核電廠給水加熱器疏水調(diào)閥后管道計(jì)算選型

代恩巖+王學(xué)華

摘 要：核電廠給水加熱器疏水調(diào)閥后管道內(nèi)介質(zhì)一般為汽液兩相流，其管道規(guī)格選型一般采用經(jīng)驗(yàn)做法，缺乏詳細(xì)的定量計(jì)算。文章在從工程熱力學(xué)和流體力學(xué)角度闡述了電廠加熱器疏水調(diào)閥后介質(zhì)汽液兩相流產(chǎn)生的機(jī)理，基于核電廠常規(guī)島加熱器疏水的典型工作流程，建立數(shù)學(xué)模型并研究確定加熱器疏水調(diào)閥后管道選型計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：核電廠；疏水；汽液兩相流；管道選型

中圖分類號：TK264 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0011-03

1 引 言

核電廠常規(guī)島用汽輪機(jī)抽汽加熱給水進(jìn)行回?zé)幔蕴岣邫C(jī)組效率。給水加熱器的疏水為飽和或微過冷狀態(tài)，在疏水調(diào)閥的節(jié)流作用下，極易汽化而形成汽液兩相流，介質(zhì)比容變大。如果相應(yīng)的管道口徑過小，則會使管道內(nèi)介質(zhì)流速過大，導(dǎo)致管系振動和金屬管道磨蝕，給電廠的穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。而電廠系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，對汽液兩相流管道的規(guī)格選型，一般簡單地選用比調(diào)閥前管道大一規(guī)格管道的經(jīng)驗(yàn)做法，缺乏定量計(jì)算，設(shè)計(jì)的精確度難以保證。

本文首先從工程熱力學(xué)和流體力學(xué)角度闡述了核電廠加熱器疏水調(diào)閥后汽液兩相流產(chǎn)生的機(jī)理，然后針對疏水調(diào)閥后介質(zhì)的比容計(jì)算、管道選型等問題進(jìn)行分析研究，提出了一種簡單、實(shí)用的加熱器疏水調(diào)閥后汽液兩相流介質(zhì)管道計(jì)算選型方法，彌補(bǔ)了常規(guī)做法缺乏定量計(jì)算的缺點(diǎn)，可提高核電廠設(shè)計(jì)的精確度。

2 疏水管道中汽液兩相流產(chǎn)生的機(jī)理

2.1 核電廠加熱器疏水的典型工作過程

核電廠給水加熱器一般采用管殼式換熱器。加熱蒸汽進(jìn)入換熱器的殼側(cè)，與管側(cè)的給水換熱后形成所在壓力下的飽和或微過冷的凝結(jié)水。為了回收這些凝結(jié)水，并利用其攜帶的熱量，一般采用逐級自流的方式，使高一級加熱器的疏水進(jìn)入低一級加熱器，最終匯入給水循環(huán)中。加熱器一般設(shè)置正常疏水管路和危急疏水管路。

正常運(yùn)行時(shí)，加熱器內(nèi)的疏水通過正常疏水管路進(jìn)入低一級換熱器；在事故工況下，加熱器內(nèi)的疏水通過危急疏水管路直接進(jìn)入凝汽器。

2.2 汽液兩相流產(chǎn)生的機(jī)理

絕熱節(jié)流前后介質(zhì)參數(shù)變化，如圖1所示。

流體在管道中流動，遇到突然變窄的斷面（如調(diào)閥），由于存在阻力使流體壓力降低的現(xiàn)象稱為節(jié)流。節(jié)流過程中，流體來不及與外界進(jìn)行換熱也沒有功量的傳遞，可理想化為絕熱節(jié)流[1]。

核電廠給水加熱器疏水管道均有很好的保溫措施，疏水通過調(diào)閥的過程可視為絕熱節(jié)流。疏水在絕熱節(jié)流的過程中，縮口處壓力Pvc低于汽化壓力Pv時(shí)，就會汽化產(chǎn)生氣泡。

由于加熱器的疏水為飽和或者微過冷的凝結(jié)水，P1≈Pv，流經(jīng)疏水調(diào)閥時(shí)，在調(diào)閥的節(jié)流作用下，疏水壓力極易低于Pv而產(chǎn)生汽化，汽化產(chǎn)生的蒸汽與疏水混合形成汽液兩相流。若P2也小于Pv，則產(chǎn)生的氣泡會一直存在于水中，疏水以兩相流動形式進(jìn)入下一級容器。

