径向引入多并联分支管集箱系统流量分配特性研究＊

高茜蕾，许军锋

（西安工业大学 材料与化工学院，西安710021）

在锅炉设备受热面中，常常遇到气液两相流流经集箱并分配到和集箱联接的各并联支管中的流动过程．这种流动问题既是一种带有分支管的复杂系统中的两相流动过程，又是一种变质量的两相流动过程［1］．对于这种复杂的流动，在实际生产过程中，一般都要求气液混合物均匀地流入各并联分支管中去，这是电力设备安全运行和生产得以保证的重要条件［2-3］．如果气液两相流在集箱中的分配情况不良，加上各引出分支管的工作条件不同，造成并联管组内的水动力工况不佳，使其中某些引出管发生传热恶化现象，从而可能发生爆管事故．由于锅炉集箱是将锅炉受热面的管道并联成多管管排进行工作，因此整个受热面管组的工作可靠性就不能保证，严重的会造成停机停炉停电［4］，所以分配集箱中的两相流动特性及分配特性的研究对改善和促进并联管组中两相流量的分配均匀性从而保证锅炉设备工作的可靠性和安全运行有着十分重要的意义．国内外对于如何使两相流均匀的分配到各并联支管中的研究工作取了一定的成果，文献［5］研究了三通管前的流型对三通管中气液两相流体分配均匀性的问题，得出了三通管前不同的进口流型对进入三通管中的两相流的分配有很大的影响．在试验范围内的众多的流型中，只有在一定的环状流流动下，三通管中的气液分配才均匀；文献［6］对水平布置的分配集箱中的空气-水混合物以及气-水混合物的分配均匀性问题进行了一系列研究，结果表明分配集箱中气-水混合物的轴向速度对分配均匀性影响很大，轴向速度高则分配均匀性好；文献［7］对双纵向进口引入多方向分支管水平集箱系统的分支管中的两相流分配特性进行了研究，研究表明进口流速及引入口数对分支管中的气体流量、液体流量及干度影响显著［8］．

在现代工业中，径向引入多分并联支管水平分配集箱系统已经普遍应用在锅炉受热面及其它换热器和凝结器等设备中［9］．径向引入多分支并联管水平集箱系统流量分配性能直接影响相关设备性能，而影响径向引入多分支并联管水平集箱系统流量分配因素有很多，文中就进口气相折算流速和进口液相流速对集箱流量分配的影响进行实验研究，以期获得径向引入多分支并联管水平集箱系统分支管中流量的分配特性．

1 实验系统及实验参数

1．1 实验系统

实验采用的工质为气-水混合物，实验装置由气路回路、水路回路和实验段与分离测试部分组成．实验系统如图1所示．

图1 实验系统Fig．1 Test system

水由水泵从水箱中抽出后分为两路，一路返回水箱，为调节旁路．另一路分为两路，分别经由支路的玻璃转子流量计分进入气-水混合器；空气由空气压缩机增压后经过减压、过滤罐经也分为两路，一路排空，为调节旁路．另一路也分为两路，分别经由支路玻璃转子流量计分别进入气-水混合器与水混合．混合后的空气-水，气水两相流进入一段有稳定作用的有机玻璃管道后径向进入试验段．汽水混合物进入分配集箱后，被分配进入各并联分支管，并联分支管出口直接与Y型分叉管相连接，Y型分叉支管分别进入大、小分罐．进行实验测量时，与被测量的分支管相连的Y型分叉管，通向大罐的分叉管关闭，通向小罐的分叉管打开．其余分叉管进入大罐的分叉支管常通，进入小罐的分叉支管常闭，大、小分离罐之间有差压计相连，通过调节分离罐上部的气体出口阀门开度使大、小分离罐之间的差压为零后进行分相测量．数据采集处理系统包括硬件与软件两部分：硬件部分由计算机、压力传感器、涡轮流量计以及数据采集器组成；软件部分由数据采集程序和数据处理程序组成．

1．2 实验段的设计

实验段是依据直流锅炉的集箱系统，根据现实锅炉集箱系统按照1∶10的比例模化得到．集箱、径向引入管及并联分支管的管径分别确定为∅45 mm×5mm、∅35mm×5mm及∅15mm×5 mm．试验段结构如图2所示（图中单位为mm），集箱为水平放置，2根引入管水平径向引入，11根分支并联管垂直向上引出．试验段用有机玻璃制造，以便可视化研究．

图2 试验段结构Fig．2 Test structure

1．3 实验参数

本次实验参数范围：气相进口折算速度范围为8．394～15．287m·s-1；水相进口折算速度范围为0．057～0．153m·s-1；进口干度范围为0．09～0．3；工作温度为17～22℃（常温）；工作压力范围为0．11～0．13MPa

1．4 实验误差及分析

为了确定本实验的可靠性，对所有工况都进行单独的气相和液相质量平衡测试，质量平衡的误差定义为某相的进口流量与它的总出口流量之间的偏差百分数，即

水相96%的数据的质量平衡误差在5%之内，所有数据的质量平衡误差在5．5%之内；气相有96%的数据的质量平衡误差5%以内．所有数据的质量平衡误差在6%之内．总的来说，有96%的数据质量平衡误差在5%以内．根据误差理论分析，本实验的误差主要来源为实验系统误差和测量误差，实验设备的精度等级对其也有一定的影响．

2 实验结果及分析

2．1 实验数据处理

实验用无量纲量ηi和ηx来评价集箱流量分配．ηi为流量不均系数，评估分支管中液体流量分配不均匀性；ηx为干度不均系数，评估分支管中气体流量分配不均性．ηi定义为

式中：φL为流量标准相对误差；GP为各支管的平均质量流速，kg·m-2·s-1；Gi为支管中的质量流速，kg·m-2·s-1．

干度标准相对误差分析公式为

其中φx为干度标准相对误差．φL和φx反映了流量的分散程度，φL和φx从另一个角度反映了各工况下集箱系统的分配特性，φL和φx的值越大，则表示集箱系统的分配均匀性越差，反之，则反映集箱系统分配均匀性好［10-11］．

