电厂管道设计中两相流设计及应用探究

刘兴辉

【摘要】在对火力发电厂汽液两相流动管道的工作中，由于加热管疏水管道水位异常通常会造成疏水装置水流不通畅等问题，因此为了针对疏水管道两相流动所引发的管道振动问题进行处理，就必须要对两相流管道设计进行优化，从而保证火力发电厂机组运行的安全性与电厂运营的经济性。本文首先阐述了加热器疏水管道的工艺流程，并结合工艺流程对管道中相变产生的机理进行了分析。最后在两相流阻力计算与分析的基础上，结合电厂的实际应用对两相流设计进行总结。

【关键词】火力发电厂；管道设计；两相流设计；应用探究

1.加热器疏水管道工作流程阐述

在火力发电厂的管道设计与施工中，两相流管道的应用范围很广，包括加热器疏水管道、暖风器疏水管道、锅炉水冷壁以及直流锅炉汽水分离器疏水管道等，两相流管道在不同设备中的应用，也使得管道问题的种类表现出了多样性。就当前我国火力发电厂的实际运行状况进行分析，中大型的汽轮机组在运行工作中，都是首先利用加热器对自汽机本体抽取的蒸汽进行换热处理，然后再利用疏水逐级自流的方式对凝结水或饱和水进行收集，最后实现对工质及其所携带热量的充分吸收。在加热器疏水管道的工作流程中，给水加热器在对水进行高压与低压加热后，高压加热所得到的蒸汽进入除氧器中，低压加热得到的蒸汽则进入凝汽器中，最后利用调压阀的协调工作，有效的实现机组的管道疏水。但在火力发电厂机组的实际运行中，机组工作的开展常因两相流管道中汽液流体的高速混合流动等因素而导致机组管道发生振动，在汽液不规则运动状态的长期影响下，导致管道的振动日渐剧烈，最终因汽液状态水分的流失造成机组的热经济性降低，不仅严重影响了发电机组运行的稳定性，也增大了机组与管道系统的安全风险，因此为了切实性的提高火力发电厂机组的运行效率，还需要对两相流管道的安装进行更为科学合理的设计，降低管道中两相流现象对管道系统稳定性的不良影响。

2.疏水管道相变产生机理分析

通过对火力发电厂疏水管道工作流程进行分析可以发现，在机组进行疏水逐级自流的工作过程中，由于高压力的凝结水与饱和水在管道流动中阻力较大，并且管道入口处极易因压力差而产生重位压降，加之调压闸阀与阀门的相互作用，更会降低管道中的疏水压力，从而使管道所运输的疏水出现过饱和现象，导致管道中汽液两相流问题的出现。在对疏水管道的汽液流相变进行机理分析时，可以将火力发电厂中机组运行的工质设为稳定的动态参量，根据q=Δm+ρΔu-2·1/2+ρgΔz+ws（式中的q、u、ρ分别表示工质吸热量，工质流速与工质密度，m表示单位工质的质量焓值，ws與z分别代表单位工质对外轴功以及管道中心的标高差）这一稳定流动能量方程进行推算可以得知，在火力发电厂的绝热疏水管道热量流动中，当管道热量损失q=0，管道内部的工质以及汽液流动对管道轴向做功ws也为零时，并可以将q，ws两个零数值带入到稳定流动能量方程中，则可得：0=Δm+ρΔu-2·1/2+ρgΔz，因此，根据带入数值后的方程式进行分析可知，在积机组管道中凝结水压力降低作用的影响下，饱和水的焓值也会逐渐降低，而当疏水管道中凝结水与饱和水平均焓值低于其他疏水入口时，便会部分凝结水与饱和水发生相变，进而造成管道中汽液两相流动现象的发生。

