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        加熱器疏水調閥后管道的研究與應用

        2019-10-16 00:41:22深圳中廣核工程設計有限公司深圳518000
        熱力透平 2019年3期
        關鍵詞:汽液汽化節(jié)流

        鄒 迪(深圳中廣核工程設計有限公司, 深圳 518000)

        高、低壓加熱器利用汽輪機中已做過功的蒸汽來逐級加熱給水,以提高機組的循環(huán)熱效率,是發(fā)電機組給水加熱系統(tǒng)中不可缺少的重要組成部分。發(fā)電廠中主要工作介質為水和蒸汽,一般水或蒸汽在管道中處于單相流動狀態(tài),但也會存在汽液兩相流動的情況,加熱器疏水調閥后管道中的介質流動狀態(tài)就是發(fā)電廠中汽液兩相流動的一個典型代表。

        兩相流動管道與單相流動管道具有不同的流動特性,存在流動阻力大,管道容易振動的問題,是發(fā)電廠管道設計的一個難點。本文通過研究分析加熱器疏水調閥后汽液兩相流的產(chǎn)生機理,針對其帶來的危害,提出了相應的改進措施。

        由于目前《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》(DL/T 5054-2016)和《核電廠常規(guī)島汽水管道設計技術規(guī)范》(NB/T 20193-2012)中給出的汽液兩相流管道通流能力的計算方法實施難度較大,在電廠實際設計過程中,加熱器疏水調閥后管道一般不進行定量計算,而是按照經(jīng)驗,簡單地選用比調閥前管道大一規(guī)格的管道,因此設計精確度難以保證,無法有效降低管道中介質汽化帶來的危害。本文結合工程實際,給出一種簡單、實用的選型計算方法,能提高設計精確度和工作效率,為后續(xù)項目設計工作提供參考。

        1 疏水管道汽液兩相流產(chǎn)生的機理

        流體在管道中流動,遇到突然變窄的斷面,因阻力而使流體壓力降低的現(xiàn)象稱為節(jié)流。流體節(jié)流過程如圖1所示,取流體節(jié)流前、后穩(wěn)定斷面1-1,2-2為界面構成控制體,穩(wěn)態(tài)流動的流體快速流過狹窄斷面(節(jié)流裝置,如調節(jié)閥、孔板等),由于來不及與外界換熱,也沒有功的傳遞,可將其理想化為絕熱節(jié)流[1]。

        圖1 流體節(jié)流過程示意圖

        絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化如圖2所示,流體節(jié)流前的壓力為p1,速度為c1,焓值為h1。流體流經(jīng)節(jié)流裝置(后續(xù)均以調閥為例)時,速度變大,動能增加,壓力下降,并產(chǎn)生強烈擾動和摩擦。流體在縮口處壓力達到最小值pvc。隨后因流通面積增加,流速逐漸減慢至c2。在這個過程中,流體的壓力逐漸降低,之后壓力恢復至p2,部分靜壓能逐漸轉變?yōu)樗俣葎幽?,而后又有部分速度動能轉變?yōu)殪o壓能。節(jié)流前后流體的焓值不變,即h1=h2。但由于擾動和摩擦的不可逆性,節(jié)流后的壓力不能恢復到節(jié)流前,必然存在p2

        圖2 絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化示意圖

        忽略1-1、2-2斷面的高差變化,結合能量守恒定律,利用如下的伯努利方程,也可理解此過程中流體參數(shù)的變化和能量的轉化。

        (1)

        式中:p為壓力,MPa;ρ為密度,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;ΔH為阻力損失,m。

        水在節(jié)流的過程中,pvc低于汽化壓力pv時,會發(fā)生汽化,產(chǎn)生氣泡。由于加熱器的疏水為飽和或者微過冷的凝結水,p1≈p2,其流經(jīng)疏水調閥時,在調閥的節(jié)流作用下,其壓力極易低于pv而產(chǎn)生汽化,汽化產(chǎn)生的蒸汽與疏水混合,形成汽液兩相流。

        2 汽液兩相流的危害及應對措施

        2.1 汽液兩相流的存在形式

        當p2

        當p2>pv時,產(chǎn)生的氣泡經(jīng)縮口后突然爆破,即調閥后介質以汽蝕形式存在。

        2.2 汽液兩相流的危害

        由于汽化,調閥后的疏水中有質量體積更大的蒸汽存在,因此兩相流的流速加快會產(chǎn)生強烈的擾動和摩擦,導致管系振動和金屬壁面的磨蝕,給電廠的安全穩(wěn)定運行帶來了隱患。

        若發(fā)生氣蝕,則隨氣泡爆破釋放出的能量極大,不僅產(chǎn)生噪音,而且在金屬表面引起的局部應力值可達689 MPa[2]或更高,使金屬表面呈現(xiàn)坑洼的斑點。

