摘 要：根據(jù)蒸汽發(fā)生器和汽包之間自然循環(huán)原理，以不同的設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)自然循環(huán)回路的汽包安裝高度進(jìn)行了數(shù)據(jù)比較，探討最佳安裝高度。

關(guān)鍵詞：汽包;蒸汽發(fā)生器;自然循環(huán);管道壓力降;汽液兩相流

一煤化工項(xiàng)目中，懸浮床加氫裝置中的減壓塔底油蒸汽發(fā)生器和汽包之間的給水采用自然循環(huán)，不采用強(qiáng)制循環(huán)，節(jié)省設(shè)備費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益良好;但蒸汽發(fā)生器和汽包之間的安裝高度，對(duì)自然循環(huán)的順利實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文從自然循環(huán)的原理和同一案例的不同方案對(duì)汽包的安裝高度進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

1 自然循環(huán)原理和計(jì)算說(shuō)明

蒸汽發(fā)生器與汽包之間的自然循環(huán)利用下降管中的水和上升管中汽水混合物的密度差產(chǎn)生推動(dòng)力，使工質(zhì)在密閉系統(tǒng)中產(chǎn)生循環(huán)流動(dòng)。具體來(lái)說(shuō)，給水通過(guò)下降管到達(dá)蒸汽換熱器的殼程，與管程的油進(jìn)行熱量交換后，部分水變成蒸汽，工質(zhì)變成汽液兩相，其密度相對(duì)給水變小很多，汽液兩相流通過(guò)上升管進(jìn)入汽包，經(jīng)過(guò)汽包的汽水分離裝置分離出飽和蒸汽，給水再進(jìn)行循環(huán)。利用下降管給水和上升管汽液兩相流的重度差產(chǎn)生推動(dòng)力，克服下降管、蒸汽換熱器殼程和上升管的壓力降，來(lái)實(shí)現(xiàn)回路的自然循環(huán)。計(jì)算系統(tǒng)回路的推動(dòng)力和壓力降是計(jì)算自然循環(huán)的要點(diǎn)。上升管和下降管的壓力降計(jì)算主要根據(jù)HG/T20570.7-95《管道壓力降計(jì)算》，同時(shí)參考《鍋爐機(jī)組水力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法》進(jìn)行計(jì)算。本文中的大部分符號(hào)的含義同HG/T20570.7-95《管道壓力降計(jì)算》。

2 計(jì)算實(shí)例條件說(shuō)明

2.1 已知條件

布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。上升管中氣相數(shù)據(jù)，氣相為飽和蒸汽，蒸汽流量GG=1347kg/h，蒸汽密度ρG=4.16kg/m3，飽和蒸汽動(dòng)力粘度μG=1.44×10-4Pa.s;上升管中液相數(shù)據(jù)，氣相為飽和水，水流量GL=25593 kg/h，水密度ρL=897kg/m3，飽和水動(dòng)力粘度μG=1.56×10-3Pa.s;換熱器進(jìn)水口和兩相流出口垂直距離為H1=6m，下降管摩擦系數(shù)λ2=0.021;摩擦阻力損失系數(shù)ξ，對(duì)上升管和下降管摩擦壓力降計(jì)算時(shí)ξ取1.15，即增加15%的安全裕量。

2.2 假設(shè)條件

假設(shè)上升管垂直段長(zhǎng)度L1m，下降管垂直長(zhǎng)L2m，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置初步方案，上升管總當(dāng)量長(zhǎng)度（含直管總長(zhǎng)度和管件當(dāng)量長(zhǎng)度）取Le1=L1+10m，下降管總當(dāng)量長(zhǎng)度（含直管總長(zhǎng)度和管件當(dāng)量長(zhǎng)度）取Le2=L2+10m。

假設(shè)三種初步方案，分別計(jì)算安裝高度，供選擇最優(yōu)方案或找出改進(jìn)方向。方案1、方案2和方案3，上升管和下降管通徑取相同，分別為DN100、DN125和DN150。

3 初步方案計(jì)算過(guò)程說(shuō)明

3.1 總壓力降

總壓力降公式：ΔPL=ΔPf下降管+ΔPf上升管+ΔP蒸汽發(fā)生器，其中ΔPL為總壓力降，ΔPf下降管為下降管壓力降，ΔPf上升管為上升管壓力降，ΔPf蒸汽發(fā)生器為蒸汽發(fā)生器壓力降，下面按分項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。

3.2 下降管壓力降計(jì)算

下降管壓力降包括下降管摩擦壓力降和速度壓力降，因下降管沿長(zhǎng)度方向的通徑相同，水沿下降管的密度變化非常小，速度壓力降可以忽略不計(jì)，主要計(jì)算摩擦壓力降。

下降管摩擦壓力降按范寧（Fanning）方程式（具體公式可查閱資料[1]，下同）計(jì)算，適用于單相不可壓縮流體，層流和湍流均可用。根據(jù)下降管中水的流動(dòng)情況，一般情況下雷諾數(shù)Re≥4000，對(duì)應(yīng)的流動(dòng)型態(tài)為湍流。

3.3 上升管壓力降計(jì)算說(shuō)明

上升管壓力降包括上升管摩擦壓力降、速度壓力降和上升管靜壓降;因上升管沿長(zhǎng)度方向的通徑相同，汽液兩相混合物沿上升管的密度變化小，速度壓力降可以忽略不計(jì)，主要計(jì)算摩擦壓力降和靜壓降。

