凝汽器喉部低壓給水加熱器疏水虹吸管道的設(shè)計及計算

左飛 孫仁霞

摘要：本文探討的是電廠凝汽器喉部給水加熱器下游疏水管道液封的設(shè)計方法和一些重要的評估參數(shù)，通過單向流和兩相流的理論模型聯(lián)合計算，為核電和火電機組低壓加熱器疏水管線的設(shè)計提供了設(shè)計思路和計算方法。通過實踐得到了有效的驗證，確保虹吸管液封的穩(wěn)定性，減少設(shè)計錯誤。

關(guān)鍵詞：疏水管道;兩相流

概述

電廠U形疏水管線，傳統(tǒng)的設(shè)計方是法采用水壓頭-即水柱可爬升高度加上一個設(shè)計余量的設(shè)計方法，U形液封的作用是能夠自我調(diào)節(jié)疏水量并且連通兩個不同工作壓力下的設(shè)備，防止兩個設(shè)備間蒸汽的竄通。這種設(shè)計不需要額外的調(diào)節(jié)裝置且簡單易行。雙聯(lián)低壓加熱器殼側(cè)壓力較低，飽和凝結(jié)水在U管上升的過程中由于重力和阻力的作用開始蒸發(fā)并加速上升，汽水混合物的速度將逐漸增大，流型也隨之改變。由于空隙率的作用，使得蒸汽流速遠大于液體流速。因此在過程中產(chǎn)生的段塞流波狀流是誘發(fā)振動和噪音的因素，也見有設(shè)備運行過程中出現(xiàn)水錘的現(xiàn)象。通常在U管上升管道末端使用管孔的結(jié)構(gòu)來限制流速，較少液體爬升高度，防止正常運行時出可能出現(xiàn)的振動噪音和水封不足的問題。另外一方面要保證疏水管線的排水能力，同時需考察上游給水加熱器在破管發(fā)生情況下的疏水能力，保證汽輪機的運行安全。

當出現(xiàn)液封和振動問題時，傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法是完全不能用于分析問題和解決問題的，無法判斷無法管線的實際阻力。本文通過單相，兩相流壓降的計算為低加換熱器疏水U管的設(shè)計提供了一種思路和方法，通過實踐此方法得到了很好的驗證。

1 低壓給水加熱器U形虹吸管線的工作原理

低壓加熱器的 U 形液封（虹吸管）如下圖所示圖1。正常運行時，低壓給水加熱器冷凝水從換熱器底部向下流向U形管底部位置，向上的管線將冷凝液引入閃蒸罐或凝汽器熱井中。冷凝水是在壓差的驅(qū)使下，由排水管線向壓力較低的下游設(shè)備輸送冷凝水。U形管線的底部位置形成的水封有效的隔絕了蒸汽的串通。液柱（液位差）高度與摩擦阻力和孔口處的阻力之和將與設(shè)備間的壓差相等達到平衡。U形管線的設(shè)計有兩個有點，一是運行時通過水封連通了兩個不同工作壓力下的設(shè)備，二是換熱器在一定程度破管的情況下有充裕的排水能力，減少破管可能帶來的汽輪機運行風險。

2 兩相流模型介紹

實際工程應(yīng)用中，疏水管道管徑的尺寸是按照疏水流速不大于0.6m/進行選取的。如上所述，虹吸管的尺寸和深度是U管內(nèi)保持水封的重要參數(shù)。假設(shè)虹吸 U 形彎管下沉處液體密封，U 形彎管下沉彎管處沒有相變（圖2）。

兩相流開孔阻力系數(shù)計算較為復(fù)雜 ，實際計算采用Henry and Fauske（1971）[3]開發(fā)的計算模型，這里不再詳述。

3 計算程序的開發(fā)

為了得到更加精確的計算結(jié)果，需要考慮由于壓力變化引起的兩相流流體特征的變化，利用異質(zhì)模型能得到更為精確的結(jié)果。計算需要考慮三種阻力模型，一種是液彎處的單相流動摩擦阻力，第二種是爬升時的兩相流動的摩擦阻力，三是兩相流通過管孔時產(chǎn)生的壓降阻力，最終流動產(chǎn)生的阻力等于設(shè)備間的總壓差。計算過程需要假設(shè)冷凝水在U管內(nèi)的底部位置高度，依照總管線尺寸將爬升高度劃分為N步長。依據(jù)單元體質(zhì)量和能量的守恒，計算各步長產(chǎn)生的壓降，包括兩相流動的加速壓降，重力引起的液柱靜壓頭，還有摩擦阻力。最后考察總壓降是否與設(shè)備間的壓差相匹配。如果不匹配，依據(jù)總管線的長度重新定義初始的爬升點，再次代入計算。如果假設(shè)的爬升高度值使得計算的阻力與壓差相等則停止迭代，否則修正爬升高度直至計算收斂。

