在每個(gè)支路進(jìn)口上安裝流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥，同時(shí)要保證在調(diào)節(jié)閥前的介質(zhì)為純液相。在每個(gè)支路的出口設(shè)置溫度測點(diǎn)。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，當(dāng)介質(zhì)流量穩(wěn)定后，可通過出口支路上的溫度測點(diǎn)的反饋值，動作進(jìn)口支路上的調(diào)節(jié)閥，使出口支路上的溫度值一致，滿足工藝的要求。

圖5 集合管流路分布圖

4 結(jié)束語

由于焦油組成復(fù)雜，缺少穩(wěn)定全面的物理特性數(shù)據(jù)，焦油加熱爐本身的設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)高于一般加熱爐；而且焦油介質(zhì)操作溫度高，易裂解；焦油在加熱爐爐管內(nèi)兩相流流動過程極可能偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)，需要對管內(nèi)流動進(jìn)行包括相平衡、熱平衡、壓力平衡、流型判別及流速限制等多方面的計(jì)算，同時(shí)需要對管內(nèi)油料的流型和流速進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，確保流速不超過臨界流速，流型達(dá)到較理想的環(huán)霧流和霧狀流流型。另外，也要關(guān)注在焦油加熱爐爐管內(nèi)流型的變化，考慮運(yùn)行過程中出現(xiàn)水動力特性不穩(wěn)定的問題。因此了解加熱爐水動力特性曲線多值性的現(xiàn)象，才能更好解決水動力不穩(wěn)定的問題，使焦油加熱爐在合適的流型內(nèi)安全運(yùn)行。

[1] 林宗虎.汽液兩相流和沸騰傳熱[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[2] 魯鐘琪.兩相流與沸騰傳熱[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

Hydrodynamic Characteristics Research of Two-phase Flow in Heater Coil

LIU Yan, SHI Jun-feng, LIANG Zhao-hui

Flow pattern and heat exchange condition should be analyzed because of coking properties of bituminous and free carbon and high vaporization. Flow mal-distribution in parallel paths is occurred during initial stage of operation of rising temperature and flow. The paper introduces cause of hydrodynamic characteristic instability, tendency and solution.

coal tar heater； two-phase flow； hydrodynamic characteristic

2015-01-12

劉 雁(1980-)，女，高級工程師，碩士研究生，主要從事工業(yè)爐設(shè)計(jì)工作。

TE963

B

1003-8884(2015)04-0027-05