電廠安全閥排汽管道熱力計(jì)算及應(yīng)用

2011年11月 HuadianTechnology Nov．2011

張馨

(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510663)

1 開式、閉式排放系統(tǒng)的布置

在電廠中，安全閥排汽主要分為開式排放和閉式排放2種類型。開式排放是指流體通過(guò)安全閥后，排放到不與安全閥相連接的排汽管中;閉式排放是指由1根直接與安全閥相連接的排放管將排泄物排放到遠(yuǎn)處。2種排放的典型布置如圖1、圖2所示。

圖1 開式排放布置

為了使布置合理，需要對(duì)這2種布置進(jìn)行熱力計(jì)算并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行討論。

2 開式、閉式排放系統(tǒng)的熱力計(jì)算

在進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)工程的特點(diǎn)，選用合理的排放方式。在計(jì)算過(guò)程中，校核反噴和根據(jù)反力計(jì)算支吊架的載荷往往是工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。

2．1 排放過(guò)程分析

圖2 閉式排放布置

根據(jù)熱力過(guò)程，在安全閥內(nèi)部，氣體流動(dòng)可視為絕熱過(guò)程。通常安全閥進(jìn)、出口壓差較大，如進(jìn)口壓力通常大于1．0MPa，出口壓力一般為大氣壓(0．1 MPa)，故出口背壓與進(jìn)口壓力之比往往小于0．1。對(duì)于理想雙原子氣體而言，其絕熱指數(shù)k=1．400，與之相對(duì)應(yīng)的臨界壓力比gcr=0．528;對(duì)于過(guò)熱水蒸氣而言，其絕熱指數(shù)k=1．300，與之相對(duì)應(yīng)的臨界壓力比gcr=0．546;對(duì)于干飽和水蒸氣而言，其絕熱指數(shù)k=1．135，與之相對(duì)應(yīng)的臨界壓力比gcr=0．577。故流體的流動(dòng)過(guò)程可視為漸縮噴管的臨界出流過(guò)程，在安全閥面積最小處達(dá)到最大流速。

開式布置如圖1所示。蒸汽從安全閥的喉部開始經(jīng)歷了一個(gè)自由膨脹過(guò)程到達(dá)閥管的進(jìn)口(1點(diǎn))，由于通流面積突然擴(kuò)大，蒸汽的壓力和流速下降，焓值升高，從閥管進(jìn)口到閥管出口(2點(diǎn))，蒸汽流動(dòng)為可壓縮流體等截面有摩阻的絕熱流動(dòng)，通常蒸汽在2點(diǎn)又達(dá)到臨界流動(dòng)。蒸汽從閥管出口又經(jīng)歷了一個(gè)自由膨脹過(guò)程到達(dá)排放管進(jìn)口(3點(diǎn))，在排放管過(guò)程中，蒸汽經(jīng)歷了一個(gè)較低質(zhì)量流速的芬諾線到達(dá)排放管出口(4點(diǎn))。閉式布置如圖2所示。蒸汽從安全閥出口經(jīng)歷一個(gè)可壓縮流體等截面有摩阻的絕熱流動(dòng)后，即直接排向大氣，在通常情況下，蒸汽在排出口2點(diǎn)達(dá)到臨界流或者亞臨界狀態(tài)。

2．2 開式排放系統(tǒng)的計(jì)算

對(duì)于安全閥排汽的計(jì)算來(lái)說(shuō)，常用的有3種方法:按滯止壓力和滯止質(zhì)量體積計(jì)算臨界參數(shù)，汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定即采用這種方法;按滯止焓來(lái)計(jì)算臨界參數(shù)，ASMEB31．1采用此方法;按排汽過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)焓降確定終態(tài)熱力參數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為ASMEB31．1采用的方法更為可取，該方法計(jì)算步驟如下。

(1)計(jì)算安全閥后閥管出口處的設(shè)計(jì)壓力和速度

式中:A12為管道通流面積，m2;qm為質(zhì)量流量，kg/s;h0為滯止比焓值，J/kg;p2為絕對(duì)壓力，Pa;w2為流速，m/s;v2為質(zhì)量體積，m3/kg;b為蒸汽特性參數(shù)，J/kg。

