核電廠給水加熱器疏水調閥后管道計算選型

代恩巖+王學華

摘 要：核電廠給水加熱器疏水調閥后管道內介質一般為汽液兩相流，其管道規(guī)格選型一般采用經驗做法，缺乏詳細的定量計算。文章在從工程熱力學和流體力學角度闡述了電廠加熱器疏水調閥后介質汽液兩相流產生的機理，基于核電廠常規(guī)島加熱器疏水的典型工作流程，建立數(shù)學模型并研究確定加熱器疏水調閥后管道選型計算方法。

關鍵詞：核電廠；疏水；汽液兩相流；管道選型

中圖分類號：TK264 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0011-03

1 引 言

核電廠常規(guī)島用汽輪機抽汽加熱給水進行回熱，以提高機組效率。給水加熱器的疏水為飽和或微過冷狀態(tài)，在疏水調閥的節(jié)流作用下，極易汽化而形成汽液兩相流，介質比容變大。如果相應的管道口徑過小，則會使管道內介質流速過大，導致管系振動和金屬管道磨蝕，給電廠的穩(wěn)定運行帶來風險。而電廠系統(tǒng)設計過程中，對汽液兩相流管道的規(guī)格選型，一般簡單地選用比調閥前管道大一規(guī)格管道的經驗做法，缺乏定量計算，設計的精確度難以保證。

本文首先從工程熱力學和流體力學角度闡述了核電廠加熱器疏水調閥后汽液兩相流產生的機理，然后針對疏水調閥后介質的比容計算、管道選型等問題進行分析研究，提出了一種簡單、實用的加熱器疏水調閥后汽液兩相流介質管道計算選型方法，彌補了常規(guī)做法缺乏定量計算的缺點，可提高核電廠設計的精確度。

2 疏水管道中汽液兩相流產生的機理

2.1 核電廠加熱器疏水的典型工作過程

核電廠給水加熱器一般采用管殼式換熱器。加熱蒸汽進入換熱器的殼側，與管側的給水換熱后形成所在壓力下的飽和或微過冷的凝結水。為了回收這些凝結水，并利用其攜帶的熱量，一般采用逐級自流的方式，使高一級加熱器的疏水進入低一級加熱器，最終匯入給水循環(huán)中。加熱器一般設置正常疏水管路和危急疏水管路。

正常運行時，加熱器內的疏水通過正常疏水管路進入低一級換熱器；在事故工況下，加熱器內的疏水通過危急疏水管路直接進入凝汽器。

2.2 汽液兩相流產生的機理

絕熱節(jié)流前后介質參數(shù)變化，如圖1所示。

流體在管道中流動，遇到突然變窄的斷面（如調閥），由于存在阻力使流體壓力降低的現(xiàn)象稱為節(jié)流。節(jié)流過程中，流體來不及與外界進行換熱也沒有功量的傳遞，可理想化為絕熱節(jié)流[1]。

核電廠給水加熱器疏水管道均有很好的保溫措施，疏水通過調閥的過程可視為絕熱節(jié)流。疏水在絕熱節(jié)流的過程中，縮口處壓力Pvc低于汽化壓力Pv時，就會汽化產生氣泡。

由于加熱器的疏水為飽和或者微過冷的凝結水，P1≈Pv，流經疏水調閥時，在調閥的節(jié)流作用下，疏水壓力極易低于Pv而產生汽化，汽化產生的蒸汽與疏水混合形成汽液兩相流。若P2也小于Pv，則產生的氣泡會一直存在于水中，疏水以兩相流動形式進入下一級容器。

3 疏水調閥后管道計算選型方法

3.1 計算選型依據

核電廠給水加熱器疏水調閥管道計算選型的主要依據包括：

①基于汽液兩相流均相流模型，即將汽液兩相流體看作一種均勻混合的介質[2]；

②機組熱平衡圖；

③《核電廠常規(guī)島汽水管道設計規(guī)范》（NB/T20193-2012）。

3.2 計算選型過程及說明

給水加熱器疏水調閥后管道計算選型的過程，如圖2所示。

計算步驟說明如下：

①阻塞流判斷：判斷阻塞流產生的條件為PR

②確定管系末端壓力：對于加熱器正常疏水管道，管系末端壓力為疏水接收容器壓力，即PR=P2；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，相應壓力應由凝汽器廠家提供，在未得到廠家數(shù)據前，可參考下表選取，見表1。

③計算汽液兩相流比容：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，進而可求出兩相流的比容。

4 計算實例及分析

以某核電廠疏水調閥后管道選型為例，運用上述計算方法校核疏水調閥后管道選型。

4.1 計算輸入

依據機組熱平衡圖，確定相關計算輸入數(shù)據，見表2。

4.2 計算結果及分析

運用本文提出的管道計算選型方法，得到如下計算結果，見表3。

由表3可見，對于4號低加和6號高加危急疏水調閥后管道，設計工況下，原設計管道內介質流速分別為104.9 ms/和103.9 m/s，超過了核管規(guī)推薦的20～100 m/s的流速范圍，而通過本課題自主開發(fā)計算工具選取的管道中介質流速分別為81.8 m/s和85.8 m/s，滿足核管規(guī)推薦的流速范圍20～100 m/s。需要說明的是，核管規(guī)中的流速范圍不是強制要求，即原設計選用管道規(guī)格并不是不可行，但顯然，本文中管道選型計算方法較以往的設計方法精確度更高。而對于陽江7號高加正常疏水管道，由于接受容器的壓力較高，汽液兩相流比容較小，通過計算發(fā)現(xiàn)，選用與疏水調閥前相同公稱直徑的管道皆可滿足流速的要求。

5 結 語

核電廠給水加熱器疏水調閥后介質一般為汽液兩相流，針對單相流體的管道計算選型方法不再使用。

本文首先度闡述了核電廠加熱器疏水調閥后汽液兩相流產生的機理，然后針對核電廠給水加熱器疏水的典型過程進行了建模和分析，提出了給水加熱器疏水調閥后汽液兩相流介質管道定量計算選型方法。形成的主要結論如下：

本文提出的定量計算方法可避免經驗做法準確度不高的問題，運用該方法選取的管道，介質流速滿足規(guī)范要求。

對于正常疏水調閥后管道，介質比容變化小，選用和調閥前相同公稱直徑或大一檔的管道基本可使介質流速滿足規(guī)范要求。

對于危急疏水管道，介質比容變化大，選用比調閥前大一檔的管道往往會使介質流速超出規(guī)范推薦范圍，建議使用本提出的計算方法進行定量計算。

參考文獻：

[1] 嚴家騄.工程熱力學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 閻昌琪.氣液兩相流[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[3] DLGJ 167-2004.火力發(fā)電廠調節(jié)閥選型導則[S].

[4] EBASCO.電站二相流管道的設計.