熱力生產(chǎn)過程中飽和水流動(dòng)的探討

王 雷,吉雪寧

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公司方山電廠)

熱力生產(chǎn)過程中飽和水流動(dòng)的探討

王 雷①,吉雪寧

(山西焦煤霍州煤電集團(tuán)公司方山電廠)

對(duì)直接空冷回水過程進(jìn)行了分析,利用流體力學(xué)和水工學(xué)中壓力流、射流、無壓流的相關(guān)理論方法,描述了凝水管道中飽和水的流型及變化,論述了回水狀態(tài)的變化和對(duì)熱力系和管道布置的影響。

直接空冷;飽和水;流動(dòng)形態(tài);回水管道布置;凝水品質(zhì);管道振動(dòng);分析

在熱力生產(chǎn)過程中,動(dòng)力裝置的工質(zhì)多為水蒸汽,主要是因?yàn)槠渥匀淮媪看?廉價(jià)易得,性質(zhì)穩(wěn)定。但在常態(tài)與現(xiàn)階段技術(shù)水平下,水蒸汽離氣態(tài)較遠(yuǎn)更接近液態(tài)(分子間距小,容易集態(tài)變化),所以理想氣體的狀態(tài)變化及推導(dǎo)出的所有特性關(guān)系并不適用于水與水蒸汽。因此,自18世紀(jì)以來,人類分析、測(cè)定水與蒸汽的狀態(tài)性質(zhì)的工作從未間斷過。

1 飽和態(tài)流動(dòng)最為常見

動(dòng)力循環(huán)(自然循環(huán))中,水與蒸汽多數(shù)時(shí)間在飽和線左右徘徊,例如在熱電廠中多數(shù)設(shè)備汽機(jī)排汽至凝汽器、冷凝水、高低壓加熱器、除氧器、省煤器、汽包、水冷壁等。水在飽和態(tài)(俗稱沸騰)時(shí),其內(nèi)部和表面都發(fā)生汽化,同時(shí)氣態(tài)分子液化量等同于液態(tài)分子汽化量。而且一定范圍內(nèi),水的飽和態(tài)存在飽和壓力與飽和溫度對(duì)應(yīng)的情況(如1 atm下對(duì)應(yīng)100℃的水),要把一個(gè)大氣壓力下的飽和水全部轉(zhuǎn)化成干飽和蒸汽時(shí),每千克飽和水要吸收一定熱量(汽化潛熱γ)整個(gè)過程水與蒸汽溫度不變。在實(shí)際的系統(tǒng)中,并沒有宏觀的靜態(tài)飽和水,上述過程與狀態(tài),會(huì)發(fā)生在容器類,而且還要有管道內(nèi)的流動(dòng)已實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的轉(zhuǎn)移。通常人們的計(jì)算法為:

飽和水或蒸汽的流動(dòng),依據(jù)黏性流體總流的一元流動(dòng)伯努利方程(Bernoullis equation):

其中,下標(biāo)表示流束基準(zhǔn)橫截面位置,前三項(xiàng)分別為位勢(shì)能、壓勢(shì)能、動(dòng)勢(shì)能,末項(xiàng)為流動(dòng)勢(shì)能損失。前三項(xiàng)均可以使用直觀測(cè)量的辦法進(jìn)行計(jì)算,a為總流的動(dòng)能修正系數(shù)是由于截面上速度分布不均而引起的,實(shí)際管道中a=1.0。而末項(xiàng)h′w=沿程阻力損失+局部阻力損失,沿程阻力損失

其中,λ為沿程阻力系數(shù)。

飽和流動(dòng)過程同時(shí)還是熱力過程:遵循熱力學(xué)第一定律,E=EK+EP+U,對(duì)流動(dòng)過程具體形式為:

式中:

q—單位質(zhì)量工質(zhì)的熱交換量;

h—焓值;

c—速度,末項(xiàng)為軸功(管道流可忽略此項(xiàng))。

2 對(duì)當(dāng)下流行的空冷飽和水流動(dòng)分析

現(xiàn)選擇對(duì)采用直接空冷發(fā)電機(jī)組的空冷凝結(jié)回水進(jìn)行分析,基本環(huán)境參數(shù)及計(jì)算如下(以山西焦煤霍州煤電方山電廠為例):

空冷平臺(tái)據(jù)凝結(jié)水箱(排汽裝置底層)為20.3 m,A型架頂蒸汽分配管中心距空冷平臺(tái)高8.802 m,凝結(jié)水回水管DN300,大致連接方式見圖1:

