飽和地?zé)嵴羝艿篱L距離水力計算研究

張加蓉，朱 橋，高 嵩，袁 益，吳東梅

(1. 中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，成都 610021；2. 中國能源建設(shè)集團有限公司工程研究院，北京 100022)

0 引言

對于多數(shù)地?zé)犭姀S，地?zé)峋谂c電廠的距離較遠(yuǎn)。為避免長距離輸送兩相流介質(zhì)，通常的設(shè)計思路是先將地?zé)峋诘钠旌衔锓蛛x為地?zé)嵴羝偷責(zé)崴?，再分別進(jìn)行輸送，其中地?zé)嵴羝歉娠柡驼羝?。如何確保飽和蒸汽在管道傳輸過程中熱量損失、壓力損失和管系安全性在可控范圍內(nèi)，是地?zé)犭姀S設(shè)計中亟需解決的問題。

本文以工程熱力學(xué)和流體力學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過研究飽和蒸汽管道的外表面散熱和沿程阻力損失，提出一種分析飽和蒸汽在管道內(nèi)流動狀態(tài)的手段，以滿足工程設(shè)計的需求。

1 管道壓降分析

飽和地?zé)嵴羝陂L距離傳輸?shù)倪^程中，主要受摩擦系數(shù)、管道長度和局部阻力系數(shù)的影響，而管道長度僅由井口位置和管道路由決定，因此對飽和蒸汽管道壓降分析研究的關(guān)鍵在于確定蒸汽流動狀態(tài)和影響壓降等重要因素。

在分析飽和蒸汽流動時，通常都忽略介質(zhì)的壓縮性而把它視作不可壓縮流體并遵守伯努利方程[1]，則在同一管道內(nèi)流動時，其總機械能保持不變。然而，當(dāng)流體以接近聲速運動時，運動過程中各種參數(shù)的變化規(guī)律與不可壓縮流體的運動有著本質(zhì)的差別。結(jié)合DL/T 5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)內(nèi)容[2]，以蒸汽介質(zhì)比容比1.6作為可壓縮流體和不可壓縮流體的計算分界點，對于蒸汽比容變化不大(管道末端與始端介質(zhì)的比容比β≤1.6)的流體，管道壓降受阻力系數(shù)和動壓力影響；而對于蒸汽比容變化較大(β＞1.6)的流體，由于蒸汽比容變化受流速和動壓力的影響更大，蒸汽比容有加速增大的趨勢。當(dāng)蒸汽的比容增大到臨界值時，就會產(chǎn)生大量激波，影響管道安全。

1.1 壓降分析

本次計算的管道規(guī)格選定在外徑273～630 mm的常見無縫鋼管，介質(zhì)流速選取了10 m/s、20 m/s和30 m/s三種流速，并將計算溫度定義在臨界參數(shù)以下的主要溫度區(qū)間，按常見地?zé)嵴羝麉?shù)100 ℃、120 ℃、150 ℃、200 ℃，將不同的管道規(guī)格、設(shè)計溫度、流速數(shù)據(jù)分別進(jìn)行組合，計算各工況下飽和蒸汽管道的蒸汽流速、雷諾數(shù)、動壓力、摩擦系數(shù)、比容比等中間參數(shù)，并以此核算該工況下蒸汽的壓力變化。對于蒸汽比容變化不大(β≤1.6)的飽和蒸汽管道，計算不同參數(shù)下飽和蒸汽β達(dá)到1.6時的管道輸送長度；對于蒸汽比容變化較大(β＞1.6)的飽和蒸汽管道，計算不同參數(shù)下飽和蒸汽達(dá)到臨界狀態(tài)時的比容比、壓降比以及臨界狀態(tài)的管道輸送長度。