3.两相流阻力计算方法分析

为了针对性的处理火力发电厂中输水管道的两相流现象，首先要对机组管道中的两相流阻力进行准确的计算与分析，通过对两相流水进行积分动力运算，从而为管道的设计与实际安装提供更为丰富的数据参考，在保证火力发电厂机组稳定运行的同时，最大限度的提高管道的使用耐久度与稳定性。就我国火力发电厂管道设计的计算方法进行分析，主要采用了ΔPF=ФλL（ρmum）2·（1+x（ρI-ρG）/ρG）/2ρL这一水循环计算法，式中的ΔPF代表两相流压浆，L与D则分别表示管道的长度与内径，x表示管道干度，λ则代表单项液体在管道内流动的阻力系数。我国火力发电厂管道设计在这一公式计算的基础上，对不同质量流率下的管道摩擦压浆系数进行了重新定义，当质量流率低于1000kg/（m2·s）时，Ф=1+（x-x2）·（（1000-ρu）/ρu）·ρI/ρL，当质量流率等于1000kg/（m2·s）时，Ф=0，而质量流率高于1000kg/（m2·s）时，Ф=1+（x-x2）·（（1000-ρu）/ρu）·ρI/（ρG+（1-x）·（ρL-ρG））。而由于我国火力发电厂的锅炉水动力与其他国家存在较大差异，因此这一计量工质多适用于压力高于1MPa的工质条件下，当发电厂的机组工质低于这一标准时，便会出现较大的计量误差。

4.两相流设计应用探究

为了更为深入的探究两相流管道设计的实际应用，现以某火力发电厂的600MW机组疏水管道的设计为例进行分析。在这一火力发电厂中机组中，汽轮机某汽轮机厂生产的N600-24.2/566/566型汽轮机，在额定运行状态下，加热器6个管道的疏水参数如表1所示：

表1 N600-24.2/566/566型汽轮机疏水参数

管道编号 入口流量/（t·h-1） 入口温度/℃ 入口压力/MPa 出口压力/MPa 出口管道内径/mm

1 115.5 260.9 6.748 4.478 236

2 257.6 220.5 4.475 3.264 354

3 326.0 193.0 2.153 1.074 397

4 46.1 120.8 0.368 0.200 205

5 90.3 102.1 0.200 0.103 200

在这一汽轮机的1、2号输水管道设计中，主要采用了水平布置方法，将重位压降控制在零，由于在输水管的额定运行状态下已经发生相变，因此可以对机组中动压所导致的压降进行忽略处理。在1、2号管道的凝结水输送中，工质及混合物的干度保持在2.5左右，平均密度为423kg/m3，其流动速率大小为1.78m/s。1、2号疏水管道的中阀门的阻力系数为0.5，管道的平均粗糙程度约为0.23，因此当工质进入管道后，由于阀门与管道存在摩擦阻力，因此管道中的单相液体在到达调节阀之前不会发生相变。机组中的3号高压加热器主要负责将疏水输送到除氧器中，由于3号管道中调压阀的两相摩擦系数较大，因此为了满足管道输送的阻力要求，就要将调压阀位置进行调整，通过将其布置在除氧器附近，便可以对两相流管道长度进行有效的控制，两相流管道长度的减小以及管径的增加，都会促使管道的疏水进出口阻力增加，进而更加有效的避免机组管道中两相流问题的出现，为火力发电厂机组设备与管道的稳定运行提供有力的保障。

5.结束语

在火力发电厂的加热器疏水管道设计中，为了最大限度的提高疏水过程的流畅性，从而避免管道因两相水流冲刷或撞击而造成振动，就要在实际设计与安装中更多的采用汽液两相流装置，在保证工程施工成本的基础上降低机械故障对管道疏水工作的影响，为了更为全面的防止水流不畅等问题的出现，还要在管道设计中选用大管径管材，并合理的布置弯头位置，从而最大限度的提升加热器疏水管道的工作效能。

【参考文献】

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[2]张祖辉. 超超临界机组高温高压管道应用分析[D].华北电力大学，2011.

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