上升管的靜壓降與上升管的垂直高度和上升管內(nèi)兩相流的密度有關(guān)，本文不再進(jìn)一步說(shuō)明。

3.4 上升管摩擦壓力降計(jì)算

上升管沿長(zhǎng)度通徑不變，且上升管不受熱，壓力變化很小，認(rèn)為管內(nèi)不存在閃蒸現(xiàn)象，氣--液相體積分率補(bǔ)發(fā)生變化，摩擦壓力降按氣--液兩相流（非閃蒸型）進(jìn)行計(jì)算。HG/T20570.7-95《管道壓力降計(jì)算》中對(duì)氣-液兩相流（非閃蒸型）的摩擦壓力降計(jì)算有兩種方法，即均相法和杜克勒（Dukler）法，通常情況下均相法計(jì)算的壓降值較小，且該法假定汽液兩相以相同的速度流動(dòng)，對(duì)分散流適用，而對(duì)環(huán)狀流不適用;杜克勒法對(duì)環(huán)狀流和分散流均適用，本文用此方法計(jì)算壓降。在氣--液兩相流（非閃蒸型）的摩擦壓力降計(jì)算中，要求兩相流的流型為分散流或環(huán)狀流;若根據(jù)方案選用的上升管通徑，計(jì)算流型為柱狀流和活塞流時(shí)，應(yīng)縮小上升管的通徑，增加流速，使流型變?yōu)榉稚⒘骰颦h(huán)狀流，因?yàn)橹鶢盍骱突钊鲿?huì)引起汽包、上升管、蒸汽發(fā)生器等振動(dòng)，運(yùn)行安全性差，有發(fā)生安全事故的可能。因此，計(jì)算上升管摩擦壓力降時(shí)，首先進(jìn)行流型判斷，對(duì)水平管內(nèi)流型和垂直管內(nèi)流型分別進(jìn)行判斷，都應(yīng)為環(huán)狀流或分散流，然后用杜克勒法計(jì)算，通過(guò)試差法求出液相的實(shí)際體積分率KL，最后算出摩擦壓力降。

3.5 蒸汽發(fā)生器壓力降計(jì)算

汽包下降管來(lái)的給水進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的殼程，被管程內(nèi)的油加熱，變成汽水混合物，殼程的壓力降一般由工藝專業(yè)給出;因工藝專業(yè)給出的壓力降是理論值，考慮蒸汽發(fā)生器殼程蒸汽蒸發(fā)過(guò)程復(fù)雜和以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)蒸汽發(fā)生器殼程ξ取1.3，即增加30%的安全裕量。

3.6 自然循環(huán)推動(dòng)力

蒸汽發(fā)生器與汽包之間的自然循環(huán)的推動(dòng)力是下降管和上升管之間的流體重度差，公式為：PT=H*g*（ρL-ρCS）*φ（MPa），其中H為上升管的垂直方向高度，m;ρL為水的密度，kg/m3;ρCS為汽水兩相流平均密度，kg/m3;φ為截面含汽率。當(dāng)滿足自然循環(huán)推動(dòng)力大于等于總壓力降時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)蒸汽發(fā)生器和汽包之間的自然循環(huán)。

根據(jù)自然循環(huán)推動(dòng)力大于等于總壓力降不等式，即可求出汽包的最小安裝高度。

4 初步方案計(jì)算數(shù)據(jù)及優(yōu)化

4.1 初步方案計(jì)算數(shù)據(jù)

方案1，上升管和下降管通徑為DN100，最小安裝高度計(jì)算值：6.2m;方案2，上升管和下降管通徑為DN125，最小安裝高度計(jì)算值：2.6m;方案3，上升管和下降管通徑為DN150，流型判斷時(shí)，上升管的水平段流型為氣泡流或泡沫流，垂直段為柱狀流，均不是環(huán)狀流和分散流，所以上升管通徑為DN150不合適。從數(shù)據(jù)看出，方案2的安裝高度最合理，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，考慮安全裕量0.5m，實(shí)際安裝高度即為3.1m。

4.2 方案優(yōu)化

方案2，上升管和下降管通徑為DN125，安裝高度計(jì)算值可定為3.1m，該方案可進(jìn)一步優(yōu)化，可將下降管通徑加大到DN150，進(jìn)一步減小下降管水流速，降低摩擦壓力降，最小安裝高度計(jì)算值為2.4m，考慮0.5m裕量后，安裝高度為2.9m。方案優(yōu)化后可若不降低安裝高度，即安裝高度定為3.1m，會(huì)略微增加系統(tǒng)自然循環(huán)的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

蒸汽發(fā)生器與汽包之間給水自然循環(huán)的設(shè)計(jì)計(jì)算涉及到傳熱傳質(zhì)、汽液兩相流流型、摩擦計(jì)算和換熱等多個(gè)問(wèn)題，準(zhǔn)備多個(gè)方案計(jì)算，選出對(duì)自然循環(huán)最具穩(wěn)定性的方案，以上論述至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]林宗虎，徐通模.實(shí)用鍋爐手冊(cè)第2版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.547-550.

作者簡(jiǎn)介：

武成國(guó)（1978- ），男，漢族，山東陽(yáng)谷人，本科學(xué)歷，青島凱能環(huán)?？萍脊煞萦邢薰局屑?jí)技術(shù)員，研究方向：鍋爐輔機(jī)和汽輪機(jī)輔機(jī)。