兩相流管道設計技術在電廠管道設計中的應用

林 肖

（浙江城建煤氣熱電設計院有限公司，浙江 杭州 310000）

現階段，我國的經濟已經進入工業化、信息化以及跳躍式發展階段，當然經濟的飛速發展也離不開電力事業的進步；發電廠是一種更快捷、更方便、更安全的系統，它的出現對于國民經濟與社會發展有促進作用。在設計發電廠期間，一般需要設計汽液兩相流動的管道。通過對單相流動管道與兩相流動管道的對比研究發現，兩相流動管道的流動阻力更大、極易震動，且流動特性也存在差異，導致發電廠管道設計面臨著更高的難度。目前，與設計發電廠兩相流管道相關的文章其實并不多。由于我國電力工業的不斷發展，電廠設計的精準度的日趨提升，有必要不斷提升兩相流管道的設計水平。

1 加熱器疏水管道運作程序的分析

在發電廠管線設計中，兩相流管線在其中的應用領域極為廣泛，其中主要涉及加熱器疏水管線、鍋爐水冷壁與暖風器疏水管線等，由于兩相流管線被廣泛應用于各式各樣的電力設備中，所以也促使發電廠管線設計問題類型愈發豐富。針對我國現階段發電廠具體運作情況來說，在多數中小型氣輪機組常規運作過程中，都是先借助加熱器對發電廠氣輪機組中的自氣機本體內存在的蒸氣進行抽取，同時進行換熱操作，再借助疏水逐級直流的形式，全面整合飽和水及凝結水，以此對工質與其富含的熱量進行全面的吸收。在加熱器疏水管線常規運作程序中，給水加熱器對水進行低高壓加熱后，低壓加熱處理所獲得的蒸氣便會傳輸到凝氣器內，而高壓加熱處理所獲取的蒸氣則會傳輸至除氧器內，然后再借助調壓閥進行全面調整，由此達到氣輪機組管線疏水的目的。然而，通常在發電廠機組常規運作過程中，機組常規作業往往是由于兩相流管線內氣液流體的不斷混合并流動等多種因素，造成機組管線產生振動，由于氣液長期不規則運動，管線震動現象愈發嚴重，由此就極易造成由于氣液運動狀態水分過多流失，導致機組熱經濟持續下降，而這不但會對發電機組常規運作的可靠性造成許多不利的影響，同時還提升了機組和管線結構的危險性。所以，為了最大限度地提高發電廠機組常規運作質量與效果，對兩相流管線進行高效、科學及綜合性的設計，這些兩相流問題對管線結構運作的可靠性與安全性產生的負面影響，需要進行改善與處理。

2 疏水管道相變形成基本原理

隨著科學技術不斷的發展，對資源的需求量也越來越大，尤其是電力資源。在目前電廠運行中常常存在疏水相變的現象，這個問題會嚴重阻礙發電的過程，同時發生一系列的問題。我們對發電廠疏水管線運作程序進行分析，當發電機組進行疏水逐級自流操作時，因為高壓力飽和水及凝結水在管線中存在一定的流動阻力，同時管線入口位置經常會由于壓力差而出現重位壓降的現象，并且在閥門和調壓閥形成的相互作用下，使管線內的疏水壓力下降，會讓管線在輸送疏水過程中出現飽和問題，導致管線內氣液兩相流出現問題。在對疏水管道內存有氣液相變的基本原理分析過程中，將發電廠內機組常規運行工作質量當做穩定動態的參考依據，按照相關穩定流動能量方程進行全面的推算；對于絕熱疏水管線熱量流動而言，如果熱量損失為0，那么在管線中，無論是工質還是氣液流動化對管線對外軸功同樣為0。除此之外，在發電機組管線內凝結水壓力不斷下降的狀態下，其中飽和水富含的焓值同樣會隨之下降，一旦疏水管線內飽和水及凝結水平均焓數值和其他疏水入口相比相對較低，那么一些飽和水及凝結水便會出現相變問題，從而導致管線之內氣液兩相流動問題出現。