        2.3 汽液兩相流的應對措施

        雖然汽蝕破壞力大,但可采取措施從源頭予以抑制,如提高入口壓力等。而汽化則是某些系統(tǒng)中無法避免的,如加熱器疏水管道,下游壓力總是要低于疏水溫度下的汽化壓力,其工作流程決定汽液兩相流必然存在,我們可通過采取如下措施降低或解決其帶來的不利影響。

        2.3.1 材料的選擇

        因碳鋼對汽化的磨蝕較敏感,在可能存在汽化的管道系統(tǒng)中,應采用合金鋼和不銹鋼。為降低工程造價,通常加熱器疏水管調閥前用碳鋼。對于調閥后的管材,美國EBASCO公司采用ASTM A335P11,含鉻1.25%,含鉬0.5%,鉻鉬含量越高,抗磨性能越好,CPR1000堆型核電廠則采用ASTM A335P22。

        2.3.2 降低疏水溫度

        加熱器中的冷凝水溫度為加熱器壓力對應的飽和溫度,冷凝水位于加熱器疏水冷卻段內,由進入加熱器內的給水進行冷卻。美國熱交換器協(xié)會(HEI)規(guī)定,離開加熱器的疏水溫度和進入加熱器的給水溫度差不宜小于10℃,較低的疏水溫度有利于抑制汽化現(xiàn)象的產(chǎn)生。

        2.3.3 合理布置疏水調閥

        首先,調閥應靠近疏水接收容器布置,即盡量縮短調閥后管道的長度,減少受影響的管段,同時擴大容器空間,這有利于流體擴容,產(chǎn)生的兩相流對容器的影響也會較小。

        其次,確保疏水調閥前有足夠的靜壓頭和較小的管道壓降,以保證在各種工況下調閥前的管道中任何一點始終處于液態(tài)流動狀態(tài),無汽化現(xiàn)象產(chǎn)生,即:

        p1-pv+Δh>0

        式中:p1為上一級加熱器壓力,MPa;pv為上一級加熱器疏水汽化壓力,MPa;Δh為加熱器疏水液面與調節(jié)閥入口高位差,m。

        再次,當調閥進入下一級加熱器的管道不可避免地出現(xiàn)彎頭時,應用三通代替彎頭,流向為直通端進,側通端出,且在三通的直通端加不銹鋼靶板。因制作特點,彎頭存在局部減薄現(xiàn)象,導致其承載能力小于三通。根據(jù)汽液兩相流特點,彎頭極易被流體介質沖刷磨損,最終導致破裂。

        最后,合理選擇疏水管道規(guī)格,使管道中汽液兩相流的流速處于合理范圍內,這樣可有效降低因兩相流的流速加快引起的強烈擾動和摩擦,進一步減輕管系振動和金屬壁面的磨蝕。

        3 管道選型計算方法

        發(fā)電廠設計參考規(guī)范《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》(DL/T 5054-2016)和《核電廠常規(guī)島汽水管道設計技術規(guī)范》(NB/T 20193-2012)中給出了汽液兩相流管道通流能力的計算方法,該方法大量地使用積分計算,運用難度大,耗時長,難于推廣。為保證設計精確度,合理選擇管徑,從而有效降低管道中介質汽化帶來的危害,下文將給出一種簡單、實用的選型計算方法。

        3.1 假定條件

        假設加熱器疏水管道已經(jīng)進行了保溫,管道內介質與外界沒有熱量交換。將汽液兩相流視為均相流,即將其看作一種均勻混合的介質。

        3.2 數(shù)學模型

        絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化如圖3所示,逐級自流式疏水方式中,高一級加熱器(加熱器1)產(chǎn)生的凝結水通過疏水管道流至低一級加熱器(加熱器2),疏水管道上通常設置有疏水調節(jié)閥及其上下游的閘閥。

        圖3 絕熱節(jié)流前后參數(shù)變化示意圖

        3.3 計算過程

        3.3.1 阻塞流判斷

        介質在管道中流動的過程中,在固定入口條件下,當閥前壓力p1保持一定,逐漸降低閥后壓力p2時,流經(jīng)調節(jié)閥的流量會增加到一個最大極限值,若使p2繼續(xù)下降,則流量不再增加,此時流動狀態(tài)即為阻塞流[3]。其判定條件為:設pM為產(chǎn)生阻塞流的臨界壓力,若pR

        pM=FFpV

        (2)

        (3)

        式中:pM為產(chǎn)生阻塞流的臨界壓力,MPa;pV為對應某溫度點的液體汽化壓力,MPa;FF為臨界壓力比因數(shù);pC為液體臨界壓力,MPa,對于水為22.115 MPa。

