再沸器凝液回收管線的設計計算

朱玉玲

（天津長蘆新材料研究院有限公司,天津300350）

冷凝水從再沸器排出，經過疏水閥，排放至冷凝水回收系統。凝液管線被分成了兩部分，再沸器至疏水閥的排水管和疏水閥后的排放管。通常，疏水閥安裝在再沸器出口的下端，凝液在重力作用下沿管道流動，再沸器至疏水閥的排水管應按照重力流計算。凝液經過疏水閥后，會發生閃蒸，疏水閥后的排放管應按照兩相流計算。

工程設計中，設計人員對重力流管道的計算，基本上停留在根據經驗假定流速，核算管徑和阻力降的階段，這樣容易造成失誤，致使疏水閥前管徑偏小，凝液在疏水閥前閃蒸，管道充滿蒸汽，阻止凝液到達疏水閥，形成汽鎖，影響疏水閥正常工作。疏水閥后的排放管道如果按照體積很小的凝液來計算，也會造成管徑太小，導致閃蒸蒸汽流速加快，出現水錘現象，降低疏水閥的排量，使再沸器積水，降低傳熱效果。

1 再沸器凝液回收系統

圖1 為典型的再沸器凝液回收系統，蒸汽凝液從再沸器排出后，先經過疏水閥組，排出系統中的凝液和不凝氣，然后再排放至凝液總管。疏水閥前后安裝壓力表，有利于故障排除；疏水閥前后的放空閥、放凈閥使用截止閥，且裝有90°彎管，出口與地面平行，并與閥門手柄相對，當啟動或關閉的時候，操作人員不會被濺落的凝液燙傷；疏水閥組一般不加旁路，加旁路容易造成蒸汽泄露，沖蝕下游管道。

圖1 再沸器凝液回收系統

疏水閥是凝液回收系統中非常重要的一部分，既是汽水分界點也是壓力分界點。疏水閥的型式有熱靜力，熱動力和機械式，系統中疏水閥的正確選型是很重要的，比如熱靜力式疏水閥，排放的冷凝水溫度低于飽和溫度，可以利用水中的部分顯熱，多用于蒸汽伴熱管線，但是容易使前端設備積水，不適用于換熱設備；熱動力疏水閥間歇排放，漏汽量大，凝結水回收率低，易損壞，壽命短；機械式疏水閥，常用的有浮球型疏水閥和倒吊桶型疏水閥，能夠連續排水，還可以排出空氣等不凝氣，可靠性好，一般是比較好的選擇，但價格昂貴一些。

2 再沸器至疏水閥排水管管道計算

根據Hills[1]的研究結果，液體重力流的計算分為兩種情況。

一種是管道滿液、不存在氣體夾帶的狀態，但是這種情況設備的液位必須足夠高，通常做法都是在設備與管線上做液位控制，使得重力流管道一直是滿液狀態，這種情況可以用單相流流速來確定管道直徑，得到的管徑是最小的，也是最經濟的。

另一種是設備液位不高，出口流體存在氣體夾帶的情況，再沸器凝液出口就是這種情況，一般再沸器只允許有少量積液存在，或是不允許有積液存在的。只要設備液位低，液體流動就會夾帶氣體，導致流體靜壓頭降低，摩擦阻力降增加，出口流速降低，入口流速大于出口流速，設備液位升高，直到夾帶氣體隨液體流動全部排空。由于液位的升高，額外的靜壓頭又會使出口流速增加，造成液位下降，新一輪的夾帶又開始了。再沸器出口凝液在重力作用下流動，如果管徑設計不合理，夾帶就會周而復始，造成系統的振蕩和不穩定性。

針對上述情況，再沸器至疏水閥的入口管道，我們采用自排空管線設計，避免氣體被夾帶。Simpson[2]的研究結果表明，當弗勞德數NFr≤0.31時，流體在設備入口管道處不到半滿，液體流速足夠低，混入的氣體與液體逆向流動，返回至上游設備排空，而不會被液體帶走。