1.2 局部阻力計算

對于長距離輸送管道，局部阻力主要來自變頭，可以通過計算單個變頭、三通對管道阻力的影響，再分析每公里管道局部阻力件的數(shù)量，從而評估整個管系中由變頭、三通產(chǎn)生的局部阻力對管道壓降的影響。飽和地?zé)嵴羝艿劳ǔ２捎?個變頭為一組的π形自然補償方式，整個管系的變頭總量很大程度上取決于π形補償?shù)臄?shù)量，而補償?shù)臄?shù)量由其補償能力決定：π形補償?shù)耐馍毂坶L越長，其補償能力越大，那么同等距離管道設(shè)置的補償越少，但布置需更大的空間，反之亦然。因此在工程設(shè)計時，需在布置空間和補償數(shù)量上選取最合理的平衡點。

1.3 不可壓縮流體計算結(jié)果

對于β≤1.6的飽和蒸汽管道，在流速為10 m/s和20 m/s下、始末端蒸汽β=1.6時的傳輸距離計算見表1、表2。

表1 流速10 m/s時比容比β=1.6管道長度 m

表2 流速20 m/s時比容比β=1.6管道長度 m

為滿足管道終端發(fā)電設(shè)備對蒸汽壓力的要求，通過將蒸汽流速控制得較低從而盡量減小管道壓降是地?zé)犭娬镜某Ｒ娫O(shè)計手段，因此本研究較常規(guī)熱電廠的飽和蒸汽流速選取更低。從表1中可以看出，在蒸汽流速10 m/s時，φ273的管道不同溫度下始末端蒸汽β達(dá)到1.6時，管道長度在15 800～22 000 m之間。隨著管道規(guī)格的增大，管道長度逐步增加，φ630的管道不同溫度下管道長度增加到41 000～60 000 m之間。對于相同管徑流速20 m/s的飽和蒸汽管道，與流速10 m/s相比，由于管道內(nèi)飽和蒸汽流量增加了一倍，高流速導(dǎo)致流動阻力增加，飽和蒸汽的比容提升速度更快，管道長度更短。若將蒸汽流速提升至30 m/s，則β達(dá)到1.6的管道長度進(jìn)一步縮短，鑒于本文篇幅有限計算結(jié)果未列表。相對于相同管徑的相同流速，100～200 ℃溫度范圍內(nèi)，β達(dá)到1.6的管道長度隨溫度升高而增長。也就是說，對同樣的管徑，相同的流速，隨著溫度的增加，飽和壓力相應(yīng)提高，比容反而是減小的，因此β達(dá)到1.6的管道長度會增加。如果擴大溫度范圍，在200～250 ℃范圍內(nèi)，β達(dá)到1.6的管道長度最長，此時蒸汽比容變化最小，管道壓降也最小。

1.4 可壓縮流體傳輸距離

隨著可壓縮流體的流動，阻力對其影響越來越大，流體的終端比容和初始比容比也隨之增大。當(dāng)β達(dá)到臨界值時，介質(zhì)以當(dāng)?shù)芈曀倭鲃?，產(chǎn)生激波的概率顯著提升，影響管系安全運行，因此在設(shè)計時應(yīng)避免管道內(nèi)蒸汽接近或達(dá)到臨界狀態(tài)。該部分研究首先利用臨界β的計算公式(式1)[1]，計算出流速30 m/s時，不同管道規(guī)格、不同飽和蒸汽溫度下蒸汽管道的臨界比容比。為了更全面地展現(xiàn)管道規(guī)格和介質(zhì)溫度與臨界比容比的關(guān)系，本次計算將管道規(guī)格和溫度的范圍進(jìn)行了調(diào)整，結(jié)果如表3所示。

表3 流速30 m/s時不同溫度下βc值

式中：βc為臨界比容比；k為絕熱指數(shù)；ξt為摩擦阻力系數(shù)。

可以看出，管道規(guī)格對臨界比容比的影響很小；隨著溫度的上升，臨界比容比從100～200℃呈增長狀態(tài)，在200～250℃之后開始減小。這意味著在200～250℃溫度區(qū)域內(nèi)，飽和蒸汽在管道內(nèi)能夠達(dá)到最大的臨界比容比，獲得最大的安全壓降裕量。因此，對于β＞1.6的飽和蒸汽管道，其達(dá)到臨界比容比時的傳輸距離就是理論上管道的最大安全傳輸距離。通過進(jìn)一步計算，得出了蒸汽流速30 m/s時，不同規(guī)格管道達(dá)到臨界狀態(tài)時的傳輸長度與溫度的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 流速30 m/s時管道達(dá)到臨界狀態(tài)的傳輸長度與溫度關(guān)系