        產(chǎn)生阻塞流后,管道的通流能力取決于入口壓力,p1一定時,流量一定。此時,應確定對應的管道最大質量流速GM及最小的管道內徑dmin,以防止疏水不暢的情況發(fā)生。

        根據(jù)美國EBASCO公司的資料,擬合出疏水焓值與質量流速的公式,可以方便快速地確定GM[2]。

        319.652 573 697 076×hf1-

        42 428.698 976 645 5

        (4)

        (5)

        式(4)至式(5)中:GM為質量流速,kg/(s·m2);hf1為t1對應的飽和水焓值,kJ/kg;dmin為阻塞流時最小管徑,mm;G為疏水流量,kg/s。

        3.3.2 管系末端壓力確定

        管系末端壓力為疏水接收容器壓力,即p2=pR。

        對于加熱器危急疏水管道,管系末端一般設置多孔管或孔板等阻尼裝置,而在管道選型時這些阻尼裝置的詳細資料往往難以獲得,為此,本文收集到了來自美國EBASCO公司的相關資料,其中規(guī)定,高壓加熱器疏水管系末端壓力為0.276~0.689 MPa[2],中低壓加熱器為0.01~0.276 MPa[2]。也可參照下表中的數(shù)據(jù)選取危急疏水管系末端壓力。

        表1 加熱器危急疏水管系末端壓力

        3.3.3 蒸汽干度計算[4]

        由于絕熱節(jié)流前后焓值不變,而汽液兩相流的總焓值為其中疏水焓值與蒸汽焓值之和,由此求得汽液兩相流中蒸汽的干度。

        hf1=(1-x)hf2+xhg2

        (6)

        由式(6)得:

        (7)

        式中:x為蒸汽干度;hf1為t1對應的飽和水焓值,kJ/kg;hf2為p2對應的飽和水焓值,kJ/kg;hg2為p2對應的飽和水和飽和蒸汽的焓值差,kJ/kg。

        3.3.4 兩相流質量體積計算[4]

        v=vl+xvg

        (8)

        式中:v為兩相流質量體積,m3/kg;vl為疏水流質量體積,m3/kg;vg為蒸汽流質量體積,m3/kg。

        3.3.5 管道內徑計算[4]

        (9)

        式中:Di為疏水管道最小內徑,mm;G為疏水流量,kg/s;v為汽液兩相流質量體積,m3/kg;w為流速,m/s,選用核管規(guī)推薦流速范圍20~100 m/s。

        3.3.6 管道規(guī)格確定

        調閥后管道宜選用合金鋼。依據(jù)3.3.5的計算結果,在標準管道規(guī)格庫中選取合適管道規(guī)格D0×S0。

        3.3.7 管道壁厚計算

        管道壁厚的計算與單相流體管道壁厚計算相同,參考《核電廠常規(guī)島汽水管道設計技術規(guī)范》6.5節(jié)、《火力發(fā)電廠汽水管道設計規(guī)范》5.2節(jié)進行計算,取得計算壁厚Sc。

        3.3.8 管道規(guī)格選取驗證

        將3.3.7計算出的壁厚Sc與3.3.6中選取的管道規(guī)格壁厚S0進行對比,使Scdmin。

        基于上述加熱器疏水管道選型方法,對疏水調閥后管道選型的計算步驟進行了總結,如圖4所示。

        圖4 管道選型計算流程

        4 管道選型方法的實際應用

        以某核電廠為例,對6號高加正常疏水、危急疏水調閥后管道進行選型計算,闡述上述選型方法在實際工程設計中的應用。計算輸入數(shù)據(jù)如表2所示。

        阻塞流判斷計算數(shù)據(jù)描述如表3所示。

        表3 阻塞流判斷

        兩相流質量體積計算如表4所示。

        表4 兩相流質量體積計算

        管道規(guī)格初選情況如表5所示。

        表5 管道規(guī)格初選情況

        管道規(guī)格驗證情況如表6所示。

        表6 管道規(guī)格驗證情況

        由上述計算得出的管道選型計算結果如表7所示。

        表7 管道選型計算結果

        5 結 論

        電力工程中由于汽液兩相流動導致管道劇烈振動、管材磨損嚴重的現(xiàn)象時有發(fā)生,本文以加熱器疏水調閥后汽液兩相流動典型代表為例,對汽液兩相流的產(chǎn)生機理、危害及其應對策略進行研究分析,并以工程熱力學、流體力學及汽液兩相流的均相流模型為主要理論基礎,結合核電工程實際,得出一種簡單、實用的加熱器疏水調閥后管道計算選型方法,填補了設計工作中的“模糊地帶”,提高了管道選型計算結果的精確度,為后續(xù)項目設計工作提供了參考。

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