自排空管線計算依據：

式中，NFr為弗勞德數，是無因次量，U為液體流速m/s，g 為重力加速度m2/s，d 為管道內徑m。

Ql為液體體積流量，將公式（3）帶入公式（2）得：

將公式（4）帶入公式（1）得：

由公式（5）可得到重力流自排空管線尺寸。只有疏水閥入口管徑計算合理，氣體不會被夾帶，再沸器壓力和疏水閥內壓力相同，凝液不存在閃蒸，系統運行才會穩定可靠。

3 疏水閥后排放管管道計算

一般凝液經過疏水閥閥座會產生5%～15%的閃蒸。疏水閥后下游管道輸送的是相同溫度和壓力下的凝液和蒸汽，那么能否直接用冷凝水來計算管道直徑呢？下面我們舉例來說明。

再沸器使用蒸汽壓力為400kPag,安裝浮球疏水閥，凝液在飽和溫度下排放，疏水閥后背壓為100kPag，400kPag 飽和凝結水的焓值為639.59kJ/kg，背壓下飽和凝結水的焓值為493.71kJ/kg，汽化潛熱為2204.6 kJ/kg，則閃蒸蒸汽的質量比例為:

(639.59-493.71)/2204.6=6.61%

假設有100kg 飽和冷凝水閃蒸，查得背壓條件下飽和水蒸汽的密度為1.1273 kg/m3,飽和冷凝水的密度為941 kg/m3，則汽水兩相中蒸汽的體積占比為：

由此可以看出，雖然閃蒸比例很小，但閃蒸蒸汽在管道中的體積占比卻很大，屬于兩相流，不能直接用冷凝水來計算管道直徑。

當氣液混合物中氣相在6%～98%（體積）范圍內，應采用兩相流的計算方法來進行管道直徑的計算[3]。兩相流流動狀況復雜，目前尚無準確的壓力降計算公式，壓降也可不作為兩相流管道尺寸計算的標準。根據API RP 14E，兩相流管徑的計算主要依據腐蝕速率Ve 和流型。先根據腐蝕速率，初步計算管徑，然后再根據Baker 參數和流型圖，判斷此管徑下兩相流的流型是否在合適的區間。

3.1 腐蝕速率的計算

腐蝕速率是兩相流中流體的最大速度，管道內流體速度高于腐蝕速率，管道、附件、閥門等就存在被腐蝕的風險，但管道內最小速率也不能低于3m/s。腐蝕速率方程是經驗公式，比較保守。通過腐蝕速率可以計算得到兩相流的最小管徑。

腐蝕速率公式：

c為經驗常數，經驗常數c的取值：

無固相，碳鋼材料，連續介質,122；無固相，碳鋼材料，非連續介質,153；無固相，不銹鋼材料，連續介質,183-244；無固相，不銹鋼材料，非連續介質,305。

管道內流體的混合速率：

式中，Ve為腐蝕速率 m/s，ρm為氣液兩相的混合密度 kg/m3，ρV，ρL分別為氣，液兩相的密度 kg/m3，θ 為氣體在混合物中所占體積百分數，Vm為流體的混合速率m/s，m為流體的質量流量kg/h。

3.2 兩相流流型判別

氣液兩相流比單相流的情況復雜得多，而且由于重力的作用，水平管道的流動狀況和流型與垂直管道不相同。

對于垂直管道，主要分為泡狀流、活塞流、段塞流、環狀流四種流型，見圖2。1)泡狀流，氣體以汽泡形式分散于向上流動的液體中；2)活塞流，大部分氣體形成直徑接近于管內徑的塞狀或彈狀氣泡，均勻向上運動，液體之間的小氣泡呈分散狀態；3)段塞流，當氣速進一步增大時，塞狀氣泡變得狹長并產生破裂、碰撞、聚合、扭曲，與液體反復沖擊，形成湍動；4）環狀流，液體成膜狀沿管內壁運動，氣體在管道中心夾帶液體高速流動。