3 疏水調(diào)閥后管道計(jì)算選型方法

3.1 計(jì)算選型依據(jù)

核電廠給水加熱器疏水調(diào)閥管道計(jì)算選型的主要依據(jù)包括：

①基于汽液兩相流均相流模型，即將汽液兩相流體看作一種均勻混合的介質(zhì)[2]；

②機(jī)組熱平衡圖；

③《核電廠常規(guī)島汽水管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T20193-2012）。

3.2 計(jì)算選型過程及說明

給水加熱器疏水調(diào)閥后管道計(jì)算選型的過程，如圖2所示。

計(jì)算步驟說明如下：

①阻塞流判斷：判斷阻塞流產(chǎn)生的條件為PR

②確定管系末端壓力：對于加熱器正常疏水管道，管系末端壓力為疏水接收容器壓力，即PR=P2；對于加熱器危急疏水管道，管系末端一般設(shè)置多孔管或孔板等阻尼裝置，相應(yīng)壓力應(yīng)由凝汽器廠家提供，在未得到廠家數(shù)據(jù)前，可參考下表選取，見表1。

③計(jì)算汽液兩相流比容：由于絕熱節(jié)流前后焓值不變，而汽液兩相流的總焓值為其中疏水焓值與蒸汽焓值之和，由此求得汽液兩相流中蒸汽的干度，進(jìn)而可求出兩相流的比容。

4 計(jì)算實(shí)例及分析

以某核電廠疏水調(diào)閥后管道選型為例，運(yùn)用上述計(jì)算方法校核疏水調(diào)閥后管道選型。

4.1 計(jì)算輸入

依據(jù)機(jī)組熱平衡圖，確定相關(guān)計(jì)算輸入數(shù)據(jù)，見表2。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

運(yùn)用本文提出的管道計(jì)算選型方法，得到如下計(jì)算結(jié)果，見表3。

由表3可見，對于4號低加和6號高加危急疏水調(diào)閥后管道，設(shè)計(jì)工況下，原設(shè)計(jì)管道內(nèi)介質(zhì)流速分別為104.9 ms/和103.9 m/s，超過了核管規(guī)推薦的20～100 m/s的流速范圍，而通過本課題自主開發(fā)計(jì)算工具選取的管道中介質(zhì)流速分別為81.8 m/s和85.8 m/s，滿足核管規(guī)推薦的流速范圍20～100 m/s。需要說明的是，核管規(guī)中的流速范圍不是強(qiáng)制要求，即原設(shè)計(jì)選用管道規(guī)格并不是不可行，但顯然，本文中管道選型計(jì)算方法較以往的設(shè)計(jì)方法精確度更高。而對于陽江7號高加正常疏水管道，由于接受容器的壓力較高，汽液兩相流比容較小，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，選用與疏水調(diào)閥前相同公稱直徑的管道皆可滿足流速的要求。

5 結(jié) 語

核電廠給水加熱器疏水調(diào)閥后介質(zhì)一般為汽液兩相流，針對單相流體的管道計(jì)算選型方法不再使用。

本文首先度闡述了核電廠加熱器疏水調(diào)閥后汽液兩相流產(chǎn)生的機(jī)理，然后針對核電廠給水加熱器疏水的典型過程進(jìn)行了建模和分析，提出了給水加熱器疏水調(diào)閥后汽液兩相流介質(zhì)管道定量計(jì)算選型方法。形成的主要結(jié)論如下：

本文提出的定量計(jì)算方法可避免經(jīng)驗(yàn)做法準(zhǔn)確度不高的問題，運(yùn)用該方法選取的管道，介質(zhì)流速滿足規(guī)范要求。

對于正常疏水調(diào)閥后管道，介質(zhì)比容變化小，選用和調(diào)閥前相同公稱直徑或大一檔的管道基本可使介質(zhì)流速滿足規(guī)范要求。

對于危急疏水管道，介質(zhì)比容變化大，選用比調(diào)閥前大一檔的管道往往會使介質(zhì)流速超出規(guī)范推薦范圍，建議使用本提出的計(jì)算方法進(jìn)行定量計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 嚴(yán)家騄.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

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[4] EBASCO.電站二相流管道的設(shè)計(jì).