電廠管道設(shè)計(jì)中兩相流設(shè)計(jì)及應(yīng)用探究

劉興輝

【摘要】在對(duì)火力發(fā)電廠汽液兩相流動(dòng)管道的工作中，由于加熱管疏水管道水位異常通常會(huì)造成疏水裝置水流不通暢等問題，因此為了針對(duì)疏水管道兩相流動(dòng)所引發(fā)的管道振動(dòng)問題進(jìn)行處理，就必須要對(duì)兩相流管道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而保證火力發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行的安全性與電廠運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。本文首先闡述了加熱器疏水管道的工藝流程，并結(jié)合工藝流程對(duì)管道中相變產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了分析。最后在兩相流阻力計(jì)算與分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠的實(shí)際應(yīng)用對(duì)兩相流設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】火力發(fā)電廠；管道設(shè)計(jì)；兩相流設(shè)計(jì)；應(yīng)用探究

1.加熱器疏水管道工作流程闡述

在火力發(fā)電廠的管道設(shè)計(jì)與施工中，兩相流管道的應(yīng)用范圍很廣，包括加熱器疏水管道、暖風(fēng)器疏水管道、鍋爐水冷壁以及直流鍋爐汽水分離器疏水管道等，兩相流管道在不同設(shè)備中的應(yīng)用，也使得管道問題的種類表現(xiàn)出了多樣性。就當(dāng)前我國火力發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，中大型的汽輪機(jī)組在運(yùn)行工作中，都是首先利用加熱器對(duì)自汽機(jī)本體抽取的蒸汽進(jìn)行換熱處理，然后再利用疏水逐級(jí)自流的方式對(duì)凝結(jié)水或飽和水進(jìn)行收集，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)工質(zhì)及其所攜帶熱量的充分吸收。在加熱器疏水管道的工作流程中，給水加熱器在對(duì)水進(jìn)行高壓與低壓加熱后，高壓加熱所得到的蒸汽進(jìn)入除氧器中，低壓加熱得到的蒸汽則進(jìn)入凝汽器中，最后利用調(diào)壓閥的協(xié)調(diào)工作，有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)組的管道疏水。但在火力發(fā)電廠機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組工作的開展常因兩相流管道中汽液流體的高速混合流動(dòng)等因素而導(dǎo)致機(jī)組管道發(fā)生振動(dòng)，在汽液不規(guī)則運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的長期影響下，導(dǎo)致管道的振動(dòng)日漸劇烈，最終因汽液狀態(tài)水分的流失造成機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低，不僅嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，也增大了機(jī)組與管道系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此為了切實(shí)性的提高火力發(fā)電廠機(jī)組的運(yùn)行效率，還需要對(duì)兩相流管道的安裝進(jìn)行更為科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，降低管道中兩相流現(xiàn)象對(duì)管道系統(tǒng)穩(wěn)定性的不良影響。

2.疏水管道相變產(chǎn)生機(jī)理分析

通過對(duì)火力發(fā)電廠疏水管道工作流程進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)組進(jìn)行疏水逐級(jí)自流的工作過程中，由于高壓力的凝結(jié)水與飽和水在管道流動(dòng)中阻力較大，并且管道入口處極易因壓力差而產(chǎn)生重位壓降，加之調(diào)壓閘閥與閥門的相互作用，更會(huì)降低管道中的疏水壓力，從而使管道所運(yùn)輸?shù)氖杷霈F(xiàn)過飽和現(xiàn)象，導(dǎo)致管道中汽液兩相流問題的出現(xiàn)。在對(duì)疏水管道的汽液流相變進(jìn)行機(jī)理分析時(shí)，可以將火力發(fā)電廠中機(jī)組運(yùn)行的工質(zhì)設(shè)為穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)參量，根據(jù)q=Δm+ρΔu-2·1/2+ρgΔz+ws（式中的q、u、ρ分別表示工質(zhì)吸熱量，工質(zhì)流速與工質(zhì)密度，m表示單位工質(zhì)的質(zhì)量焓值，ws與z分別代表單位工質(zhì)對(duì)外軸功以及管道中心的標(biāo)高差）這一穩(wěn)定流動(dòng)能量方程進(jìn)行推算可以得知，在火力發(fā)電廠的絕熱疏水管道熱量流動(dòng)中，當(dāng)管道熱量損失q=0，管道內(nèi)部的工質(zhì)以及汽液流動(dòng)對(duì)管道軸向做功ws也為零時(shí)，并可以將q，ws兩個(gè)零數(shù)值帶入到穩(wěn)定流動(dòng)能量方程中，則可得：0=Δm+ρΔu-2·1/2+ρgΔz，因此，根據(jù)帶入數(shù)值后的方程式進(jìn)行分析可知，在積機(jī)組管道中凝結(jié)水壓力降低作用的影響下，飽和水的焓值也會(huì)逐漸降低，而當(dāng)疏水管道中凝結(jié)水與飽和水平均焓值低于其他疏水入口時(shí)，便會(huì)部分凝結(jié)水與飽和水發(fā)生相變，進(jìn)而造成管道中汽液兩相流動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.兩相流阻力計(jì)算方法分析

