加热炉炉管中两相流水动力特性分析研究

刘 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天动力研究所， 北京 100000)

加热炉炉管中两相流水动力特性分析研究

刘 雁， 石俊峰， 梁兆惠

(北京航天动力研究所， 北京 100000)

由于焦油中的沥青质及游离碳有结焦的风险，同时要求较高的出口汽化率，焦油汽化加热炉设计对管内流型和加热炉内换热状况有极严格的要求。在调试初期升温及升流量的过程中遇到了并联支路偏流的状况，针对这种状况，本文对并联受热管中水动力特性不稳定的成因、趋势及解决方法进行了探讨。

焦油加热炉； 汽液两相流； 水动力特性

0 前言

煤炭是世界储量最多分布最广的化石能源，大力发展以煤为主的洁净煤技术，将是我国今后能源可持续发展的重要工作。同时，我国又是一个钢铁大国，钢铁行业的发展拉动了焦炭行业的发展。与煤相关的洁净能源技术符合国家的节能减排、保护环境的政策，应用前景广泛。“煤焦油深加工”是指对煤焦油进行的深度加工工艺，生产出更多的下游产品，如轻油、酚、萘、洗油、蒽、沥青等，在此生产过程中要用到焦油加热炉。

焦油加热炉被加热介质为无水焦油，介质进入加热炉时为液相，被加热后为汽液两相。加热炉设计中，换热盘管以多路并联炉管居多，不可避免会出现偏流现象，造成出口各支管的介质温度和汽化率出现偏差的情况。某项目焦油加热炉在运行调试初期出现了这种情况。经过理论分析及探讨，发现并联管路中两相流水动力特性不稳定的特性决定了支管偏流的状况。现场通过调整相关工艺条件、热力参数来改善换热状况，并进一步提出了改进措施，有效地减小偏流状况。

1 水动力特性理论分析

假定在恒定热流密度条件下，炉管中强制流动的介质的质量流量与介质压降之间的关系形成受热管的水动力特性。在受热并联蒸发管中，当设计不良时，会发生水动力不稳定和脉动现象。当发生水动力不稳定时，各并联蒸发管中，虽然各管两端压力差相同但各管中的流量却不相同，并且各管中的流量可以时大时小，做非周期的变化。此时各出口的工质的状况也是不均衡的，有的输出过热蒸汽，有的输出汽液混合物，有的可能是液体。

并联蒸发管是加热炉布置型式中最基本的型式。首先讨论水平并联蒸发管的水动力特性。

当单相流体流过管子时，其流动压力降主要由两部分组成，即沿程摩擦阻力降和局部阻力降。可表示为：

(1)

式中 ∑ξ—各项局部阻力系数之和；

λ—沿程阻力系数；

ρ1—液体密度,kg/m3；

w—液体质量流量,kg/s；

l—管子长度,m；D—管子直径,m；

A—管子流通截面面积,m2。

在公式(1)中，除在上式中，除ΔP和w外，其余各值均为常数。根据公式(1)可得图1所示的ΔP=f(W)曲线。这是一根单调上升的二次曲线，相应于一个压力降只有一个对应的质量流量。并且经过零点，流量为零时，压力降也为零。

图1 ΔP=f(W)曲线(单相流)

但是，在一根进口工质具有欠热的未饱和液体，在管中经吸热后逐渐蒸发而在出口处工质已经成为汽液混合物的管子中，其水动力特性曲线会变成一根三次曲线，汽液两相流的水动力特性完全不同于单相流，且较为复杂。

图2所示为一进口工质为未饱和液体，出口工质为汽液混合物的水平蒸发管的示意图。

图2 汽液混合物水平蒸发管示意图

管内工质做强制流动，沿管子长度工质均匀受热，管子长度为l，热液段长度为L1，蒸发段长度Lm，工质质量流量为w。进口工质的参数以角码1表示，出口工质参数以角码2表示。蒸发管的压力降可近似认为等于其沿程阻力损失和局部阻力损失之和。将蒸发段中汽液两相流体看作均相流体，则压力降[1]为:

(2)

