凝結水精處理混床內部流場優(yōu)化及應用

趙國欽

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

熱力發(fā)電廠中水作為能量傳遞的唯一介質，對機組的安全和經(jīng)濟運行起著重要的作用，特別是凝結水的水質對于整個機組的水質起著決定性作用。凝結水精處理是凈化和處理凝結水的唯一途徑，而高速混床作為精處理的核心設備，其工作效能直接決定了整個熱力系統(tǒng)的水質和蒸汽品質。高速混床在水質合格的前提下，須有高且穩(wěn)定的周期制水量，避免混床內部分樹脂過早失效而出現(xiàn)“漏鹽”問題［1-3］。

以一臺1 000 MW 發(fā)電機組精處理高速球形混床為例，就如何改善混床內的流場分布、提高周期制水量進行分析。該機組共布置4 臺球形混床，單臺混床最大出力760 m3／h，內筒直徑3 200 mm，陽／陰樹脂（羅門哈斯）體積比為2∶3，混床的進水裝置采用緩沖板+多孔板+布水水帽的結構形式。機組配備1 套混床樹脂再生裝置。

1 混床工作概況

混床整體為球形，進水口（DN300）設置弧形緩沖板，緩沖板下方設置多孔板，布水板上垂直布置96 個篩管結構、縫隙1.0 mm 的繞絲板式單流速布水水帽；混床陰、陽樹脂粒徑0.55～0.70 mm；混床底部設置縫隙0.2 mm 的單頭水帽，避免樹脂從混床中漏出。樹脂層高1 200 mm，樹脂層上部距離混床水平中心線430 mm，樹脂層距離布水水帽600 mm，混床結構見圖1。

在混床出水電導率不超過0.2 μS／cm、水質完全合格的前提下，混床的周期制水量一般維持在25000～31000m3。機組日常日均供水量為36000 m3／d，單臺混床的日均需供水量為12 000 m3／d，混床在該周期制水量狀態(tài)下，運行48 h 后就會出現(xiàn)出水水質超標的現(xiàn)象，每48 h 需要再生一次混床樹脂，而再生裝置的樹脂再生周期不少于24 h。運行期間出現(xiàn)：再生裝置不間斷運行，混床出水電導率大于1.0 μS／cm、鈉離子大于質量濃度2 μg／L，大量的鈉離子進入給水系統(tǒng)，在汽輪機高壓、低壓葉片有大量的沉積物，經(jīng)化驗其主要成分為鈉的化合物，其次為鐵的氧化物和二氧化硅，見圖2。

圖1 混床結構

圖2 低壓轉子葉片積鹽

2 混床進水裝置現(xiàn)狀分析

2.1 混床內流場要求

混床陰樹脂濕真密度為1.08×103kg／m3，凝結水密度994.8 kg／m3，兩者密度接近?；齑矁容p微的水流擾動就會將上層的部分陰樹脂從沉積狀態(tài)脫離，使之在水中處于“懸浮”運動狀態(tài)，整體樹脂層的厚度會急劇減薄。

混床運行時原則上要求：內部各區(qū)域的水流能夠沿重力方向流動且均勻分布，流速不超過0.03 m／s且流速分布均勻，在整個樹脂層及以上部位的流體以一種穩(wěn)態(tài)方式向下流動，即形成一種向下的“均勻壓迫式”低速流動，不在混床內出現(xiàn)局部射流、紊流，不對整個樹脂層產(chǎn)生任何的擾動。

2.2 混床內的實際流場分析

2.2.1 進水裝置結構的因素

采用弧形緩沖板+布水板/水帽進水裝置的混床，在實際進水時，水流從進水口向弧形緩沖板流動為淹沒射流，由于其流速較高（2.99 m／s）、水柱直徑大等因素，水流到達弧形緩沖板仍然有較高的流速，對弧形緩沖板產(chǎn)生水流沖擊后改變流向，沿弧形板的角度向混床內壁四周形成貼壁式的流動；受到多孔板阻擋后，一部分水流向下通過布水水帽流向樹脂層，另一部分水流降低流速后向中心線流動形成水平流動。根據(jù)緩沖板結構的混床內流場速度分布，弧形緩沖板+布水板/水帽混床內部水的流速分布為：沿混床垂直中心線向外，外圍周向垂直流速高、中心區(qū)域流速低；靠近中心線的布水水帽以上部位出現(xiàn)水平流動［4］。

由于混床內部外圍水流速高于中心部位流速，混床內出現(xiàn)嚴重的偏流現(xiàn)象。大部分的水流會通過外圍水帽布水后進入對應的樹脂層，中心部位的水流量少，相應通過外圍樹脂的水流量會大于中心區(qū)域水流量；流經(jīng)樹脂的水流在樹脂層部位受到樹脂層的阻擋后，也產(chǎn)生向中心線的水平流動，帶動樹脂向中心區(qū)域移動、堆積、厚度增加，外圍樹脂層的厚度減??；加之外圍水流速、流量高于中心區(qū)域，外圍樹脂會先于中心區(qū)域樹脂失效，樹脂層的出水品質快速降低。

