加熱爐爐管中兩相流水動力特性分析研究

劉 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

加熱爐爐管中兩相流水動力特性分析研究

劉 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天動力研究所， 北京 100000)

由于焦油中的瀝青質及游離碳有結焦的風險，同時要求較高的出口汽化率，焦油汽化加熱爐設計對管內流型和加熱爐內換熱狀況有極嚴格的要求。在調試初期升溫及升流量的過程中遇到了并聯支路偏流的狀況，針對這種狀況，本文對并聯受熱管中水動力特性不穩定的成因、趨勢及解決方法進行了探討。

焦油加熱爐； 汽液兩相流； 水動力特性

0 前言

煤炭是世界儲量最多分布最廣的化石能源，大力發展以煤為主的潔凈煤技術，將是我國今后能源可持續發展的重要工作。同時，我國又是一個鋼鐵大國，鋼鐵行業的發展拉動了焦炭行業的發展。與煤相關的潔凈能源技術符合國家的節能減排、保護環境的政策，應用前景廣泛。“煤焦油深加工”是指對煤焦油進行的深度加工工藝，生產出更多的下游產品，如輕油、酚、萘、洗油、蒽、瀝青等，在此生產過程中要用到焦油加熱爐。

焦油加熱爐被加熱介質為無水焦油，介質進入加熱爐時為液相，被加熱后為汽液兩相。加熱爐設計中，換熱盤管以多路并聯爐管居多，不可避免會出現偏流現象，造成出口各支管的介質溫度和汽化率出現偏差的情況。某項目焦油加熱爐在運行調試初期出現了這種情況。經過理論分析及探討，發現并聯管路中兩相流水動力特性不穩定的特性決定了支管偏流的狀況。現場通過調整相關工藝條件、熱力參數來改善換熱狀況，并進一步提出了改進措施，有效地減小偏流狀況。

1 水動力特性理論分析

假定在恒定熱流密度條件下，爐管中強制流動的介質的質量流量與介質壓降之間的關系形成受熱管的水動力特性。在受熱并聯蒸發管中，當設計不良時，會發生水動力不穩定和脈動現象。當發生水動力不穩定時，各并聯蒸發管中，雖然各管兩端壓力差相同但各管中的流量卻不相同，并且各管中的流量可以時大時小，做非周期的變化。此時各出口的工質的狀況也是不均衡的，有的輸出過熱蒸汽，有的輸出汽液混合物，有的可能是液體。

并聯蒸發管是加熱爐布置型式中最基本的型式。首先討論水平并聯蒸發管的水動力特性。

當單相流體流過管子時，其流動壓力降主要由兩部分組成，即沿程摩擦阻力降和局部阻力降。可表示為：

(1)

式中 ∑ξ—各項局部阻力系數之和；

λ—沿程阻力系數；

ρ1—液體密度,kg/m3；

w—液體質量流量,kg/s；

l—管子長度,m；D—管子直徑,m；

A—管子流通截面面積,m2。

在公式(1)中，除在上式中，除ΔP和w外，其余各值均為常數。根據公式(1)可得圖1所示的ΔP=f(W)曲線。這是一根單調上升的二次曲線，相應于一個壓力降只有一個對應的質量流量。并且經過零點，流量為零時，壓力降也為零。

圖1 ΔP=f(W)曲線(單相流)

但是，在一根進口工質具有欠熱的未飽和液體，在管中經吸熱后逐漸蒸發而在出口處工質已經成為汽液混合物的管子中，其水動力特性曲線會變成一根三次曲線，汽液兩相流的水動力特性完全不同于單相流，且較為復雜。

圖2所示為一進口工質為未飽和液體，出口工質為汽液混合物的水平蒸發管的示意圖。

圖2 汽液混合物水平蒸發管示意圖

管內工質做強制流動，沿管子長度工質均勻受熱，管子長度為l，熱液段長度為L1，蒸發段長度Lm，工質質量流量為w。進口工質的參數以角碼1表示，出口工質參數以角碼2表示。蒸發管的壓力降可近似認為等于其沿程阻力損失和局部阻力損失之和。將蒸發段中汽液兩相流體看作均相流體，則壓力降[1]為:

(2)