圖1 飽和工質(zhì)流動(dòng)實(shí)例示意圖

在最大負(fù)荷時(shí)空冷冷卻流量:182.3 t/h,入口蒸汽參數(shù):34 kPa,蒸汽對(duì)空冷放熱量111.53 MW。由飽和水與飽和蒸汽熱力性質(zhì)得:0.034 MPa飽和溫度72℃。

焓值:(按IAPWS-IF97公式)

h′=301.397 709 kJ/kg;h″=2 629.510 757 kJ/kg;飽和水比容:VL=0.001 024 m3/kg;飽和汽比容:VG=4.649 818m3/kg;

按照每千克排汽空冷放冷卻熱值(設(shè)計(jì)值按沒有凝結(jié)水過冷度計(jì)算)得2 202.41 kJ/kg。

按:hX=h′+x(h″-h′)計(jì)算:

得干度:

計(jì)算排汽比容為:

排汽容積流量為:8.1×105m3/h,在空冷為定壓放熱過程。

在凝結(jié)水集箱到排汽裝置噴淋口對(duì)流態(tài)分析:在空冷換熱下聯(lián)箱至回水管段為渠道無壓流,過流斷面為扇面狀,稱為A段;在逆流段聯(lián)箱下方,水流下落流入回水總管,稱為B段;匯合在回水總管后,下落垂直管段C;在重力作用下的流段,垂直管段人為設(shè)置一個(gè)分界點(diǎn)@以上部分為D段;分界點(diǎn)@以后為壓力流E段。其中的分界點(diǎn)位置并不能準(zhǔn)確界定,只是為下面的分析方便。

設(shè)想從排汽裝置噴淋孔向后看,E段回水量的增加,噴淋孔通流量有限,壓力段長(zhǎng)度會(huì)增長(zhǎng),直至靜壓增長(zhǎng),噴孔流量增加依據(jù):

設(shè)管道內(nèi)壓力P、靜壓水柱高H、凝水密度ρ、末端水流速V、噴孔面積S=π г2、X為噴管內(nèi)表壓,則有伯努利方程:

則:當(dāng)H增加,V增加(QV=SV),即流量QV增加。

在流量增加到一定值時(shí),從上游落水量與之平衡,分界點(diǎn)@位置不再變化。在分界點(diǎn)@以上的D段,回水受重力影響最大,其次流體部分受管道邊界約束部分與氣體接觸,是典型的飽和水垂直無壓流,特別需注意的是:

暫忽略左右水量的不一致和其他力而形成旋渦流。在回水總管下落三通處,由于水流的突然向下加速(重力),在此處的工質(zhì)是飽和水,微小加速就會(huì)引起其密度的減小,發(fā)生在液體內(nèi)部可忽略水頭損失,而位能的落差幾乎為零,在伯努利方程(伯努利方程的應(yīng)用條件是定常不可壓流體,在此使用只為說明趨勢(shì),不能詳盡計(jì)算)中:

由于V2的增加,ρ2已降低,位勢(shì)z2降低,壓力必然降低(即是加速壓降現(xiàn)象)。溫度不變,壓力已降至凝水壓力以下,宏觀狀態(tài)看,此時(shí)水會(huì)發(fā)生再次生成飽和蒸汽,過程為:溶解氣體首先從液體中析出,形成氣核在液體中上溢,沿著管截面中心向下,速度會(huì)越來越快,部分流體出現(xiàn)閃蒸,見圖2。

圖2 部分流體出現(xiàn)閃蒸示意圖

在垂直管近管壁位置,由于水的黏度和邊界層的存在,由管中心到管壁(圖中的r方向)流速存在梯度,管入口形成如圖2的水漏斗狀,可知,管中心的壓力最低。

在漏斗區(qū)內(nèi),壓力急劇下降,在漏斗中心產(chǎn)生一個(gè)很大的吸力,對(duì)外圍的流體具有抽吸作用。

圖3 管入口形成水漏斗狀示意圖

水流沿管道向下重力加速,在管道中心到管壁間的液膜中產(chǎn)生飽和蒸汽溢出,從而撕裂液膜。主要過程:均質(zhì)水中溶氧等雜質(zhì)氣體存在,壓力降低是形成小氣泡(氣核),之后各種氣體聚合,破壞水分子間的抗拉強(qiáng)度(破壞連續(xù)性),溢出。水流開始分散,?；?部分水粒再受管壁束縛聚合成液流(附壁效應(yīng))向下運(yùn)動(dòng)。

據(jù)上所述,自凝水總管三通到垂直下降管BC段,飽和水會(huì)發(fā)生閃蒸,重力加速,連續(xù)性破壞,自由表面破碎等過程,結(jié)果是水速湍動(dòng),回水卷吸大量氣體形成氣液二相液滴。