圖2 垂直管道Baker 兩相流流型圖

對于水平管道，流型較垂直管道要復雜，主要分為泡狀流、活塞流、分層流、波狀流、段塞流和環狀流六種流型，見圖3。1）泡狀流，氣相以氣泡的形式散布在連續的液相內，氣泡聚集于管道頂部流動；2）活塞流，小氣泡結合成大氣泡，沿管道頂部流動，管上部液體和氣體像活塞一樣交替出現；3）分層流，當氣液流速較小時，氣相在上部液相在下部分層流動，兩相間有較光滑的界面；4）波狀流，氣液分層流動，隨氣速增大，兩相間作用增強，界面呈現波浪形；5）段塞流，當波增長到與管道頂部表面接觸，液相連續夾雜著氣泡，壓力脈動；6）環狀流：氣體在管道中心夾帶液體高速流動，液體成液膜狀沿管壁向前流動，這種流型在低氣含率時出現。

圖3 水平管道Baker 兩相流流型圖

兩相流的流型圖是依照Baker 參數，建立的，Baker 參數如下：

式中，Wv，Wl分別為氣相，液相質量流量 lb/h，ρl，ρv分別為氣相，液相密度 lb/ft3，A為管道橫截面 積 ft2,μl為液 相黏度 cP，σl為液相表面 張 力dyne/cm。

從公式（10）、（11）可以看出：Bx只與氣液相的質量流量比和物理性質有關，并不隨管道直徑的改變而改變。By與氣相質量流量，管道直徑，氣液相的性質有關，管道尺寸改變，By就會改變，兩相流的流區可能就會改變。

首先由腐蝕速率下管徑計算得到Baker 參數Bx，By然后查Baker 流型圖對應的流區是否在合適的區間。在工程設計中，一般要求兩相流的流型為分散流或環狀流，避免活塞流、段塞流以免引起管道和設備嚴重振動。若計算后為塞狀流應在腐蝕速率允許的情況下盡量縮小管徑，增大流速，使其形成環狀流或分散流。也可以采用增加旁路，增大流量等辦法來避免塞狀流[4]。

4 計算案例

塔釜沸器使用1150kPa，35000kg/h 蒸汽，安裝浮球疏水閥，凝液在飽和溫度下排放，疏水閥后背壓為460kPa。計算疏水閥前后凝液管線尺寸。

經查得，1150kPa 下飽和凝結水的溫度為186℃，密度為 880.28kg/m3，焓值為 790kJ/kg，背壓下飽和凝結水的溫度為149℃，密度為918.27kg/m3，焓值為 626.4kJ/kg，黏度為0.186cP，表面張力為48.6 dyne/cm。汽化潛熱為2117.81 kJ/kg，閃蒸蒸汽的密度2.46kg/m3，焓值為2744.21kJ/kg。

1）疏水閥前排水管尺寸計算：疏水閥前按重力流自排空管線計算，帶入公式（5）得：

經圓整，取管徑d 為200mm。

2）疏水閥后排放管尺寸計算：

①飽和冷凝水經過疏水閥后閃蒸，閃蒸蒸汽占比為：

閃蒸后氣液兩相的平均密度：

ρm=2.46 ×96.9% +918.27 ×(1 -96.9% ) =30.86kg·m3。

經圓整，取排放管管徑D 為150mm。

③將相應的參數換算為英制，帶入公式（10）和（11），得到Bx=14.7，By=23351。查水平管道Baker 流型圖，位于環狀流。疏水閥后排放管管徑合適。

5 結論

疏水閥前后飽和冷凝水回收管線尺寸，不需基于壓降進行計算；再沸器至疏水閥前排水管尺寸基于重力流自排空管線進行計算；疏水閥后排放管尺寸基于腐蝕速率和Baker 流型圖進行計算；對于經常低于正常負荷運行的再沸器，由于蒸汽壓力及負荷降低，造成疏水閥后閃蒸減少，要注意避免段塞流的產生。