4 計算結(jié)果與案例分析

以某核電1&2號機組LP2疏水管線實際運行的故障為例，原始設(shè)計的U管立管爬升高度為12m，U形管線上端設(shè)有額外的冷水注入口，原來的設(shè)計是通過加大注水量來實現(xiàn)水封的。運行中發(fā)現(xiàn)U管管線無法實現(xiàn)密封功能，現(xiàn)場通過加大注水量后依然不能自密封。持續(xù)注冷水是傳統(tǒng)的設(shè)計方法，上升立管設(shè)計高度充裕。加大U形管冷水注水水量后依然不能維持U管線密封，現(xiàn)場無法解決問題。在使用工具校核計算后得出，冷水注入點偏高是導(dǎo)致冷水注入后不能實現(xiàn)U管線密封的主要原因，爬升液柱不能形成水封。通過計算上升管頂部蒸汽速度竟高達74m/s，液體流速為1.7m/s。該設(shè)備的上升管長為12m，將冷水注入點更改至U管底部后，完全實現(xiàn)了水封，運行報警消失。在完成考察后，進一步了解到溫度對水封的重要性，所以說低壓加熱器虹吸管的設(shè)計，工程師應(yīng)該綜合考慮流量，壓差和溫度的影響。

在采用上述分析方法后可以清楚的看到溫度對U形管線的密封是有影響的，計算結(jié)果顯示當水溫到達65攝氏度及以上U管將不能實現(xiàn)自密封（從低壓換熱器排出的飽和水溫約為100攝氏度）。由于冷水注水點的位置偏高，冷水在下降過程中被蒸汽加熱，導(dǎo)致雖然增加了疏水流量，但是依然不能實現(xiàn)自密封?，F(xiàn)場整改后冷水注入點改為U形管底部，冷水將直接與冷凝水混合，不參與與蒸汽的換熱，溫度較低的過冷冷凝水在上升過程中延遲了蒸發(fā)起始點。液柱的有效高度得到了大大提升。實際結(jié)果非常理想，成功的解決了大壓差U管水封的不足的問題。

另外一個應(yīng)用是針對振動和噪音分析的，通過上升管道兩相模型的計算（流摩擦阻力和空化系數(shù)的計算），可以知道氣流和水在通道內(nèi)各自的流速。通過兩相流流型實驗圖表的查找[4][5]，可以清楚的知道流體處于什么流型（塊狀流，塞狀流，還是環(huán)狀流等），從圖表上可以判斷流體在管內(nèi)的流動狀態(tài)，這對振動和噪音源的分析有較大的幫助和指導(dǎo)意義，尤其在水平管線上應(yīng)該避免末端管內(nèi)的彈狀流引發(fā)的水錘效應(yīng)。同時應(yīng)該注意在末端管孔處，開孔的位置也是需要考察的。例如判斷為分層流時，為了減少由于汽水分層帶來的影響，孔口如果開在水平管頂部位置，蒸汽將先排出，由于氣流通過管孔和液體通過管孔的速度不同，氣液交替從孔口排出時，可能會產(chǎn)生較大的噪音和振動甚至引發(fā)水錘。這時應(yīng)當評估頂部位置和底部位置的開孔數(shù)目，這樣將會大大減少由于孔口的位置布置帶來的振動和噪音問題。

參考文獻：

[1]Friedel L（1979）Improved friction pressure drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe flow. 3R Int 18（7）：485–492

[2]Chisholm D（1973）Int J Heat Mass Transfer 16（2）：347–358 ff

[3]Henry RE，F(xiàn)auske HK（1971）The two-phase critical flow of one-component mixtures in nozzles，orifices，and short tubes. J Heat Transfer 93（5）：179–187

[4]Hewitt GF，Roberts DN（1969）Studies of two-phase flow patterns by simultaneous X-ray and flash photography，AERE-M，HMSO

[5]Taitel Y，Dukler AE（1976）A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas liquid flow. AIChE J 22（1）：47–55