不難發(fā)現(xiàn)，臨界比容比傳輸距離變化趨勢，與不可壓縮流體比容比達(dá)到1.6的傳輸距離的變化趨勢高度一致，所有規(guī)格的管道在200～250 ℃區(qū)間其介質(zhì)傳輸距離最長。再計算蒸汽流速10 m/s和20 m/s時臨界比容比傳輸距離變化，也得出了同樣的結(jié)論，即飽和蒸汽在管道內(nèi)流動時，200～250 ℃是最佳傳輸溫度，在此參數(shù)下沿程壓力損失最小，臨界比容比最大，安全傳輸距離最遠(yuǎn)。但在地?zé)犭姀S常見飽和蒸汽溫度100～200 ℃范圍內(nèi)是隨溫度增加而增長的。

在實際工程應(yīng)用中，輸送一定距離的飽和蒸汽，在管道規(guī)格和流速選擇上，都會遠(yuǎn)小于臨界比容比。利用該值可以在對管道規(guī)格和流速進(jìn)行輸送距離的初判，實際應(yīng)用中安全輸送距離應(yīng)留有足夠余量。

2 溫度及疏水量分析

飽和地?zé)嵴羝陂L距離傳輸?shù)倪^程中，溫度變化受兩方面因素影響：一是隨著管道的散熱，蒸汽的焓值會下降，在假定壓力不變的前提下，則飽和蒸汽的飽和溫度不變，管道的散熱將消耗飽和蒸汽的汽化潛熱，使得部分飽和蒸汽凝結(jié)為水，但溫度基本不變；二是由于在輸送介質(zhì)過程中的壓力損失引起管道壓力降低，這個過程會有焓降，相應(yīng)溫度降低，疏水析出。為減少疏水量，應(yīng)減小管道散熱，同時控制合理的壓降，從而減少溫降。

2.1 保溫計算

對于保溫層厚度的計算有經(jīng)濟厚度法、允許散熱損失計算法以及控制外表面溫度計算法。本研究為定量分析飽和蒸汽管道散熱損失對析出疏水的影響，需統(tǒng)一飽和蒸汽管道的散熱量計算標(biāo)準(zhǔn)，因此采用了允許散熱損失計算法，即根據(jù)管道單位表面最大允許散熱損失來計算保溫厚度。根據(jù)保溫設(shè)計規(guī)程，管道保溫結(jié)構(gòu)外表面散熱損失不得超過表4中的數(shù)值。地?zé)犭姀S的飽和蒸汽管道，運行模式大都為常年運行工況，無季節(jié)性影響。因此，本研究以表4中常年運行工況最大允許散熱損失為計算依據(jù)。

表4 規(guī)程要求的保溫結(jié)構(gòu)外表面允許最大散熱損失

本次計算管道規(guī)格和流速范圍與前述壓降分析中選取一致，并折算相應(yīng)的蒸汽流量，最終計算出不同流速下飽和蒸汽管道每公里的疏水量。定義疏水比例為管道內(nèi)飽和蒸汽疏水量和飽和蒸汽總流量的比值。對于飽和蒸汽管道，疏水比例越低，飽和蒸汽的干度越高，管道內(nèi)水擊隱患越低，管道越安全。另外，由于飽和蒸汽管道設(shè)有經(jīng)常疏水裝置，疏水比例過高會導(dǎo)致飽和蒸汽管道過大的工質(zhì)損失，造成不必要的浪費。因此，對不同流速、不同管徑的飽和蒸汽管道，計算其散熱后的疏水比例，可在安全性和經(jīng)濟性上分析散熱量對飽和蒸汽管道的影響。

2.2 散熱對疏水量影響分析結(jié)果

在相同流量、不同管徑、不同流速下散熱損失對疏水量影響最為直接，研究結(jié)論是，隨著管徑的加大、流速的降低、散熱損失加大，疏水量也隨之增大，該部分疏水量占總疏水量的絕大部分。比較數(shù)據(jù)見表5～表7。