2.2.2 水帽設計結構因素

水帽采用垂直布置，包括進水口和篩管兩部分。進水口大部分的面積被進口的固定板片阻擋，進水口面積減小60%，見圖3。由于水帽進水口面積較小，總面積僅當量于277 mm 管內徑，小于進水管口徑，通過進水口水流速超過混床進口流速，達到3.49 m／s，出現(xiàn)混床內部局部流速遠大于混床內該部位正常流速0.028 m／s 的情況，在水帽入口形成淹沒射流。由于淹沒射流距離較大、水帽高度較小（45 mm），到達水帽底部弧形板時仍然具有較高的流速，對水帽底部的弧形板沖擊后快速改變?yōu)樗搅鲃樱瑥暮Y管下半部分以較高的流速流出篩管。

布水水帽篩管縫隙1.0 mm，而樹脂粒徑為0.6～0.7 mm。篩管出口為縫隙流動，由于其流出速度較高，相鄰水帽之間的間距?。?5 mm），水流流出后與相鄰的水帽出水發(fā)生對沖。對沖水的相對速度較大，向對沖接點四周以較高的速度流動，在水帽周邊區(qū)域形成極不穩(wěn)定的流場。由于水流速較高、沖量較大，在樹脂層出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象及在水帽底部弧形緩沖板下方形成的局部旋流，將陰樹脂攪動后在混床內做不穩(wěn)定懸浮流動，降低整體樹脂層的有效厚度。

圖3 水帽進水口結構

混床布水水帽以上的中心區(qū)域流速低于外圍流速，導致中心區(qū)域單支布水水帽的進水量遠小于外圍區(qū)域的單支布水水帽進水量，中心區(qū)域布水水帽篩管中的出流速度小，該區(qū)域布水水帽下方的水流速低。

中心區(qū)域出現(xiàn)的水平流動在該區(qū)域形成旋流，上層陰樹脂被水流帶動后，在樹脂層以上不規(guī)則懸浮運動，并被帶入流速較低的中心區(qū)域水帽后。篩管的縫隙寬度略大于樹脂粒徑，縫隙不能同時容納兩個樹脂顆粒同時通過時，在較低流速狀況下，樹脂顆粒會逐步堆積在水帽內，使水帽的出水流速進一步降低，水帽的出水均勻性進一步惡化?；齑矙z查時也很容易發(fā)現(xiàn)中心區(qū)域的布水水帽樹脂堵塞比較嚴重，見圖4。

2.2.3 多孔板安裝缺陷

水帽所在的多孔板由多塊拼接安裝組成，相鄰之間依靠定位螺栓連接且兩者之間不帶有密封裝置。由于多孔板厚度較小，在其前后壓差作用下發(fā)生變形，多孔板的連接部位出現(xiàn)較大的縫隙［5］，見圖5（a）。多孔板與進脂管之間也存在很大的設計縫隙，見圖5（b）。

圖4 樹脂堵塞水帽情況

圖5 多孔板部位的縫隙

多孔板上下層存在較大的壓差，縫隙部位會出現(xiàn)平面射流，射流初始速度與臨近布水水帽進水口流速相同。射流產(chǎn)生的椎體狀流場侵入樹脂層，見圖6，將射流邊界層以內所及的樹脂帶走，將樹脂向邊界層以外堆積，樹脂在混床內出現(xiàn)厚度不均現(xiàn)象，局部厚度減小，出水水質降低，混床周期制水量減少［6］。

圖6 射流結構

由于射流的紊動性，射流不斷卷吸周圍的流體，使邊界層出現(xiàn)不穩(wěn)定的上下波動，帶動邊界層附近的樹脂在水體做不規(guī)則運動，使射流所侵及的樹脂不能在混床內形成穩(wěn)定的沉積層。

3 混床內流場的均勻化設計

要保證高速混床穩(wěn)定的周期制水量，就需要保持混床樹脂層在各種工況下的穩(wěn)定性和通過混床樹脂層水流速的均勻性，即樹脂層及臨近區(qū)域的水流不出現(xiàn)旋流、射流、橫向流動等現(xiàn)象，水流以穩(wěn)定的平均流速垂直通過樹脂層。對進水裝置進行設計優(yōu)化，保證進水裝置出水的均勻性。

3.1 進水裝置出口流場均勻化試驗

保證進水裝置出口流場的均勻化，盡量降低進水裝置的出口流速、提高流速分布均勻性，即出口流速越低、分布越均勻，對混床內整個流場的擾動越小，流場的均勻性越好。

3.1.1 多孔板及布水水帽改進

由于布水水帽出水流速的均勻性對樹脂層及以上的流場均勻性有很大的關聯(lián)關系，增加水帽的高度和縫隙總面積可以改善水帽的出水流場狀況。

多孔板安裝時消除的相鄰間的縫隙；將布水水帽篩管高度由原來的45 mm 增加至70 mm，篩管縫隙由原來的1.0 mm 增加至1.5 mm。將篩管的出水總面積增加至原來的1.92 倍，出水平均流速由原來的0.56 m／s 降低至0.29 m／s。由于篩管長度的增加，從水帽進水口到達水帽底部的射流距離增加，到達端部的水流軸心速度區(qū)域范圍減小，射流邊界層的速度有所降低，水帽的出水流速分布均勻化程度也會有所改善。