蒸汽狀態(tài)參數(shù)a，b取值見(jiàn)表1。

表1 蒸汽狀態(tài)參數(shù)選用 kJ/kg

(2)計(jì)算排放管出口參數(shù)。在排放管出口，蒸汽可能存在臨界或者亞臨界狀態(tài)，需要進(jìn)行判斷。首先假定蒸汽達(dá)到臨界狀態(tài)。根據(jù)本章節(jié)第(1)條計(jì)算步驟可計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，也可按如下簡(jiǎn)便計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算

式中:p4，w4，v4分別為排放管出口的壓力、速度及質(zhì)量體積;A34為排放管的流通面積。

當(dāng)p4大于等于大氣壓力時(shí)，假定成立，當(dāng)p4小于大氣壓力時(shí)，蒸汽亞臨界出流，此時(shí)計(jì)算排放管出口參數(shù)可采用虛擬法。在工程實(shí)際中，當(dāng)發(fā)生了蒸汽的亞臨界出流時(shí)，應(yīng)通過(guò)調(diào)整布置、增大管徑等方式，避免產(chǎn)生亞臨界出流。

(3)根據(jù)排放管出口參數(shù)反算排放管進(jìn)口參數(shù)。蒸汽從排汽放管道進(jìn)口到出口經(jīng)歷的是一個(gè)等管徑絕熱有摩擦阻力的流動(dòng)過(guò)程，根據(jù)管道出口參數(shù)求解入口參數(shù)首先需要求解臨界質(zhì)量體積比βc。

對(duì)于排放管進(jìn)口，求解出臨界質(zhì)量體積比β34c后，即可順利得到其他參數(shù)，

(4)計(jì)算排放反力及校核反噴。安全閥開啟后，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)所產(chǎn)生的反作用力同時(shí)包括動(dòng)量和壓力的影響。管道各處的排放反力計(jì)算公式如下

在工程中，支吊架載荷需要考慮排放反力的影響。同時(shí)，為了保證蒸汽在疏水盤處不發(fā)生反噴現(xiàn)象，必須保證F2＞F3。

2．3 ASME算法的改進(jìn)

在ASMEB31．1中，求解臨界質(zhì)量體積比采用的是圖解法，ASMEB31．1采用的是圖解法，查圖標(biāo)計(jì)算雖然直觀且易操作，但誤差相對(duì)較大且在參數(shù)較低或者較高的情況下可能存在計(jì)算結(jié)果不在圖解范圍內(nèi)，出現(xiàn)無(wú)法求解的情況。

針對(duì)圖解法的缺點(diǎn)，推薦采用參考文獻(xiàn)［1］的求解方程法

式中:βc為介質(zhì)臨界質(zhì)量體積與始端質(zhì)量體積之比;ξt為介質(zhì)流經(jīng)該管的總阻力系數(shù)。

式中:f為管道摩擦因數(shù)，在工程中，排汽管道一般取0．013;L為管道總展開長(zhǎng)度(包括附件長(zhǎng)度)，m;∑ξ1為管道總局部阻力系數(shù)。

求解上述方程方法較多，可從計(jì)算機(jī)編程中得出解，也可使用專業(yè)的數(shù)學(xué)軟件直接求解，在工程中，較為方便的是采用參考文獻(xiàn)［2］的近似計(jì)算法，將原非線性方程簡(jiǎn)化為一元方程

式中:C0，C1，C2為系數(shù)，其選擇見(jiàn)表 2。

表2 計(jì)算臨界質(zhì)量體積比βc的系數(shù)選用

2．4 閉式排放系統(tǒng)的計(jì)算

閉式排放系統(tǒng)取消了疏水盤，因此，無(wú)需驗(yàn)算反噴。其計(jì)算步驟比開式系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，首先根據(jù)本文2．2章節(jié)所列公式計(jì)算排放管出口參數(shù)，當(dāng)計(jì)算出的排汽壓力大于等于大氣壓力時(shí)，蒸汽為臨界出流。反之為亞臨界出流，需通過(guò)調(diào)整布置，增大管徑等方式，避免產(chǎn)生亞臨界出流。

在閉式系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)下管道系統(tǒng)的作用力是自平衡的，不會(huì)在管道上產(chǎn)生較大的彎矩。較大的穩(wěn)態(tài)作用力只作用在排放部位處，此力的大小與開式系統(tǒng)排放反力的計(jì)算方法相同。