為了針對(duì)性的處理火力發(fā)電廠中輸水管道的兩相流現(xiàn)象，首先要對(duì)機(jī)組管道中的兩相流阻力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算與分析，通過對(duì)兩相流水進(jìn)行積分動(dòng)力運(yùn)算，從而為管道的設(shè)計(jì)與實(shí)際安裝提供更為豐富的數(shù)據(jù)參考，在保證火力發(fā)電廠機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，最大限度的提高管道的使用耐久度與穩(wěn)定性。就我國火力發(fā)電廠管道設(shè)計(jì)的計(jì)算方法進(jìn)行分析，主要采用了ΔPF=ФλL（ρmum）2·（1+x（ρI-ρG）/ρG）/2ρL這一水循環(huán)計(jì)算法，式中的ΔPF代表兩相流壓漿，L與D則分別表示管道的長度與內(nèi)徑，x表示管道干度，λ則代表單項(xiàng)液體在管道內(nèi)流動(dòng)的阻力系數(shù)。我國火力發(fā)電廠管道設(shè)計(jì)在這一公式計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)不同質(zhì)量流率下的管道摩擦壓漿系數(shù)進(jìn)行了重新定義，當(dāng)質(zhì)量流率低于1000kg/（m2·s）時(shí)，Ф=1+（x-x2）·（（1000-ρu）/ρu）·ρI/ρL，當(dāng)質(zhì)量流率等于1000kg/（m2·s）時(shí)，Ф=0，而質(zhì)量流率高于1000kg/（m2·s）時(shí)，Ф=1+（x-x2）·（（1000-ρu）/ρu）·ρI/（ρG+（1-x）·（ρL-ρG））。而由于我國火力發(fā)電廠的鍋爐水動(dòng)力與其他國家存在較大差異，因此這一計(jì)量工質(zhì)多適用于壓力高于1MPa的工質(zhì)條件下，當(dāng)發(fā)電廠的機(jī)組工質(zhì)低于這一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)較大的計(jì)量誤差。

4.兩相流設(shè)計(jì)應(yīng)用探究

為了更為深入的探究?jī)上嗔鞴艿涝O(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)以某火力發(fā)電廠的600MW機(jī)組疏水管道的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。在這一火力發(fā)電廠中機(jī)組中，汽輪機(jī)某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N600-24.2/566/566型汽輪機(jī)，在額定運(yùn)行狀態(tài)下，加熱器6個(gè)管道的疏水參數(shù)如表1所示：

表1 N600-24.2/566/566型汽輪機(jī)疏水參數(shù)

管道編號(hào) 入口流量/（t·h-1） 入口溫度/℃ 入口壓力/MPa 出口壓力/MPa 出口管道內(nèi)徑/mm

1 115.5 260.9 6.748 4.478 236

2 257.6 220.5 4.475 3.264 354

3 326.0 193.0 2.153 1.074 397

4 46.1 120.8 0.368 0.200 205

5 90.3 102.1 0.200 0.103 200

在這一汽輪機(jī)的1、2號(hào)輸水管道設(shè)計(jì)中，主要采用了水平布置方法，將重位壓降控制在零，由于在輸水管的額定運(yùn)行狀態(tài)下已經(jīng)發(fā)生相變，因此可以對(duì)機(jī)組中動(dòng)壓所導(dǎo)致的壓降進(jìn)行忽略處理。在1、2號(hào)管道的凝結(jié)水輸送中，工質(zhì)及混合物的干度保持在2.5左右，平均密度為423kg/m3，其流動(dòng)速率大小為1.78m/s。1、2號(hào)疏水管道的中閥門的阻力系數(shù)為0.5，管道的平均粗糙程度約為0.23，因此當(dāng)工質(zhì)進(jìn)入管道后，由于閥門與管道存在摩擦阻力，因此管道中的單相液體在到達(dá)調(diào)節(jié)閥之前不會(huì)發(fā)生相變。機(jī)組中的3號(hào)高壓加熱器主要負(fù)責(zé)將疏水輸送到除氧器中，由于3號(hào)管道中調(diào)壓閥的兩相摩擦系數(shù)較大，因此為了滿足管道輸送的阻力要求，就要將調(diào)壓閥位置進(jìn)行調(diào)整，通過將其布置在除氧器附近，便可以對(duì)兩相流管道長度進(jìn)行有效的控制，兩相流管道長度的減小以及管徑的增加，都會(huì)促使管道的疏水進(jìn)出口阻力增加，進(jìn)而更加有效的避免機(jī)組管道中兩相流問題的出現(xiàn)，為火力發(fā)電廠機(jī)組設(shè)備與管道的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

5.結(jié)束語

在火力發(fā)電廠的加熱器疏水管道設(shè)計(jì)中，為了最大限度的提高疏水過程的流暢性，從而避免管道因兩相水流沖刷或撞擊而造成振動(dòng)，就要在實(shí)際設(shè)計(jì)與安裝中更多的采用汽液兩相流裝置，在保證工程施工成本的基礎(chǔ)上降低機(jī)械故障對(duì)管道疏水工作的影響，為了更為全面的防止水流不暢等問題的出現(xiàn)，還要在管道設(shè)計(jì)中選用大管徑管材，并合理的布置彎頭位置，從而最大限度的提升加熱器疏水管道的工作效能。

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