2．2 结果分析

对于本实验所用的集箱系统为双径向引入多分支并联管结构．通过多个不同工况的测量，发现双径向引入多并联分支管集箱系统其流量分配如图3（a）和3（b）所示．二引入口正对的2，3，8，9分支管的ηi极大而ηx极小，即进入以上分支管束的气体最多，液体最少，且相差较大，气体主要进入这些管束；集箱中部距二引入口最远的5，6及11分支管的ηi极小而ηx极大，即进入以上分支管束的气体最少，液体最多且相差较大，液相主要进入这些管束．其余分支管束的ηi和ηx变化相对较小，即进入以上分支管气体和液体相差较小，分配相对较为均匀．故按以上规律将集箱系统上的并联分支管分成三组（A组：2，3，8，9；B组：5，6，11；C组：1，4，7，10）．

图3 径向引入多分支并联管水平集箱系统流量分配Fig．3 Flow distribution characteristics in parallel multi-branch level header with radial-turret-injection

当固定进口液体流速Vsl为0．113 2m·s-1，进口气体流速逐渐增加时，实验结果如图4所示．随着进口气体流速Vsg由8．439m·s-1逐渐增加到15．278m·s-1时，B组管束进入水量最多，在最上方，ηi基本保持不变；A组管束进入水量最少，在最底部，ηi随着Vsg增加呈缓慢上升趋势；B组管束介于以上两组管束之间，ηi呈缓慢下降趋势．B组管束与C组管束的ηi呈逐渐汇合趋势．相反地，B组管束在进入的气量最少，在底部，ηi基本保持不变；A组管束进气量最多，在上方，但ηx呈明显的下降趋势；C组管束在A组与B组之间，ηx呈缓慢上升趋势，B组管束与C组管束的ηi呈逐渐汇合趋势．类似的，当进口液体流速Vsl固定为0．057m·s-1和0．085m·s-1时，气体流速Vsg从8．439m·s-1逐渐增加到15．278m·s-1时，其分支管中流量分配情况与在固定进口液体流速Vsl为0．113 2m·s-1，气体流速逐渐增加时的分配相似．进口液体流速对分支管不均匀性的影响如图5所示．由图4可知，当固定进口液体流速，进口气体流速的增大对液体在并联分支管中的分配影响不大，其分配不均性基本保持不变；对气体在并联分支管中的分配不均匀性影响较大，气体的分配不均匀性呈先上升后下降的趋势，拐点为Vsg＝10．191m·s-1．且当固定进口液体流速的增加，气体流速的变化对气体在分支管中的分配不均匀性影响程度逐渐增大．

图4 进口气体流速对分支管气相分配不均匀性的影响Fig．4 Impact of imported gas velocity on the uneven distribution of manifold gas

相反地，当固定进口气体流速为Vsg＝14．154 m·s-1，进口液体流速逐渐增加时，实验结果如图5（a）和5（b）所示．随着进口液体流速Vsl由0．056 6m·s-1逐渐增加到0．113 2m·s-1时，B组管束进入水量最多，在最上方，且其中的第5、6根管的ηi呈上升趋势，第11根管的ηi则为下降；A组管束进入水量最少，在最底部，ηi随着Vsl的增加呈缓慢下降趋势；B组管束介于以上两组管束之间，ηi呈缓慢下降趋势．B组管束与C组管束的ηi呈逐渐汇合趋势．相反地，B组管束在进入的气量最少，在底部，ηx基本保持不变；A组管束进气量最多，在上方，但ηx呈明显的上升趋势；C组管束间于A组与B组之间，除第1根管束的ηx有明显下降趋势外，其余管束的ηx基本保持不变．类似的，当进口气体流速Vsg固定为8．439m·s-1，11．323m·s-1，10．132m·s-1时，液体流速Vsl从0．004 5m·s-1逐渐增加到0．153m·s-1时，当固定进口气体流速Vsg为10．191m·s-1，13．022m·s-1及15．287m·s-1，进口液体流速Vsl分别为0．056 6m·s-1，0．083 5m·s-1及0．113 2m·s-1时，支管中流量分配情况与固定进口气体流速Vsg为14．154m·s-1，液体流速逐渐增加时的分配相似．由图5（c）和图5（d）可知，当固定进口气体流速，进口液体流速增大对液体在并联分支管中的分配影响不大，其分配不均性有逐渐减轻；对气体在并联分支管中的分配不均匀性影响较大，气体的分配不均匀性增大．且随着固定进口气体流速的增加，液体流速的变化对气体在分支管中的分配不均匀性影响程度呈先上升后下降的趋势．

图5 进口液体流速对分支管分配不均匀性的影响Fig．5 Impact of imported liquid flow rate on the uneven distribution of manifold flow

3 结 论

1）固定进口液体流速，随着进口气体流速的增加，分支管中液体分配不均匀性基本保持不变，气体分配不均匀性先增大后降低；且随着固定进口液体流速增加，气体流速改变对分支管中气体分配不均性的影响程度逐渐增加，分配不均性加剧．

2）在固定进口液体流速条件下，进口气体流速增大对液体在并联分支管中的分配影响不明显，分配不均性有缓慢下降的趋势，而对气体在并联分支管中的分配不均匀性影响较大，气体分配不均匀性增大．且随着固定进口气体流速的增加，液体流速的变化对气体在分支管中的分配不均匀性的影响程度呈现先上升后下降的趋势．

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