3 開式、閉式排放系統(tǒng)的應(yīng)用范圍及防反噴分析

3．1 開式、閉式排放系統(tǒng)的應(yīng)用范圍

開式排放系統(tǒng)由于存在閥管和排放管之間的間隙，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可以吸收較大的水平或者垂直向位移，在參數(shù)較高時(shí)，選用該布置可有效降低熱位移較大時(shí)對(duì)布置的影響。排放管的選擇需要考慮防止反噴，因此，應(yīng)盡量減少排放管道阻力，常見(jiàn)的布置為不帶彎頭的直段。開式系統(tǒng)在工程中常見(jiàn)于主蒸汽管道、冷段再熱蒸汽管道、熱段再熱蒸汽管道、過(guò)熱器蒸汽聯(lián)箱、再熱器蒸汽聯(lián)箱、汽包等高參數(shù)安全閥排汽管道。

閉式排放系統(tǒng)安全閥后管道為一整體，無(wú)需考慮蒸汽的反噴，在閥后可布置較長(zhǎng)的管道，在主廠房空間受限時(shí)常采用該布置，但需注意應(yīng)盡量讓蒸汽在排放出口處達(dá)到臨界流速。開式系統(tǒng)在工程中常見(jiàn)于高、低壓加熱器，輔汽聯(lián)箱，除氧器等低參數(shù)安全閥排汽管道。

在開式、閉式排放系統(tǒng)的布置中進(jìn)行支吊架設(shè)計(jì)時(shí)，均需要考慮排汽反力對(duì)支吊架荷載的影響。

3．2 開式系統(tǒng)防反噴分析

防止氣體產(chǎn)生反噴是開式安全閥布置需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，當(dāng)某一布置發(fā)生了反噴時(shí)。根據(jù)防反噴條件F2＞F3，應(yīng)盡量增大F2，減小F3。

(1)增大F2的措施。根據(jù)F2的計(jì)算公式可推導(dǎo)出

對(duì)于安全閥管道而言，流量qV、大氣壓力pat、初參數(shù)h0和T0為固定的數(shù)值，也為定值。因此，增大F2只能減小A12。

(2)減小F3的措施。根據(jù)F3的計(jì)算公式可推導(dǎo)出

當(dāng)增大管徑時(shí)，排空管阻力變小且不斷減小，雖然反噴可能不再發(fā)生，但需注意的是p4也隨之減小，過(guò)度增大管徑有可能使得出口流速變?yōu)閬喤R界流動(dòng)。減小F3的另一方法為減少排汽管長(zhǎng)度，此時(shí)阻力變小，p4維持不變。

綜上所述，對(duì)出現(xiàn)反噴的布置，可采用以下措施避免反噴:

(1)減小閥管管徑。

(2)排汽管采用大管徑，但有可能使排汽出口變?yōu)閬喤R界流動(dòng)。

(3)減小排汽管長(zhǎng)度，當(dāng)排汽管長(zhǎng)度為0時(shí)，即為閉式系統(tǒng)。

4 結(jié)論

安全閥的布置分為開式和閉式布置，在電廠中，開式布置常用于高參數(shù)管道，閉式布置常用于參數(shù)較低且空間受限時(shí)的管道布置。2種布置的計(jì)算方法原理一致，但開式布置的計(jì)算步驟較多。在實(shí)際工程中，推薦使用ASME B31．1按滯止焓確定終態(tài)熱力參數(shù)，在求解臨界質(zhì)量體積比時(shí)，采用求解方程法。

使用開式布置時(shí)，校驗(yàn)蒸汽的反噴是很重要的計(jì)算內(nèi)容，為了避免反噴，可從降低閥管管徑、增大排汽管管徑以及減小排汽管長(zhǎng)度等方面進(jìn)行考慮。

［1］DL/T 5054—1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］．

［2］張建中．帶有Y形、T形出口及配消音器的鍋爐排汽管道設(shè)計(jì)計(jì)算方法的研究［R］．西安:西北電力設(shè)計(jì)院，1989．

［3］李晉鵬，胡念蘇．火電廠安全閥排汽管道參數(shù)計(jì)算方法的討論［J］．熱力發(fā)電，2003(1):22－26．

［4］ASME B31．1—2007，Power Piping［S］．