式中ρc—饱和汽密度；

x—管子出口干度。

式中r—汽化潜热

将LL，Lm及x计算式带入到式(2)中，可得：

(3)

式中vG—饱和汽的比容;

vl—饱和液的比容。

如令：

则公式(3)可以改写为

ΔP=AW2-BW2+CW

(4)

公式(3)中，当q及工质的物性参数确定后，A，B及C均为常数，因此，公式(4)所表示的工质的质量流量和压力降的关系曲线，即水动力特性曲线，为一根三次曲线，如图3所示。

图3 汽液两相流水动力特性曲线

图3可见，在同一压力降ΔP下，并联蒸发管中可能有3种不同的流量，因此这种水动力特性表现为多值性。

加热炉设计时尽量避免在蒸发管中出现水动力不稳定状况，在这里需要对消除管子水动力特性曲线不稳定的条件做进一步讨论。根据数学分析，要使公式(4)所代表的曲线成为单调上升的曲线，必须满足下列条件：曲线不应有极值，只允许有一个拐点。因此，公式(4)的一次导数的根为虚数或二次导数等于零。对公式(4)求导，并使其等于零，可得下列二次代数方程式：

(5)

当B2-3AC才<0时，W值为虚数，故得无极值点的条件之一为B2-3AC<0。

再求二次导数为零时的条件，对公式(5)进一步求导并使之等于零，可得：

(6)

由公式(6)可解得

(7)

将公式(7)带入到公式(5)，则

(8)

综合以上分析，要使公式(4)所示的曲线为单调上升曲线的条件是

(9)

将A，B及C的值带入到公式(9)中，可得：

(10)

为保证ΔP=f(W)曲线具有一定陡度，在公式(9)中右端分母上乘以修正系数α。因此判别并联蒸发管中水动力特性是否稳定的准则可写成：

(11)

所以，当管子进口处工质欠焓小于公式(11)的计算值，并联水平蒸发管中的水动力特性是稳定的。在垂直并联蒸发管中必须计及的压力降除了沿程阻力损失和局部阻力损失，还有重位压力降。若对单根管而言，重位压力降对垂直上升管起到稳定水动力特性的问题，对U型管来说，重位压力降会使水动力特性曲线变为多值性。但是，对于做多次上升和下降布置的并联蒸发管，由于其流动阻力压力降在总压力降中所占的比重大而使重位压力降所占的比重减小，因而重位压力降对水动力特性稳定性的影响减少。当上升管及下降管的总数大于10，管子水动力特性是否稳定主要取决于管子的流动阻力特性曲线是否稳定，亦取决于沿程阻力压力降和局部阻力损失与流量的关系是否稳定。如阻力特性曲线是单值的，则管子的水动力特性曲线是稳定的，反之，是不稳定的。此时，可用公式(11)进行判定。对于加热炉内的管系，亦用公式(11)进行水动力稳定性的判别。

以上是从数学角度分析了进口工质为带欠焓液体的蒸发管中水动力特性不稳定的可能性。从物理上分析，发生水动力特性曲线不稳定或多值的主要原因是随着流量的增加，蒸发段中汽液混合物平均比容急剧变化造成蒸发段的压力降先增大、后降低而引起的，即由于汽相和液相的比容不同引起的[2]。增加进口压力，减少介质进口欠焓及增加受热管段的热流密度都会稳定两相流的水动力特性曲线有贡献。

2 计算原理及现场运行数据分析

采用FRNC-5PC工艺核算软件来完成焦油加热炉的模拟计算。将焦油在加热炉中加热过程分成若干管段进行压力平衡、热平衡及相平衡的计算。同时对管段内油料的流型和流速进行严格计算，确保流速不超过临界流速，流型达到较理想的环雾流和雾状流的流动状态。软件根据恩氏或实沸点蒸馏数据点拟合得到一条连续的曲线，可自动产生组成该油料的各虚拟组分做为油品的物性参数参与计算。

