凝汽器喉部低壓給水加熱器疏水虹吸管道的設計及計算

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計方法和一些重要的評估參數，通過單向流和兩相流的理論模型聯合計算，為核電和火電機組低壓加熱器疏水管線的設計提供了設計思路和計算方法。通過實踐得到了有效的驗證，確保虹吸管液封的穩定性，減少設計錯誤。

關鍵詞：疏水管道;兩相流

概述

電廠U形疏水管線，傳統的設計方是法采用水壓頭-即水柱可爬升高度加上一個設計余量的設計方法，U形液封的作用是能夠自我調節疏水量并且連通兩個不同工作壓力下的設備，防止兩個設備間蒸汽的竄通。這種設計不需要額外的調節裝置且簡單易行。雙聯低壓加熱器殼側壓力較低，飽和凝結水在U管上升的過程中由于重力和阻力的作用開始蒸發并加速上升，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。因此在過程中產生的段塞流波狀流是誘發振動和噪音的因素，也見有設備運行過程中出現水錘的現象。通常在U管上升管道末端使用管孔的結構來限制流速，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生情況下的疏水能力，保證汽輪機的運行安全。

當出現液封和振動問題時，傳統的經驗設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使下，由排水管線向壓力較低的下游設備輸送冷凝水。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備間的壓差相等達到平衡。U形管線的設計有兩個有點，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管內保持水封的重要參數。假設虹吸 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計算較為復雜 ，實際計算采用Henry and Fauske（1971）[3]開發的計算模型，這里不再詳述。

3 計算程序的開發

為了得到更加精確的計算結果，需要考慮由于壓力變化引起的兩相流流體特征的變化，利用異質模型能得到更為精確的結果。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生的壓降阻力，最終流動產生的阻力等于設備間的總壓差。計算過程需要假設冷凝水在U管內的底部位置高度，依照總管線尺寸將爬升高度劃分為N步長。依據單元體質量和能量的守恒，計算各步長產生的壓降，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備間的壓差相匹配。如果不匹配，依據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，原始設計的U管立管爬升高度為12m，U形管線上端設有額外的冷水注入口，原來的設計是通過加大注水量來實現水封的。運行中發現U管管線無法實現密封功能，現場通過加大注水量后依然不能自密封。持續注冷水是傳統的設計方法，上升立管設計高度充裕。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致冷水注入后不能實現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計，工程師應該綜合考慮流量，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，計算結果顯示當水溫到達65攝氏度及以上U管將不能實現自密封（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，導致雖然增加了疏水流量，但是依然不能實現自密封。現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起始點。液柱的有效高度得到了大大提升。實際結果非常理想，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的計算），可以知道氣流和水在通道內各自的流速。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，還是環狀流等），從圖表上可以判斷流體在管內的流動狀態，這對振動和噪音源的分析有較大的幫助和指導意義，尤其在水平管線上應該避免末端管內的彈狀流引發的水錘效應。同時應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，可能會產生較大的噪音和振動甚至引發水錘。這時應當評估頂部位置和底部位置的開孔數目，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，Fauske 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