2.3 壓降對疏水量的影響

長輸飽和蒸汽管道，由于阻力造成的壓力損失相應(yīng)帶來焓降及溫降，在這個過程中蒸汽因溫度的降低，部分疏水將從蒸汽中析出。研究的結(jié)論是，相同流量下，如果輸送相同的距離，疏水量與壓降成正比，但壓降引起的疏水比例很小。比較數(shù)據(jù)見表5～表7。

表5 100 ℃飽和蒸汽疏水量(輸送距離2 000 m)

續(xù)表

表6 150 ℃飽和蒸汽疏水量(輸送距離2 000 m)

表7 200 ℃飽和蒸汽疏水量(輸送距離2 000 m)

從以上結(jié)果還可以看出，相同管徑、相同流速下，溫度越高，疏水量越大，但疏水比例越低。

綜上，長輸飽和蒸汽流速的選擇應(yīng)綜合考慮，總的來講，相同流量下流速太低會析出大量疏水，但同時流速太高又會帶來較大的壓力損失。所以，在實際工程中選擇管徑時應(yīng)根據(jù)介質(zhì)溫度及輸送距離，綜合考慮兩者的平衡關(guān)系，選擇合理的流速范圍，避免大量疏水的析出，同時壓降也在合理的范圍內(nèi)，一般約3%～5%之間，以保證管道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3 工程實例分析

下面通過工程實例數(shù)據(jù)，采用本研究的分析方法進(jìn)行水力計算，并與專業(yè)流體模擬軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比，驗證本研究方法的準(zhǔn)確性。

3.1 工程概況

我國某地?zé)岚l(fā)電工程，從地?zé)峋诜蛛x器至發(fā)電機組的飽和蒸汽管道長度約為2 km。在概念設(shè)計階段，水力計算由國外主機廠采用流體模擬軟件WinSim完成。飽和蒸汽管道有兩個計算起點，分別是生產(chǎn)井ZK203和ZK403。兩路飽和蒸汽管道沿設(shè)計路線向廠區(qū)方向布置，在廠區(qū)外三通處匯合后再接入廠區(qū)。因此，本次實例分析將包含三段飽和蒸汽管道的分析：ZK203井支管、ZK403井支管和匯合后蒸汽母管。

3.2 理論計算結(jié)果對比

該電站蒸汽管道參數(shù)如表8所示。

表8 某地?zé)犭娬菊羝艿绤?shù)

根據(jù)參數(shù)，可通過本研究計算出相應(yīng)的管道終端壓力，與WinSim的計算結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表9所示。

表9 本研究計算結(jié)果與WinSim軟件計算結(jié)果對比

通過對關(guān)鍵的計算參數(shù)對比可以發(fā)現(xiàn)，以本研究為基礎(chǔ)的計算結(jié)果和計算軟件WinSim的計算結(jié)果大致相同，計算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3.3 本研究計算和電廠運行數(shù)據(jù)對比

在該電廠穩(wěn)定投運后，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與本研究計算結(jié)果也進(jìn)行了對比，結(jié)果如表10所示。

表10 蒸汽母管的本研究計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比

可以看出，以本研究為基礎(chǔ)的計算結(jié)果和電廠實際運行數(shù)據(jù)接近，表明計算結(jié)果較準(zhǔn)確。

綜上，在缺少相應(yīng)的專業(yè)流體計算軟件情況下，本研究可用于飽和蒸汽管道的定量分析，有效完成長距離飽和地?zé)嵴羝艿赖乃τ嬎恪?/p>

4 結(jié)語

本文針對飽和地?zé)嵴羝艿?，分別從沿程散熱和壓降入手，綜合分析了管道內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)，提出了一種長距離飽和蒸汽管道的水力計算手段。通過與專業(yè)流體模擬軟件計算結(jié)果進(jìn)行對比，本研究計算結(jié)果較準(zhǔn)確，在缺少專業(yè)軟件的情況下，本研究可助力完成管道的水力計算。