負壓大直徑管道內濕蒸汽流體動力特性實驗研究

王海濤, 梅雪松, 顧紅芳,王海軍

(1. 西安交通大學 機械工程學院, 陜西 西安 710049; 2. 西安交通大學 高端制造裝備協同創新中心, 陜西 西安 710049; 3. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室, 陜西 西安 710049)

直接空冷技術因具有顯著的節水效果,已經成為目前富煤缺水地區火電機組的一種主要冷卻方式,對緩解水資源危機、保障電力供應具有重要的意義[1-3]。直接空冷系統的工作原理是汽輪機的排汽經排汽管道通過蒸汽分配管進入上部空冷凝汽器,軸流冷卻風機驅動空氣流過空冷凝汽器外表面并進行熱交換,將排汽冷凝成水,凝結水再經凝結水泵送回汽輪機的回熱系統循環利用[4]。排汽管道作為直接空冷系統的關鍵組成部分,管線的合理布置、管道壓降及蒸汽流量分配的有效控制,將直接影響到電廠運行的經濟性和安全性[5]。直接空冷系統排汽管道為大直徑負壓管道,其技術難點在于:(1)控制排汽管道作用于汽輪機低壓缸的推力和力矩以滿足設計和運行要求; (2)降低系統流動阻力和平衡各支管的流量; (3)綜合考慮排汽管道在各類荷載(如結構自重荷載、風荷載、地震荷載、溫度荷載、不均勻沉降及工作外力引起的荷載等)作用下的安全問題。對于流動而言,排汽管道系統設計的關鍵是降低系統壓降和平衡各支管的流量,在保證系統各分支管路蒸汽流量分配均勻的同時,防止流動阻力和過冷面積過大,造成換熱量損失,導致電廠的熱效率降低[6]。

目前,針對直接空冷系統排汽管道的研究多偏重于仿真,主要是采用計算流體動力學軟件,對其內部流場進行模擬分析[7-9],模擬結果缺乏與實測數據的對比。為此,本文以600 MW級火電機組排汽管道為研究對象,通過實驗,探究含液率、環境溫度、系統背壓等因素對排汽管道內流動阻力和流量分配的影響,該實驗系統具有實際工業應用背景,不僅可以補充和完善排汽管道的設計,而且可以有效培養學生解決復雜工程問題的能力。

1 實驗原理

600 MW級火電機組排汽管道的主管道直徑約為6 m,由于系統非常龐大,因此無法在實驗室對實際結構進行實驗研究,需要采用相似理論對實際排汽管道的結構進行模擬,在一定的模化比下進行實驗研究。采用相似原理處理管內流體流動的問題時,必須同時滿足幾何相似、運動形似和動力相似[10-12]。

(1) 幾何相似。按照排汽管道的實際結構,采用1∶20的模化比設計實驗模型,管道材質與實際結構相同。

(2) 運動相似。運動相似是指流體運動的速度場相似,對于圓管內的流體流動,選擇特征速度作為管內平均流速,實驗中管內流速與實際的管內流速相同,入口流量和溫度、出口的壓力與實際排汽管道一致,流動介質為同樣含液率的水蒸氣。管外為大氣環境,在實驗中模擬大氣環境進行各個參數的測量。

(3) 動力相似。對于相同流體的排汽管道,動力相似主要指雷諾數Re相等。排汽管道直徑很大,流速高,Re大,完全能夠到達自模化區。由于管內流動是存在冷凝的兩相流動,兩相流動自模化區的確定目前還沒有明確的指標,因此需要用實驗方法,不斷增加質量流速直至確定進入自模化區,從而得到在與實際情況相似下的進入自模化區的Re。當實際的Re大于進入自模化區所需的Re時,實驗系統與實際系統動力相似[13]。

2 實驗裝置

在實驗段附近的布置溫度傳感器測量環境溫度,以考核環境溫度對管內蒸汽流動的影響。

圖1 實驗系統圖

3 實驗測量系統和采集系統

實驗數據主要包括工質流量、壓力、實驗段各個區段壓降、工質溫度、實驗段壁面溫度、環境溫度及電加熱功率等。各實驗參數的測量儀表及參數范圍如表1所示,測點布置見圖2。

圖2 測點布置表1 測量參數及選用儀表

測量參數參數范圍測量儀表數量輸出精度給水流量和冷凝水0～5 000 kg/h電磁流量計21～5 V0.25%加濕水流量0～200 kg/hST3000/900差壓變送器11～5 V0.25%冷卻水流量0～70 000 kg/h電磁流量計11～5 V0.25%分離器壓力和冷凝器-95～140 kPaST3000/900壓力變送器21～5 V0.25%實驗段總壓差0～+3 kPaRS0867930遠傳差壓變送器11～5 V0.25%彎頭處壓差-1～+1 kPaRS0867930遠傳差壓變送器11～5 V0.25%阻力實驗段壓差-1～+1 kPaRS0867930遠傳差壓變送器11～5 V0.25%工質溫度5～120 ℃Φ3 mm,K型熱電偶6———0.2 ℃壁面溫度20～400 ℃Φ0.5 mm,K型熱電偶78———0.2 ℃加熱功率0～180 kW0～5 000 A0～5 AFS—14交流變壓器HL—19電流互感器FS—13交流互感器141～5 V1～5 A1～5 V0.5%0.1%0.5%