式中ρc—飽和汽密度；

x—管子出口干度。

式中r—汽化潛熱

將LL，Lm及x計算式帶入到式(2)中，可得：

(3)

式中vG—飽和汽的比容;

vl—飽和液的比容。

如令：

則公式(3)可以改寫為

ΔP=AW2-BW2+CW

(4)

公式(3)中，當q及工質的物性參數確定后，A，B及C均為常數，因此，公式(4)所表示的工質的質量流量和壓力降的關系曲線，即水動力特性曲線，為一根三次曲線，如圖3所示。

圖3 汽液兩相流水動力特性曲線

圖3可見，在同一壓力降ΔP下，并聯蒸發管中可能有3種不同的流量，因此這種水動力特性表現為多值性。

加熱爐設計時盡量避免在蒸發管中出現水動力不穩定狀況，在這里需要對消除管子水動力特性曲線不穩定的條件做進一步討論。根據數學分析，要使公式(4)所代表的曲線成為單調上升的曲線，必須滿足下列條件：曲線不應有極值，只允許有一個拐點。因此，公式(4)的一次導數的根為虛數或二次導數等于零。對公式(4)求導，并使其等于零，可得下列二次代數方程式：

(5)

當B2-3AC才<0時，W值為虛數，故得無極值點的條件之一為B2-3AC<0。

再求二次導數為零時的條件，對公式(5)進一步求導并使之等于零，可得：

(6)

由公式(6)可解得

(7)

將公式(7)帶入到公式(5)，則

(8)

綜合以上分析，要使公式(4)所示的曲線為單調上升曲線的條件是

(9)

將A，B及C的值帶入到公式(9)中，可得：

(10)

為保證ΔP=f(W)曲線具有一定陡度，在公式(9)中右端分母上乘以修正系數α。因此判別并聯蒸發管中水動力特性是否穩定的準則可寫成：

(11)

所以，當管子進口處工質欠焓小于公式(11)的計算值，并聯水平蒸發管中的水動力特性是穩定的。在垂直并聯蒸發管中必須計及的壓力降除了沿程阻力損失和局部阻力損失，還有重位壓力降。若對單根管而言，重位壓力降對垂直上升管起到穩定水動力特性的問題，對U型管來說，重位壓力降會使水動力特性曲線變為多值性。但是，對于做多次上升和下降布置的并聯蒸發管，由于其流動阻力壓力降在總壓力降中所占的比重大而使重位壓力降所占的比重減小，因而重位壓力降對水動力特性穩定性的影響減少。當上升管及下降管的總數大于10，管子水動力特性是否穩定主要取決于管子的流動阻力特性曲線是否穩定，亦取決于沿程阻力壓力降和局部阻力損失與流量的關系是否穩定。如阻力特性曲線是單值的，則管子的水動力特性曲線是穩定的，反之，是不穩定的。此時，可用公式(11)進行判定。對于加熱爐內的管系，亦用公式(11)進行水動力穩定性的判別。

以上是從數學角度分析了進口工質為帶欠焓液體的蒸發管中水動力特性不穩定的可能性。從物理上分析，發生水動力特性曲線不穩定或多值的主要原因是隨著流量的增加，蒸發段中汽液混合物平均比容急劇變化造成蒸發段的壓力降先增大、后降低而引起的，即由于汽相和液相的比容不同引起的[2]。增加進口壓力，減少介質進口欠焓及增加受熱管段的熱流密度都會穩定兩相流的水動力特性曲線有貢獻。

2 計算原理及現場運行數據分析

采用FRNC-5PC工藝核算軟件來完成焦油加熱爐的模擬計算。將焦油在加熱爐中加熱過程分成若干管段進行壓力平衡、熱平衡及相平衡的計算。同時對管段內油料的流型和流速進行嚴格計算，確保流速不超過臨界流速，流型達到較理想的環霧流和霧狀流的流動狀態。軟件根據恩氏或實沸點蒸餾數據點擬合得到一條連續的曲線，可自動產生組成該油料的各虛擬組分做為油品的物性參數參與計算。

