兩相流管道設計技術在電廠管道設計中的應用

林 肖

（浙江城建煤氣熱電設計院有限公司，浙江 杭州 310000）

現(xiàn)階段，我國的經(jīng)濟已經(jīng)進入工業(yè)化、信息化以及跳躍式發(fā)展階段，當然經(jīng)濟的飛速發(fā)展也離不開電力事業(yè)的進步；發(fā)電廠是一種更快捷、更方便、更安全的系統(tǒng)，它的出現(xiàn)對于國民經(jīng)濟與社會發(fā)展有促進作用。在設計發(fā)電廠期間，一般需要設計汽液兩相流動的管道。通過對單相流動管道與兩相流動管道的對比研究發(fā)現(xiàn)，兩相流動管道的流動阻力更大、極易震動，且流動特性也存在差異，導致發(fā)電廠管道設計面臨著更高的難度。目前，與設計發(fā)電廠兩相流管道相關的文章其實并不多。由于我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電廠設計的精準度的日趨提升，有必要不斷提升兩相流管道的設計水平。

1 加熱器疏水管道運作程序的分析

在發(fā)電廠管線設計中，兩相流管線在其中的應用領域極為廣泛，其中主要涉及加熱器疏水管線、鍋爐水冷壁與暖風器疏水管線等，由于兩相流管線被廣泛應用于各式各樣的電力設備中，所以也促使發(fā)電廠管線設計問題類型愈發(fā)豐富。針對我國現(xiàn)階段發(fā)電廠具體運作情況來說，在多數(shù)中小型氣輪機組常規(guī)運作過程中，都是先借助加熱器對發(fā)電廠氣輪機組中的自氣機本體內(nèi)存在的蒸氣進行抽取，同時進行換熱操作，再借助疏水逐級直流的形式，全面整合飽和水及凝結水，以此對工質(zhì)與其富含的熱量進行全面的吸收。在加熱器疏水管線常規(guī)運作程序中，給水加熱器對水進行低高壓加熱后，低壓加熱處理所獲得的蒸氣便會傳輸?shù)侥龤馄鲀?nèi)，而高壓加熱處理所獲取的蒸氣則會傳輸至除氧器內(nèi)，然后再借助調(diào)壓閥進行全面調(diào)整，由此達到氣輪機組管線疏水的目的。然而，通常在發(fā)電廠機組常規(guī)運作過程中，機組常規(guī)作業(yè)往往是由于兩相流管線內(nèi)氣液流體的不斷混合并流動等多種因素，造成機組管線產(chǎn)生振動，由于氣液長期不規(guī)則運動，管線震動現(xiàn)象愈發(fā)嚴重，由此就極易造成由于氣液運動狀態(tài)水分過多流失，導致機組熱經(jīng)濟持續(xù)下降，而這不但會對發(fā)電機組常規(guī)運作的可靠性造成許多不利的影響，同時還提升了機組和管線結構的危險性。所以，為了最大限度地提高發(fā)電廠機組常規(guī)運作質(zhì)量與效果，對兩相流管線進行高效、科學及綜合性的設計，這些兩相流問題對管線結構運作的可靠性與安全性產(chǎn)生的負面影響，需要進行改善與處理。

2 疏水管道相變形成基本原理

隨著科學技術不斷的發(fā)展，對資源的需求量也越來越大，尤其是電力資源。在目前電廠運行中常常存在疏水相變的現(xiàn)象，這個問題會嚴重阻礙發(fā)電的過程，同時發(fā)生一系列的問題。我們對發(fā)電廠疏水管線運作程序進行分析，當發(fā)電機組進行疏水逐級自流操作時，因為高壓力飽和水及凝結水在管線中存在一定的流動阻力，同時管線入口位置經(jīng)常會由于壓力差而出現(xiàn)重位壓降的現(xiàn)象，并且在閥門和調(diào)壓閥形成的相互作用下，使管線內(nèi)的疏水壓力下降，會讓管線在輸送疏水過程中出現(xiàn)飽和問題，導致管線內(nèi)氣液兩相流出現(xiàn)問題。在對疏水管道內(nèi)存有氣液相變的基本原理分析過程中，將發(fā)電廠內(nèi)機組常規(guī)運行工作質(zhì)量當做穩(wěn)定動態(tài)的參考依據(jù)，按照相關穩(wěn)定流動能量方程進行全面的推算；對于絕熱疏水管線熱量流動而言，如果熱量損失為0，那么在管線中，無論是工質(zhì)還是氣液流動化對管線對外軸功同樣為0。除此之外，在發(fā)電機組管線內(nèi)凝結水壓力不斷下降的狀態(tài)下，其中飽和水富含的焓值同樣會隨之下降，一旦疏水管線內(nèi)飽和水及凝結水平均焓數(shù)值和其他疏水入口相比相對較低，那么一些飽和水及凝結水便會出現(xiàn)相變問題，從而導致管線之內(nèi)氣液兩相流動問題出現(xiàn)。

