負(fù)壓大直徑管道內(nèi)濕蒸汽流體動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)研究

王海濤, 梅雪松, 顧紅芳,王海軍

(1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 西安 710049; 2. 西安交通大學(xué) 高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心, 陜西 西安 710049; 3. 西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049)

直接空冷技術(shù)因具有顯著的節(jié)水效果,已經(jīng)成為目前富煤缺水地區(qū)火電機(jī)組的一種主要冷卻方式,對(duì)緩解水資源危機(jī)、保障電力供應(yīng)具有重要的意義[1-3]。直接空冷系統(tǒng)的工作原理是汽輪機(jī)的排汽經(jīng)排汽管道通過(guò)蒸汽分配管進(jìn)入上部空冷凝汽器,軸流冷卻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣流過(guò)空冷凝汽器外表面并進(jìn)行熱交換,將排汽冷凝成水,凝結(jié)水再經(jīng)凝結(jié)水泵送回汽輪機(jī)的回?zé)嵯到y(tǒng)循環(huán)利用[4]。排汽管道作為直接空冷系統(tǒng)的關(guān)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性[5]。直接空冷系統(tǒng)排汽管道為大直徑負(fù)壓管道,其技術(shù)難點(diǎn)在于:(1)控制排汽管道作用于汽輪機(jī)低壓缸的推力和力矩以滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求; (2)降低系統(tǒng)流動(dòng)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(jié)構(gòu)自重荷載、風(fēng)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(wèn)題。對(duì)于流動(dòng)而言,排汽管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是降低系統(tǒng)壓降和平衡各支管的流量,在保證系統(tǒng)各分支管路蒸汽流量分配均勻的同時(shí),防止流動(dòng)阻力和過(guò)冷面積過(guò)大,造成換熱量損失,導(dǎo)致電廠的熱效率降低[6]。

目前,針對(duì)直接空冷系統(tǒng)排汽管道的研究多偏重于仿真,主要是采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件,對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析[7-9],模擬結(jié)果缺乏與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。為此,本文以600 MW級(jí)火電機(jī)組排汽管道為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn),探究含液率、環(huán)境溫度、系統(tǒng)背壓等因素對(duì)排汽管道內(nèi)流動(dòng)阻力和流量分配的影響,該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有實(shí)際工業(yè)應(yīng)用背景,不僅可以補(bǔ)充和完善排汽管道的設(shè)計(jì),而且可以有效培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

600 MW級(jí)火電機(jī)組排汽管道的主管道直徑約為6 m,由于系統(tǒng)非常龐大,因此無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,需要采用相似理論對(duì)實(shí)際排汽管道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,在一定的?；认逻M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。采用相似原理處理管內(nèi)流體流動(dòng)的問(wèn)題時(shí),必須同時(shí)滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)形似和動(dòng)力相似[10-12]。

(1) 幾何相似。按照排汽管道的實(shí)際結(jié)構(gòu),采用1∶20的模化比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?管道材質(zhì)與實(shí)際結(jié)構(gòu)相同。

(2) 運(yùn)動(dòng)相似。運(yùn)動(dòng)相似是指流體運(yùn)動(dòng)的速度場(chǎng)相似,對(duì)于圓管內(nèi)的流體流動(dòng),選擇特征速度作為管內(nèi)平均流速,實(shí)驗(yàn)中管內(nèi)流速與實(shí)際的管內(nèi)流速相同,入口流量和溫度、出口的壓力與實(shí)際排汽管道一致,流動(dòng)介質(zhì)為同樣含液率的水蒸氣。管外為大氣環(huán)境,在實(shí)驗(yàn)中模擬大氣環(huán)境進(jìn)行各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。

(3) 動(dòng)力相似。對(duì)于相同流體的排汽管道,動(dòng)力相似主要指雷諾數(shù)Re相等。排汽管道直徑很大,流速高,Re大,完全能夠到達(dá)自?；瘏^(qū)。由于管內(nèi)流動(dòng)是存在冷凝的兩相流動(dòng),兩相流動(dòng)自?；瘏^(qū)的確定目前還沒(méi)有明確的指標(biāo),因此需要用實(shí)驗(yàn)方法,不斷增加質(zhì)量流速直至確定進(jìn)入自?；瘏^(qū),從而得到在與實(shí)際情況相似下的進(jìn)入自模化區(qū)的Re。當(dāng)實(shí)際的Re大于進(jìn)入自?；瘏^(qū)所需的Re時(shí),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)動(dòng)力相似[13]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

在實(shí)驗(yàn)段附近的布置溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度,以考核環(huán)境溫度對(duì)管內(nèi)蒸汽流動(dòng)的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)和采集系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主要包括工質(zhì)流量、壓力、實(shí)驗(yàn)段各個(gè)區(qū)段壓降、工質(zhì)溫度、實(shí)驗(yàn)段壁面溫度、環(huán)境溫度及電加熱功率等。各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量?jī)x表及參數(shù)范圍如表1所示,測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置表1 測(cè)量參數(shù)及選用儀表