圖4 氣體析出示意圖

摻入氣體后的凝水,可壓縮性大大增強(qiáng),在凝水落入@點(diǎn)后,液流速度驟然降低,入摻的氣體會(huì)因壓力增加(近似于射流的伯努利方程)而部分溶解;其余部分向液面上浮、聚合潰滅,在@點(diǎn)及以下形成壓縮波和微射流激波,激波在凝水中傳播,最終被管壁吸收(宏觀的管道振源),按c21)+g(z2-z1)+ws,該過程近似為絕熱過程q=0, @點(diǎn)位置不變,宏觀的速度忽略,位勢(shì)差忽略,開口系有功的輸出,焓值降低。在此處表現(xiàn)為,凝水的溫降,使過冷品質(zhì)下降。

如果@點(diǎn)的位置出現(xiàn)在一段水平管上端彎頭時(shí),@點(diǎn)以下形成了半壓力流,隨著水位的波流,入摻水流的氣體,會(huì)聚合在水平管段,隨著水流動(dòng),而氣流速較慢,形成典型的氣液兩相流,在氣體沒有外力加速的情況下,此流體會(huì)造成管道噪聲與振動(dòng)。

3 結(jié) 論

綜上所述,可知一套空冷回水管道因?yàn)槠涔べ|(zhì)的特殊,并不是簡(jiǎn)單的重力回流雨水落斗(垂直管),也不是壓力回水(因?yàn)閴毫α鞴艿酪?guī)范規(guī)定:鋼管拐彎處及鋼管連接閥門處的空蝕空化的原因是由于急變流的條件下產(chǎn)生的脫流而形成氣蝕現(xiàn)象,所以壓力管道轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)取管道直徑的3～5倍)。凝水在其中經(jīng)歷了流體的所有流型(無壓流、壓力流、射流),而且工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)還會(huì)隨熱力系的工況變化而變化,甚至影響熱機(jī)工作,例如,凝水溶氧,過冷度增大,管道強(qiáng)烈振動(dòng)等情況,前兩個(gè)缺陷都可以被其他附屬設(shè)備糾正,但某些負(fù)荷下管道振動(dòng)卻經(jīng)常發(fā)生,如大唐托克托電廠空冷(見《托電2008年空冷運(yùn)行總結(jié)》)、方山電廠空冷等都有此類問題。

目前,直接空冷回水管道布置方式主要有如下兩種方式,見圖5,圖6。

圖5 直接空冷回水管道布置方式一

圖6 直接空冷回水管道布置布置方式二

由換熱器聯(lián)箱下落至橫向布置的母管,再由母管三通垂直落下水平管回排汽裝置。布置特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)緊促整齊,多沿空冷平臺(tái)水泥支柱布置,方便了管道的支撐懸吊。

母管布置在風(fēng)機(jī)群中間,下流過程中不斷利用彎頭與水平短管緩解大落差,末端使用長(zhǎng)管坡度布置,既能減少鋼材用量,又能緩解突變流發(fā)生。

以上布置方式,各有優(yōu)點(diǎn),但在防止產(chǎn)生對(duì)熱力系不利因素方面都有欠缺?？绽浠厮牧鲬B(tài)與管道布置研究前景大有可為,作者認(rèn)為除了局部的專業(yè)水工計(jì)算,還可類比利用自然鍋爐水循環(huán)動(dòng)力研究方法整體研究直接空冷水汽循環(huán)動(dòng)力,希望本文能拋磚引玉,得到相關(guān)專家對(duì)直接空冷回水的關(guān)注研究。

[1] 周云龍,洪文鵬.程流體力學(xué)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004:69-70,123-124.

[2] 靳智平.汽輪機(jī)原理及系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2004:47-50.

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Discussion on Saturated Water Flow in Thermal Production Process

Wang Lei,Ji Xue-ning

Analyzes the process of direct air-cooling backwater,by using fluid mechanics and related theoretical approach of pressure flow,jet,non-pressure flow in hydraulic studies,describes the flow patterns and changes of saturated water in condensate pipe,discusses the changes of backwater state and effects to the thermal system and piping.

Direct air-cooled;Saturated water;Flow patterns;Backwater piping;Condensate water quality;Pipe vibration;Analysis

book=3,ebook=64

TD612

B

1672-0652(2010)02-0029-04

2010-01-23

王 雷 男 1986年出生 2007年畢業(yè)于太原電力高等專科學(xué)校 技術(shù)員 方山 033100