由于凝結水壓力的不斷下降，與之對應的壓力下飽和凝結水焓值也會隨之減小。一旦基于某一壓力下輸水管道的飽和液相焓比其疏水入口焓值低，那么一些凝結水會出現(xiàn)相變，形成兩相流動。

3 兩相流阻力的主要計算方式

在現(xiàn)階段廣泛推行的技術規(guī)定中，針對一些兩相流管線阻力計算方式進行了簡單的闡述，然而其多數(shù)都是借助積分法展開計算，這種計算主要具有流程煩瑣、精準性較低等多種特性，在具體兩相流管線設計環(huán)節(jié)往往無法獲得有效的運用。隨著時代的不斷發(fā)展與科學的不斷進步，國際上采取的兩相流阻力計算方式均有所差異，并且由于其計算工質(zhì)所采取的參考依據(jù)有所差異，所以其計算最終結果之間都存在一定的差異，而且在具體計算時必須按照實際工質(zhì)參數(shù)選擇更具適宜性的計算方式，對兩相流阻力進行全面的計算，其中最具代表性的就是原蘇聯(lián)1961 年鍋爐水循環(huán)計算法以及馬蒂內(nèi)里—納爾遜計算法。

圖1 兩相流管道設計

4 兩相流管道設計技術在電廠管道設計中的主要應用

為了對兩相流管線設計在發(fā)電廠中的主要應用進行探究，以下主要以某電廠25 MW 機組疏水管線設計為例展開分析。就該電廠機組而言，某氣輪機廠所制造25 MW 背壓式型號的氣輪機，額定功率為2.5 萬kW，額定轉速為3 000 r/min，進汽壓力8.83 MPa（a），進汽溫度為535℃，額定進汽量為182.5 t/h，排汽壓力為0.9 MPa（a）。基于額定運行情況下，其加熱器2 條管線中的疏水參數(shù)見表1。

表1 加熱器2 條管線中的疏水參數(shù)

就該汽輪機而言，其1 號疏水管線借助水平設置形式進行設計，把重位壓降長時間控制在0，因為疏水管線長時間在額定狀態(tài)中運行，早已出現(xiàn)相變現(xiàn)象，所以能夠?qū)C組內(nèi)動壓所產(chǎn)生的壓降展開忽略操作。當1 號管線對凝結水進行傳輸時，工質(zhì)與混合物干度會維系在2.5 左右，而密度維系在328 kg/m3，并且其流速為1.80 m/s。并且由于1 號疏水管線內(nèi)的閥門阻力系數(shù)約為0.5，粗糙水平為0.23，所以在工質(zhì)步入管線后，因為閥門和管線間存有較強的摩擦阻力；所以，管線在單相液體輸送至調(diào)節(jié)閥的位置以前，往往并不會出現(xiàn)相變現(xiàn)象。除此之外，發(fā)電廠機組2 號高壓加熱器通將疏水傳輸至除氧器內(nèi)，因為2 號管線內(nèi)調(diào)節(jié)閥所存在的兩相摩擦系數(shù)較高，所以為了達到疏水管線傳輸阻力的標準需求，對調(diào)節(jié)閥具體位置給予適當?shù)恼{(diào)整與修正就變得十分重要，借助調(diào)節(jié)閥調(diào)整到除氧器周圍，能夠?qū)Πl(fā)電廠機組兩相流管線長度達到全面控制的目的，促使兩相流管線長度的縮短與管徑規(guī)格增大，使疏水管線進出口位置存在的阻力不斷提升，這樣最大限度地防止發(fā)電機組管線發(fā)生兩相流現(xiàn)象，為發(fā)電廠機組相關設備以及兩相流管線常規(guī)運作的有效性與可靠性奠定良好的基礎，從而不斷地提升疏水管線的運行效率，提升發(fā)電廠管線設計質(zhì)量與效果，進而提高發(fā)電廠管線設計的綜合水平。

5 結語

綜上所述，在發(fā)電廠加熱器疏水管線的設計過程中，為了最大程度地使疏水全過程更具通暢性，防止管線由于兩相水流沖刷及兩相水流撞擊所導致的震動現(xiàn)象出現(xiàn)，就必須在發(fā)電廠加熱器疏水管線中設置適量的氣液兩相流設施，在確保工程項目建設造價的前提下，減少機械設備故障問題對疏水管線常規(guī)運行產(chǎn)生的不利影響；與此同時，為了更好地避免水流出現(xiàn)阻塞等各種問題的發(fā)生，還應該在對加熱器疏水管線進行設計時采用大管徑管材，同時科學地安排彎頭所在區(qū)域，才可以促使加熱器疏水管線運行質(zhì)量與效率獲得有效的提升，從而為發(fā)電廠管道設計水平進一步提高奠定良好的基礎。為了符合我國的可持續(xù)發(fā)展的要求，在疏水相變方面進行了相關改進，采用兩相流管道設計技術，在保證發(fā)電廠安全高效運行的同時，還能起到減少資源浪費的作用。