4 實驗系統標定和工況參數

整個實驗系統完全冷凝,滿足能量和質量平衡。質量平衡指蒸發量和凝結量的平衡,蒸發量來自于電加熱功率的計算。在實驗過程中,整個系統一次性加夠所需水量,然后加熱到飽和狀態進行實驗,這樣電加熱功率即為蒸發過程中飽和水變成飽和蒸汽的吸熱量。熱平衡指蒸汽冷凝放熱和冷卻水吸熱平衡。在正式實驗進行前,對系統進行這兩個平衡的考核,在5個不同的電加熱功率下測量冷凝水流量、電加熱功率,測量冷卻水流量和進出口溫度，計算冷卻水的吸熱量,最大誤差在5%以內,可以認為整個系統的測量和計算方法是能夠滿足精度要求。

實驗參數的選擇既充分考慮了實際工程的需要,同時從技術研究的角度加以擴充,具體參數如下:

壓力范圍(絕對壓力kPa):7.5,15,35,45,65；管內流速范圍(m/s):20,30,40,50,60,70；質量含汽率:0.9～1.0。

實驗中質量流速的選取以能夠達到自模化區為原則。當阻力系數不再隨Re的改變有明顯變化時認為進入自模化區,此時的Re認為是臨界雷諾數,即存在凝結的兩相流動進入自模化區的最小雷諾數。

5 實驗結果分析

5.1 含液率對排汽管道流動阻力特性影響

圖3為7.5 kPa下測得的流動阻力隨含液率的變化。從圖中可以看出,液滴對流動阻力的影響非常小,雖然實驗只在7.5 kPa的壓力下進行了比較,但在其他壓力下液滴的影響要小于該壓力下的影響。在足夠寬的實驗流量范圍內,截面含汽率接近1,流動通道基本被氣體充滿,因此液滴的存在對流量分配的影響可以忽略。

圖3 7.5 kPa下含液率對流動阻力的影響

5.2 環境溫度對排汽管道中蒸汽凝結液量的影響

圖4為7.5 kPa下液膜厚度與環境溫度的關系。在-45 ℃～30 ℃溫度范圍內,相同的高度上,液膜厚度是隨著環境溫度的降低而增加,其原因是環境溫度降低,溫差增加,向大空間換熱量增加,從而凝結量增加。由于重力的作用,在管道的最低部位液膜厚度達到最大,在最大液膜厚度處,凝結液量占總蒸汽流量約為0.1%,其厚度約為0.04 mm,而管道的粗糙度一般在0.02～0.1 mm,因此液膜厚度尚不能覆蓋管道的粗糙度,可以認為有凝結現象的排汽管道仍然為粗糙管道。液膜的存在對蒸汽的流通通道面積和流通管道粗糙度都沒有產生明顯的影響。

圖4 7.5 kPa下液膜厚度與環境溫度的關系

5.3 壓力對流量分配的影響

圖5給出了各支管流量分配在不同壓力下的變化規律。4個支管的流量分配比隨壓力變化不大,壓力對各支管流量分配的影響可以忽略。

圖5 G=0.25 kg/s時不同壓力下各支管質量流量分配

5.4 管件流動阻力與質量流量的關系

測點布置圖見圖3,選取其中4組截面進行分析，結果見圖6。由圖6可知,流動阻力隨著壓力的降低而增加,隨質量流量的增加而增加,這是由于在一定的質量流速下,隨壓力降低,體積流量增加,管內流速增加,阻力增加速度與流速的平方成正比。

圖6 4組截面的壓差與質量流量的關系曲線

5.5 自模化區的確定

通過對各個管件的較大范圍的流量和壓力的實驗,獲得了進入自模化區的Re,見圖7，同一個截面達到自模化區的Re基本不隨壓力變化,對于本文中的管道系統,當進入Re>1.5×105時均可以認為進入自模化區。

圖7 4組截面的阻力系數與雷諾數關系曲線

6 結論

(1) 由于凝結液膜的厚度與管道直徑相比非常小,并且冷凝液膜厚度小于商用管道的平均粗糙度,可以忽略液膜對流動阻力和流動面積的影響,冷凝液總流量很小,即使高速氣流對液膜的撕碎和攜帶也不會影響管道內主氣流的流動特性。

(2) 各支管所分配的流量主要受末端冷凝效果的影響而幾乎不受壓力的影響。

(3) 管道內流體的流動阻力隨著壓力的降低而增加,隨著質量流量的增加而增加,阻力的增加速度與流速的平方成正比。

(4) 當Re>1.5×105時管內流動均可以認為進入自模化區,在實際運行工況中Re均超過了此值,本實驗系統內蒸汽流動特性與實際排汽管道滿足相似原理,實驗參數設計合理。

(5) 各部分管件阻力系數隨Re的變化趨勢與經典的莫迪圖基本吻合。通過實驗能較好地預測直接空冷排汽管道內濕蒸汽的流動狀況,對實際工程設計具有一定的指導意義。