由于凝結水壓力的不斷下降，與之對應的壓力下飽和凝結水焓值也會隨之減小。一旦基于某一壓力下輸水管道的飽和液相焓比其疏水入口焓值低，那么一些凝結水會出現相變，形成兩相流動。

3 兩相流阻力的主要計算方式

在現階段廣泛推行的技術規定中，針對一些兩相流管線阻力計算方式進行了簡單的闡述，然而其多數都是借助積分法展開計算，這種計算主要具有流程煩瑣、精準性較低等多種特性，在具體兩相流管線設計環節往往無法獲得有效的運用。隨著時代的不斷發展與科學的不斷進步，國際上采取的兩相流阻力計算方式均有所差異，并且由于其計算工質所采取的參考依據有所差異，所以其計算最終結果之間都存在一定的差異，而且在具體計算時必須按照實際工質參數選擇更具適宜性的計算方式，對兩相流阻力進行全面的計算，其中最具代表性的就是原蘇聯1961 年鍋爐水循環計算法以及馬蒂內里—納爾遜計算法。

圖1 兩相流管道設計

4 兩相流管道設計技術在電廠管道設計中的主要應用

為了對兩相流管線設計在發電廠中的主要應用進行探究，以下主要以某電廠25 MW 機組疏水管線設計為例展開分析。就該電廠機組而言，某氣輪機廠所制造25 MW 背壓式型號的氣輪機，額定功率為2.5 萬kW，額定轉速為3 000 r/min，進汽壓力8.83 MPa（a），進汽溫度為535℃，額定進汽量為182.5 t/h，排汽壓力為0.9 MPa（a）?；陬~定運行情況下，其加熱器2 條管線中的疏水參數見表1。

表1 加熱器2 條管線中的疏水參數

就該汽輪機而言，其1 號疏水管線借助水平設置形式進行設計，把重位壓降長時間控制在0，因為疏水管線長時間在額定狀態中運行，早已出現相變現象，所以能夠對機組內動壓所產生的壓降展開忽略操作。當1 號管線對凝結水進行傳輸時，工質與混合物干度會維系在2.5 左右，而密度維系在328 kg/m3，并且其流速為1.80 m/s。并且由于1 號疏水管線內的閥門阻力系數約為0.5，粗糙水平為0.23，所以在工質步入管線后，因為閥門和管線間存有較強的摩擦阻力；所以，管線在單相液體輸送至調節閥的位置以前，往往并不會出現相變現象。除此之外，發電廠機組2 號高壓加熱器通將疏水傳輸至除氧器內，因為2 號管線內調節閥所存在的兩相摩擦系數較高，所以為了達到疏水管線傳輸阻力的標準需求，對調節閥具體位置給予適當的調整與修正就變得十分重要，借助調節閥調整到除氧器周圍，能夠對發電廠機組兩相流管線長度達到全面控制的目的，促使兩相流管線長度的縮短與管徑規格增大，使疏水管線進出口位置存在的阻力不斷提升，這樣最大限度地防止發電機組管線發生兩相流現象，為發電廠機組相關設備以及兩相流管線常規運作的有效性與可靠性奠定良好的基礎，從而不斷地提升疏水管線的運行效率，提升發電廠管線設計質量與效果，進而提高發電廠管線設計的綜合水平。

5 結語

綜上所述，在發電廠加熱器疏水管線的設計過程中，為了最大程度地使疏水全過程更具通暢性，防止管線由于兩相水流沖刷及兩相水流撞擊所導致的震動現象出現，就必須在發電廠加熱器疏水管線中設置適量的氣液兩相流設施，在確保工程項目建設造價的前提下，減少機械設備故障問題對疏水管線常規運行產生的不利影響；與此同時，為了更好地避免水流出現阻塞等各種問題的發生，還應該在對加熱器疏水管線進行設計時采用大管徑管材，同時科學地安排彎頭所在區域，才可以促使加熱器疏水管線運行質量與效率獲得有效的提升，從而為發電廠管道設計水平進一步提高奠定良好的基礎。為了符合我國的可持續發展的要求，在疏水相變方面進行了相關改進，采用兩相流管道設計技術，在保證發電廠安全高效運行的同時，還能起到減少資源浪費的作用。