图4 支管介质温度与加热出口温度的关系

从某项目焦油加热炉现场采集的运行数据可以充分证明汽液两相流水动力特性多值性的问题。加热炉被加热介质为无水焦油，介质进入到进口集合管中，此时为纯液相，分为两个流程进入到炉内进行加热，出口是汽液两相的流体。在两个出口支路上各安装一支热电阻，用于测量每个支路介质的温度。通过监测每个支路介质的温度来判断是否偏流。从现场采集的运行数据可以看出，在初始的升温状态，焦油介质在进出口温度和压力下均为液相。这时，介质的水动力特性曲线具有单值性的特点。支管1和支管2的介质温差较小，在出口加热温度逐渐升高的过程中，焦油在对应的进口温度和压力下为液相，经过管内加热后，出口介质变为汽液两相，两路支管的介质温差逐步加大，介质在加热的过程中出现了水动力特性不稳定的状况。支管1较支管2温度低，且汽化率也低，显然进入到支管1中的介质流量大于支管2，此时水动力状态不稳定。

表1 炉管内介质单相流及两相流运行数据比较

因此，在加热炉运行中，进口介质为单相流，出口介质为汽液两相流，则并联的管路中不可避免会出现水动力特性不稳定的现象，出口汽化率越高，不稳定现象越突出，而提高介质流量、进口压力或减少蒸发段长度有助于水动力特性的稳定。在加热炉的设计和运行中要考虑解决水动力特性不稳定的现象。另外，在焦油加热炉的实际运行中，工艺参数需与原设计参数保持高度一致性，工艺条件如果偏差较大，会极大影响加热炉的运行状态，同时空气过剩系数、换热强度、燃烧器的燃烧状态均会对加热炉的运行造成影响。

3 解决方法

汽相炉设计时，首先考虑尽量不使用多路并联盘管，尽量使用单路盘管的形式。但是，对于负荷较大或介质处理量较大的加热炉，整台加热炉只设置一个流路不能满足压降、结构及经济性的要求，那么必须要设置多个流路。在这种情况下，就要充分考虑水动力特性不稳定的影响。首先，集合管的设计要做到尽量沿程及局部阻力损失一致，可以做成如图5所示。

其次，需要在每个支路进口上安装流量计和流量调节阀，同时要保证在调节阀前的介质为纯液相。在每个支路的出口设置温度测点。设备运行时，当介质流量稳定后，可通过出口支路上的温度测点的反馈值，动作进口支路上的调节阀，使出口支路上的温度值一致，满足工艺的要求。

图5 集合管流路分布图

4 结束语

由于焦油组成复杂，缺少稳定全面的物理特性数据，焦油加热炉本身的设计难度远高于一般加热炉；而且焦油介质操作温度高，易裂解；焦油在加热炉炉管内两相流流动过程极可能偏离设计点，需要对管内流动进行包括相平衡、热平衡、压力平衡、流型判别及流速限制等多方面的计算，同时需要对管内油料的流型和流速进行严格计算，确保流速不超过临界流速，流型达到较理想的环雾流和雾状流流型。另外，也要关注在焦油加热炉炉管内流型的变化，考虑运行过程中出现水动力特性不稳定的问题。因此了解加热炉水动力特性曲线多值性的现象，才能更好解决水动力不稳定的问题，使焦油加热炉在合适的流型内安全运行。

[1] 林宗虎.汽液两相流和沸腾传热[M].西安：西安交通大学出版社，2003.

[2] 鲁钟琪.两相流与沸腾传热[M].北京：清华大学出版社，2002.

Hydrodynamic Characteristics Research of Two-phase Flow in Heater Coil

LIU Yan, SHI Jun-feng, LIANG Zhao-hui

Flow pattern and heat exchange condition should be analyzed because of coking properties of bituminous and free carbon and high vaporization. Flow mal-distribution in parallel paths is occurred during initial stage of operation of rising temperature and flow. The paper introduces cause of hydrodynamic characteristic instability, tendency and solution.

coal tar heater； two-phase flow； hydrodynamic characteristic

2015-01-12

刘 雁(1980-)，女，高级工程师，硕士研究生，主要从事工业炉设计工作。

TE963

B

1003-8884(2015)04-0027-05