在不改變混床進水裝置的前提下，將多孔布水水帽結構進行改進后，混床出水電導率不大于0.2 μs／cm，周期制水量維持在45 080～63 960 m3。

3.1.2 混床進水裝置改進

為消除混床進水裝置造成的混床內部偏流、局部射流現(xiàn)象，設計一種混床多管進水裝置，使進水裝置以下的水體流速實現(xiàn)更為均勻分布，見圖7。該結構進水裝置為雙層多支布水管結構。每層均勻布置8 支內徑為75 mm 的布水管（所有支管內徑總截面積大于進水管截面積），上下層相鄰布水管交叉分布其中心線夾角為22.5°，減少布水管之間出水相互干擾形成水流對沖而出現(xiàn)的局部旋流。各支布水管主體部分為施羅德繞絲篩管，篩管縫隙為1.5 mm，長度分別為400 mm、800 mm。

當凝結水從進水母管進入進水裝置后，從16 支布水管接口流向布水管，在布水管的進水段各布水管的入口流速相同。水流從布水管進水段流出后形成淹沒射流，隨著射流距離的增加，射流邊界層的厚度越來越大，篩管內水流軸心速度逐漸降低［6］。由于篩管的內徑與布水管內徑相同，在布水管進水段出口形成的射流結構被篩管分割為兩部分，即篩管內部核心區(qū)域和篩管外部區(qū)域。

圖7 多管進水裝置

在篩管內部核心區(qū)域，在射流結構總體框架下，隨著篩管內射程的增加，軸心流速逐漸降低。射流軸心段以外水流流經(jīng)篩管上的斷面“△”的繞絲頂端時受到干擾在其后方出現(xiàn)渦流并改變流向，在繞絲的縫隙之間向篩管外的自由空間流動，從篩管縫隙中流出的水流形成夾縫流動，見圖8。水流經(jīng)過縫隙時的流速低于核心段的流速，在縫隙的“梳理”作用下，水流經(jīng)過篩管縫隙時的流動狀態(tài)逐步向層流狀態(tài)過渡。從篩管進水口至第1 個篩管縫隙時，其雷諾數(shù)Re 由3.15×105降低至6.3×103；隨著篩管內射程的增加，經(jīng)過篩管縫隙水流速度越來越低，其Re 越來減小。所有篩管縫隙出流的平均流速0.187 m／s，大部分從篩管中流出的水流呈層流狀態(tài)?？p隙出流流速越低，混床內整體的流動之間的相互擾動越小，流程穩(wěn)定性越好。

圖8 篩管繞絲的夾縫流動

將混床進水裝置改造為多管進水裝置后，取消多孔板及布水水帽，混床出水電導率不大于0.2 μS／cm時，周期制水量達到73 610～99 469 m3。

3.2 混床進水裝置的組合試驗

采用3 種進水裝置組合改進方式，在混床出水電導率不大于0.2 μS／cm 時，各種組合狀態(tài)下的混床周期制水量見表1。

表1 裝配各種進水裝置的周期制水量比較 m3

從以上的試驗情況分析：

1）采用緩沖板+多孔板+布水水帽（高度70 mm）的進水裝置時，混床的周期制水量的穩(wěn)定性較差，但比原進水裝置周期制水量明顯增加。

2）采用多管進水裝置+布水水帽（高度70 mm）由于水帽以上的水流速均勻，通過水帽的流量分配較為均勻，其周期制水量穩(wěn)定。但在進水裝置將水流分布均勻后，布水水帽出水時又對整體流場進行干擾，混床內的流場均勻化程度又有所降低。

3）只安裝多管進水裝置時，由于篩管距離樹脂層距離較遠，樹脂層以上的流場有更多的空間實現(xiàn)其均勻化，混床的周期制水量最高，且整體狀態(tài)穩(wěn)定。

3.3 混床進水裝置改造建議

進水裝置采用多管進水裝置，可以將進水裝置出水水流梳理成層流狀態(tài)。加之其出流速度很低，更接近混床內整體水流速，對樹脂層的干擾更小，混床樹脂層以上的水流速分布均勻化程度更高。

采用多管進水裝置時需保證篩管進水口總面積不小于進水管面積，其總面積越大，進入篩管入口的水流速越小，水流到達篩管端部的流速也越低，篩管各部位出流速度越小、分布越均勻。

4 結語

對于高速球形混床存在的內部流場不均勻導致的周期制水量低的問題，可以將進水、布水裝置設置為多管進水裝置。充分利用施羅德繞絲篩管縫隙出水均勻性、防止高密度堆積的特點，可以使進水裝置與樹脂層之間的水體流速分布更為均勻，保證樹脂層的穩(wěn)定性，提高混床的周期制水量。