热力生产过程中饱和水流动的探讨

王 雷,吉雪宁

(山西焦煤霍州煤电集团公司方山电厂)

热力生产过程中饱和水流动的探讨

王 雷①,吉雪宁

(山西焦煤霍州煤电集团公司方山电厂)

对直接空冷回水过程进行了分析,利用流体力学和水工学中压力流、射流、无压流的相关理论方法,描述了凝水管道中饱和水的流型及变化,论述了回水状态的变化和对热力系和管道布置的影响。

直接空冷;饱和水;流动形态;回水管道布置;凝水品质;管道振动;分析

在热力生产过程中,动力装置的工质多为水蒸汽,主要是因为其自然存量大,廉价易得,性质稳定。但在常态与现阶段技术水平下,水蒸汽离气态较远更接近液态(分子间距小,容易集态变化),所以理想气体的状态变化及推导出的所有特性关系并不适用于水与水蒸汽。因此,自18世纪以来,人类分析、测定水与蒸汽的状态性质的工作从未间断过。

1 饱和态流动最为常见

动力循环(自然循环)中,水与蒸汽多数时间在饱和线左右徘徊,例如在热电厂中多数设备汽机排汽至凝汽器、冷凝水、高低压加热器、除氧器、省煤器、汽包、水冷壁等。水在饱和态(俗称沸腾)时,其内部和表面都发生汽化,同时气态分子液化量等同于液态分子汽化量。而且一定范围内,水的饱和态存在饱和压力与饱和温度对应的情况(如1 atm下对应100℃的水),要把一个大气压力下的饱和水全部转化成干饱和蒸汽时,每千克饱和水要吸收一定热量(汽化潜热γ)整个过程水与蒸汽温度不变。在实际的系统中,并没有宏观的静态饱和水,上述过程与状态,会发生在容器类,而且还要有管道内的流动已实现工质的转移。通常人们的计算法为:

饱和水或蒸汽的流动,依据黏性流体总流的一元流动伯努利方程(Bernoullis equation):

其中,下标表示流束基准横截面位置,前三项分别为位势能、压势能、动势能,末项为流动势能损失。前三项均可以使用直观测量的办法进行计算,a为总流的动能修正系数是由于截面上速度分布不均而引起的,实际管道中a=1.0。而末项h′w=沿程阻力损失+局部阻力损失,沿程阻力损失

其中,λ为沿程阻力系数。

饱和流动过程同时还是热力过程:遵循热力学第一定律,E=EK+EP+U,对流动过程具体形式为:

式中:

q—单位质量工质的热交换量;

h—焓值;

c—速度,末项为轴功(管道流可忽略此项)。

2 对当下流行的空冷饱和水流动分析

现选择对采用直接空冷发电机组的空冷凝结回水进行分析,基本环境参数及计算如下(以山西焦煤霍州煤电方山电厂为例):

空冷平台据凝结水箱(排汽装置底层)为20.3 m,A型架顶蒸汽分配管中心距空冷平台高8.802 m,凝结水回水管DN300,大致连接方式见图1:

图1 饱和工质流动实例示意图

在最大负荷时空冷冷却流量:182.3 t/h,入口蒸汽参数:34 kPa,蒸汽对空冷放热量111.53 MW。由饱和水与饱和蒸汽热力性质得:0.034 MPa饱和温度72℃。

焓值:(按IAPWS-IF97公式)

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

按照每千克排汽空冷放冷却热值(设计值按没有凝结水过冷度计算)得2 202.41 kJ/kg。

按:hX=h′+x(h″-h′)计算:

得干度:

计算排汽比容为:

排汽容积流量为:8.1×105m3/h,在空冷为定压放热过程。

在凝结水集箱到排汽装置喷淋口对流态分析:在空冷换热下联箱至回水管段为渠道无压流,过流断面为扇面状,称为A段;在逆流段联箱下方,水流下落流入回水总管,称为B段;汇合在回水总管后,下落垂直管段C;在重力作用下的流段,垂直管段人为设置一个分界点@以上部分为D段;分界点@以后为压力流E段。其中的分界点位置并不能准确界定,只是为下面的分析方便。

设想从排汽装置喷淋孔向后看,E段回水量的增加,喷淋孔通流量有限,压力段长度会增长,直至静压增长,喷孔流量增加依据:

设管道内压力P、静压水柱高H、凝水密度ρ、末端水流速V、喷孔面积S=π г2、X为喷管内表压,则有伯努利方程:

则:当H增加,V增加(QV=SV),即流量QV增加。

在流量增加到一定值时,从上游落水量与之平衡,分界点@位置不再变化。在分界点@以上的D段,回水受重力影响最大,其次流体部分受管道边界约束部分与气体接触,是典型的饱和水垂直无压流,特别需注意的是:

暂忽略左右水量的不一致和其他力而形成旋涡流。在回水总管下落三通处,由于水流的突然向下加速(重力),在此处的工质是饱和水,微小加速就会引起其密度的减小,发生在液体内部可忽略水头损失,而位能的落差几乎为零,在伯努利方程(伯努利方程的应用条件是定常不可压流体,在此使用只为说明趋势,不能详尽计算)中:

由于V2的增加,ρ2已降低,位势z2降低,压力必然降低(即是加速压降现象)。温度不变,压力已降至凝水压力以下,宏观状态看,此时水会发生再次生成饱和蒸汽,过程为:溶解气体首先从液体中析出,形成气核在液体中上溢,沿着管截面中心向下,速度会越来越快,部分流体出现闪蒸,见图2。

图2 部分流体出现闪蒸示意图

在垂直管近管壁位置,由于水的黏度和边界层的存在,由管中心到管壁(图中的r方向)流速存在梯度,管入口形成如图2的水漏斗状,可知,管中心的压力最低。

在漏斗区内,压力急剧下降,在漏斗中心产生一个很大的吸力,对外围的流体具有抽吸作用。

图3 管入口形成水漏斗状示意图

水流沿管道向下重力加速,在管道中心到管壁间的液膜中产生饱和蒸汽溢出,从而撕裂液膜。主要过程:均质水中溶氧等杂质气体存在,压力降低是形成小气泡(气核),之后各种气体聚合,破坏水分子间的抗拉强度(破坏连续性),溢出。水流开始分散,粒化,部分水粒再受管壁束缚聚合成液流(附壁效应)向下运动。

据上所述,自凝水总管三通到垂直下降管BC段,饱和水会发生闪蒸,重力加速,连续性破坏,自由表面破碎等过程,结果是水速湍动,回水卷吸大量气体形成气液二相液滴。

图4 气体析出示意图

掺入气体后的凝水,可压缩性大大增强,在凝水落入@点后,液流速度骤然降低,入掺的气体会因压力增加(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、聚合溃灭,在@点及以下形成压缩波和微射流激波,激波在凝水中传播,最终被管壁吸收(宏观的管道振源),按c21)+g(z2-z1)+ws,该过程近似为绝热过程q=0, @点位置不变,宏观的速度忽略,位势差忽略,开口系有功的输出,焓值降低。在此处表现为,凝水的温降,使过冷品质下降。

如果@点的位置出现在一段水平管上端弯头时,@点以下形成了半压力流,随着水位的波流,入掺水流的气体,会聚合在水平管段,随着水流动,而气流速较慢,形成典型的气液两相流,在气体没有外力加速的情况下,此流体会造成管道噪声与振动。

3 结 论

综上所述,可知一套空冷回水管道因为其工质的特殊,并不是简单的重力回流雨水落斗(垂直管),也不是压力回水(因为压力流管道规范规定:钢管拐弯处及钢管连接阀门处的空蚀空化的原因是由于急变流的条件下产生的脱流而形成气蚀现象,所以压力管道转弯半径应取管道直径的3～5倍)。凝水在其中经历了流体的所有流型(无压流、压力流、射流),而且工质的流动状态还会随热力系的工况变化而变化,甚至影响热机工作,例如,凝水溶氧,过冷度增大,管道强烈振动等情况,前两个缺陷都可以被其他附属设备纠正,但某些负荷下管道振动却经常发生,如大唐托克托电厂空冷(见《托电2008年空冷运行总结》)、方山电厂空冷等都有此类问题。

目前,直接空冷回水管道布置方式主要有如下两种方式,见图5,图6。

图5 直接空冷回水管道布置方式一

图6 直接空冷回水管道布置布置方式二

由换热器联箱下落至横向布置的母管,再由母管三通垂直落下水平管回排汽装置。布置特点是:结构紧促整齐,多沿空冷平台水泥支柱布置,方便了管道的支撑悬吊。

母管布置在风机群中间,下流过程中不断利用弯头与水平短管缓解大落差,末端使用长管坡度布置,既能减少钢材用量,又能缓解突变流发生。

以上布置方式,各有优点,但在防止产生对热力系不利因素方面都有欠缺。空冷回水的流态与管道布置研究前景大有可为,作者认为除了局部的专业水工计算,还可类比利用自然锅炉水循环动力研究方法整体研究直接空冷水汽循环动力,希望本文能抛砖引玉,得到相关专家对直接空冷回水的关注研究。

[1] 周云龙,洪文鹏.程流体力学[M].北京:中国电力出版社,2004:69-70,123-124.

[2] 靳智平.汽轮机原理及系统[M].北京:中国电力出版社,2004:47-50.

[3] 温 高.发电厂空冷技术[M].北京:中国电力出版社,2008:103-104.

[4] 王树众,林宗虎,王妍芄.垂直下降管中两相流的流型及液相黏度对流型的影响[J].应用力学学报,1998(3):32-33.

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年毕业于太原电力高等专科学校 技术员 方山 033100