測(cè)量參數(shù)參數(shù)范圍測(cè)量?jī)x表數(shù)量輸出精度給水流量和冷凝水0～5 000 kg/h電磁流量計(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)段總壓差0～+3 kPaRS0867930遠(yuǎn)傳差壓變送器11～5 V0.25%彎頭處壓差-1～+1 kPaRS0867930遠(yuǎn)傳差壓變送器11～5 V0.25%阻力實(shí)驗(yàn)段壓差-1～+1 kPaRS0867930遠(yuǎn)傳差壓變送器11～5 V0.25%工質(zhì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)定和工況參數(shù)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完全冷凝,滿足能量和質(zhì)量平衡。質(zhì)量平衡指蒸發(fā)量和凝結(jié)量的平衡,蒸發(fā)量來(lái)自于電加熱功率的計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,整個(gè)系統(tǒng)一次性加夠所需水量,然后加熱到飽和狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這樣電加熱功率即為蒸發(fā)過(guò)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(shí)驗(yàn)進(jìn)行前,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行這兩個(gè)平衡的考核,在5個(gè)不同的電加熱功率下測(cè)量冷凝水流量、電加熱功率,測(cè)量冷卻水流量和進(jìn)出口溫度，計(jì)算冷卻水的吸熱量,最大誤差在5%以內(nèi),可以認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量和計(jì)算方法是能夠滿足精度要求。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇既充分考慮了實(shí)際工程的需要,同時(shí)從技術(shù)研究的角度加以擴(kuò)充,具體參數(shù)如下:

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

實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量流速的選取以能夠達(dá)到自?；瘏^(qū)為原則。當(dāng)阻力系數(shù)不再隨Re的改變有明顯變化時(shí)認(rèn)為進(jìn)入自模化區(qū),此時(shí)的Re認(rèn)為是臨界雷諾數(shù),即存在凝結(jié)的兩相流動(dòng)進(jìn)入自?；瘏^(qū)的最小雷諾數(shù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 含液率對(duì)排汽管道流動(dòng)阻力特性影響

圖3為7.5 kPa下測(cè)得的流動(dòng)阻力隨含液率的變化。從圖中可以看出,液滴對(duì)流動(dòng)阻力的影響非常小,雖然實(shí)驗(yàn)只在7.5 kPa的壓力下進(jìn)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?qū)挼膶?shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi),截面含汽率接近1,流動(dòng)通道基本被氣體充滿,因此液滴的存在對(duì)流量分配的影響可以忽略。

圖3 7.5 kPa下含液率對(duì)流動(dòng)阻力的影響

5.2 環(huán)境溫度對(duì)排汽管道中蒸汽凝結(jié)液量的影響

圖4為7.5 kPa下液膜厚度與環(huán)境溫度的關(guān)系。在-45 ℃～30 ℃溫度范圍內(nèi),相同的高度上,液膜厚度是隨著環(huán)境溫度的降低而增加,其原因是環(huán)境溫度降低,溫差增加,向大空間換熱量增加,從而凝結(jié)量增加。由于重力的作用,在管道的最低部位液膜厚度達(dá)到最大,在最大液膜厚度處,凝結(jié)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(rèn)為有凝結(jié)現(xiàn)象的排汽管道仍然為粗糙管道。液膜的存在對(duì)蒸汽的流通通道面積和流通管道粗糙度都沒(méi)有產(chǎn)生明顯的影響。

圖4 7.5 kPa下液膜厚度與環(huán)境溫度的關(guān)系

5.3 壓力對(duì)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(guī)律。4個(gè)支管的流量分配比隨壓力變化不大,壓力對(duì)各支管流量分配的影響可以忽略。

圖5 G=0.25 kg/s時(shí)不同壓力下各支管質(zhì)量流量分配

5.4 管件流動(dòng)阻力與質(zhì)量流量的關(guān)系

測(cè)點(diǎn)布置圖見(jiàn)圖3,選取其中4組截面進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,流動(dòng)阻力隨著壓力的降低而增加,隨質(zhì)量流量的增加而增加,這是由于在一定的質(zhì)量流速下,隨壓力降低,體積流量增加,管內(nèi)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(zhì)量流量的關(guān)系曲線

5.5 自?；瘏^(qū)的確定

通過(guò)對(duì)各個(gè)管件的較大范圍的流量和壓力的實(shí)驗(yàn),獲得了進(jìn)入自模化區(qū)的Re,見(jiàn)圖7，同一個(gè)截面達(dá)到自?；瘏^(qū)的Re基本不隨壓力變化,對(duì)于本文中的管道系統(tǒng),當(dāng)進(jìn)入Re>1.5×105時(shí)均可以認(rèn)為進(jìn)入自?；瘏^(qū)。

圖7 4組截面的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

6 結(jié)論

(1) 由于凝結(jié)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(duì)流動(dòng)阻力和流動(dòng)面積的影響,冷凝液總流量很小,即使高速氣流對(duì)液膜的撕碎和攜帶也不會(huì)影響管道內(nèi)主氣流的流動(dòng)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(nèi)流體的流動(dòng)阻力隨著壓力的降低而增加,隨著質(zhì)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(dāng)Re>1.5×105時(shí)管內(nèi)流動(dòng)均可以認(rèn)為進(jìn)入自?；瘏^(qū),在實(shí)際運(yùn)行工況中Re均超過(guò)了此值,本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)蒸汽流動(dòng)特性與實(shí)際排汽管道滿足相似原理,實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)合理。

(5) 各部分管件阻力系數(shù)隨Re的變化趨勢(shì)與經(jīng)典的莫迪圖基本吻合。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好地預(yù)測(cè)直接空冷排汽管道內(nèi)濕蒸汽的流動(dòng)狀況,對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。