圖4 支管介質溫度與加熱出口溫度的關系

從某項目焦油加熱爐現場采集的運行數據可以充分證明汽液兩相流水動力特性多值性的問題。加熱爐被加熱介質為無水焦油，介質進入到進口集合管中，此時為純液相，分為兩個流程進入到爐內進行加熱，出口是汽液兩相的流體。在兩個出口支路上各安裝一支熱電阻，用于測量每個支路介質的溫度。通過監測每個支路介質的溫度來判斷是否偏流。從現場采集的運行數據可以看出，在初始的升溫狀態，焦油介質在進出口溫度和壓力下均為液相。這時，介質的水動力特性曲線具有單值性的特點。支管1和支管2的介質溫差較小，在出口加熱溫度逐漸升高的過程中，焦油在對應的進口溫度和壓力下為液相，經過管內加熱后，出口介質變為汽液兩相，兩路支管的介質溫差逐步加大，介質在加熱的過程中出現了水動力特性不穩定的狀況。支管1較支管2溫度低，且汽化率也低，顯然進入到支管1中的介質流量大于支管2，此時水動力狀態不穩定。

表1 爐管內介質單相流及兩相流運行數據比較

因此，在加熱爐運行中，進口介質為單相流，出口介質為汽液兩相流，則并聯的管路中不可避免會出現水動力特性不穩定的現象，出口汽化率越高，不穩定現象越突出，而提高介質流量、進口壓力或減少蒸發段長度有助于水動力特性的穩定。在加熱爐的設計和運行中要考慮解決水動力特性不穩定的現象。另外，在焦油加熱爐的實際運行中，工藝參數需與原設計參數保持高度一致性，工藝條件如果偏差較大，會極大影響加熱爐的運行狀態，同時空氣過剩系數、換熱強度、燃燒器的燃燒狀態均會對加熱爐的運行造成影響。

3 解決方法

汽相爐設計時，首先考慮盡量不使用多路并聯盤管，盡量使用單路盤管的形式。但是，對于負荷較大或介質處理量較大的加熱爐，整臺加熱爐只設置一個流路不能滿足壓降、結構及經濟性的要求，那么必須要設置多個流路。在這種情況下，就要充分考慮水動力特性不穩定的影響。首先，集合管的設計要做到盡量沿程及局部阻力損失一致，可以做成如圖5所示。

其次，需要在每個支路進口上安裝流量計和流量調節閥，同時要保證在調節閥前的介質為純液相。在每個支路的出口設置溫度測點。設備運行時，當介質流量穩定后，可通過出口支路上的溫度測點的反饋值，動作進口支路上的調節閥，使出口支路上的溫度值一致，滿足工藝的要求。

圖5 集合管流路分布圖

4 結束語

由于焦油組成復雜，缺少穩定全面的物理特性數據，焦油加熱爐本身的設計難度遠高于一般加熱爐；而且焦油介質操作溫度高，易裂解；焦油在加熱爐爐管內兩相流流動過程極可能偏離設計點，需要對管內流動進行包括相平衡、熱平衡、壓力平衡、流型判別及流速限制等多方面的計算，同時需要對管內油料的流型和流速進行嚴格計算，確保流速不超過臨界流速，流型達到較理想的環霧流和霧狀流流型。另外，也要關注在焦油加熱爐爐管內流型的變化，考慮運行過程中出現水動力特性不穩定的問題。因此了解加熱爐水動力特性曲線多值性的現象，才能更好解決水動力不穩定的問題，使焦油加熱爐在合適的流型內安全運行。

[1] 林宗虎.汽液兩相流和沸騰傳熱[M].西安：西安交通大學出版社，2003.

[2] 魯鐘琪.兩相流與沸騰傳熱[M].北京：清華大學出版社，2002.

Hydrodynamic Characteristics Research of Two-phase Flow in Heater Coil

LIU Yan, SHI Jun-feng, LIANG Zhao-hui

Flow pattern and heat exchange condition should be analyzed because of coking properties of bituminous and free carbon and high vaporization. Flow mal-distribution in parallel paths is occurred during initial stage of operation of rising temperature and flow. The paper introduces cause of hydrodynamic characteristic instability, tendency and solution.

coal tar heater； two-phase flow； hydrodynamic characteristic

2015-01-12

劉 雁(1980-)，女，高級工程師，碩士研究生，主要從事工業爐設計工作。

TE963

B

1003-8884(2015)04-0027-05