凝結(jié)水精處理混床內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化及應(yīng)用

趙國欽

（廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東 揭陽 515223）

0 引言

熱力發(fā)電廠中水作為能量傳遞的唯一介質(zhì)，對(duì)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用，特別是凝結(jié)水的水質(zhì)對(duì)于整個(gè)機(jī)組的水質(zhì)起著決定性作用。凝結(jié)水精處理是凈化和處理凝結(jié)水的唯一途徑，而高速混床作為精處理的核心設(shè)備，其工作效能直接決定了整個(gè)熱力系統(tǒng)的水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)。高速混床在水質(zhì)合格的前提下，須有高且穩(wěn)定的周期制水量，避免混床內(nèi)部分樹脂過早失效而出現(xiàn)“漏鹽”問題［1-3］。

以一臺(tái)1 000 MW 發(fā)電機(jī)組精處理高速球形混床為例，就如何改善混床內(nèi)的流場(chǎng)分布、提高周期制水量進(jìn)行分析。該機(jī)組共布置4 臺(tái)球形混床，單臺(tái)混床最大出力760 m3／h，內(nèi)筒直徑3 200 mm，陽／陰樹脂（羅門哈斯）體積比為2∶3，混床的進(jìn)水裝置采用緩沖板+多孔板+布水水帽的結(jié)構(gòu)形式。機(jī)組配備1 套混床樹脂再生裝置。

1 混床工作概況

混床整體為球形，進(jìn)水口（DN300）設(shè)置弧形緩沖板，緩沖板下方設(shè)置多孔板，布水板上垂直布置96 個(gè)篩管結(jié)構(gòu)、縫隙1.0 mm 的繞絲板式單流速布水水帽；混床陰、陽樹脂粒徑0.55～0.70 mm；混床底部設(shè)置縫隙0.2 mm 的單頭水帽，避免樹脂從混床中漏出。樹脂層高1 200 mm，樹脂層上部距離混床水平中心線430 mm，樹脂層距離布水水帽600 mm，混床結(jié)構(gòu)見圖1。

在混床出水電導(dǎo)率不超過0.2 μS／cm、水質(zhì)完全合格的前提下，混床的周期制水量一般維持在25000～31000m3。機(jī)組日常日均供水量為36000 m3／d，單臺(tái)混床的日均需供水量為12 000 m3／d，混床在該周期制水量狀態(tài)下，運(yùn)行48 h 后就會(huì)出現(xiàn)出水水質(zhì)超標(biāo)的現(xiàn)象，每48 h 需要再生一次混床樹脂，而再生裝置的樹脂再生周期不少于24 h。運(yùn)行期間出現(xiàn)：再生裝置不間斷運(yùn)行，混床出水電導(dǎo)率大于1.0 μS／cm、鈉離子大于質(zhì)量濃度2 μg／L，大量的鈉離子進(jìn)入給水系統(tǒng)，在汽輪機(jī)高壓、低壓葉片有大量的沉積物，經(jīng)化驗(yàn)其主要成分為鈉的化合物，其次為鐵的氧化物和二氧化硅，見圖2。

圖1 混床結(jié)構(gòu)

圖2 低壓轉(zhuǎn)子葉片積鹽

2 混床進(jìn)水裝置現(xiàn)狀分析

2.1 混床內(nèi)流場(chǎng)要求

混床陰樹脂濕真密度為1.08×103kg／m3，凝結(jié)水密度994.8 kg／m3，兩者密度接近。混床內(nèi)輕微的水流擾動(dòng)就會(huì)將上層的部分陰樹脂從沉積狀態(tài)脫離，使之在水中處于“懸浮”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，整體樹脂層的厚度會(huì)急劇減薄。

混床運(yùn)行時(shí)原則上要求：內(nèi)部各區(qū)域的水流能夠沿重力方向流動(dòng)且均勻分布，流速不超過0.03 m／s且流速分布均勻，在整個(gè)樹脂層及以上部位的流體以一種穩(wěn)態(tài)方式向下流動(dòng)，即形成一種向下的“均勻壓迫式”低速流動(dòng)，不在混床內(nèi)出現(xiàn)局部射流、紊流，不對(duì)整個(gè)樹脂層產(chǎn)生任何的擾動(dòng)。

2.2 混床內(nèi)的實(shí)際流場(chǎng)分析

2.2.1 進(jìn)水裝置結(jié)構(gòu)的因素

采用弧形緩沖板+布水板/水帽進(jìn)水裝置的混床，在實(shí)際進(jìn)水時(shí)，水流從進(jìn)水口向弧形緩沖板流動(dòng)為淹沒射流，由于其流速較高（2.99 m／s）、水柱直徑大等因素，水流到達(dá)弧形緩沖板仍然有較高的流速，對(duì)弧形緩沖板產(chǎn)生水流沖擊后改變流向，沿弧形板的角度向混床內(nèi)壁四周形成貼壁式的流動(dòng)；受到多孔板阻擋后，一部分水流向下通過布水水帽流向樹脂層，另一部分水流降低流速后向中心線流動(dòng)形成水平流動(dòng)。根據(jù)緩沖板結(jié)構(gòu)的混床內(nèi)流場(chǎng)速度分布，弧形緩沖板+布水板/水帽混床內(nèi)部水的流速分布為：沿混床垂直中心線向外，外圍周向垂直流速高、中心區(qū)域流速低；靠近中心線的布水水帽以上部位出現(xiàn)水平流動(dòng)［4］。

由于混床內(nèi)部外圍水流速高于中心部位流速，混床內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象。大部分的水流會(huì)通過外圍水帽布水后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的樹脂層，中心部位的水流量少，相應(yīng)通過外圍樹脂的水流量會(huì)大于中心區(qū)域水流量；流經(jīng)樹脂的水流在樹脂層部位受到樹脂層的阻擋后，也產(chǎn)生向中心線的水平流動(dòng)，帶動(dòng)樹脂向中心區(qū)域移動(dòng)、堆積、厚度增加，外圍樹脂層的厚度減小；加之外圍水流速、流量高于中心區(qū)域，外圍樹脂會(huì)先于中心區(qū)域樹脂失效，樹脂層的出水品質(zhì)快速降低。

2.2.2 水帽設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)因素

水帽采用垂直布置，包括進(jìn)水口和篩管兩部分。進(jìn)水口大部分的面積被進(jìn)口的固定板片阻擋，進(jìn)水口面積減小60%，見圖3。由于水帽進(jìn)水口面積較小，總面積僅當(dāng)量于277 mm 管內(nèi)徑，小于進(jìn)水管口徑，通過進(jìn)水口水流速超過混床進(jìn)口流速，達(dá)到3.49 m／s，出現(xiàn)混床內(nèi)部局部流速遠(yuǎn)大于混床內(nèi)該部位正常流速0.028 m／s 的情況，在水帽入口形成淹沒射流。由于淹沒射流距離較大、水帽高度較小（45 mm），到達(dá)水帽底部弧形板時(shí)仍然具有較高的流速，對(duì)水帽底部的弧形板沖擊后快速改變?yōu)樗搅鲃?dòng)，從篩管下半部分以較高的流速流出篩管。

布水水帽篩管縫隙1.0 mm，而樹脂粒徑為0.6～0.7 mm。篩管出口為縫隙流動(dòng)，由于其流出速度較高，相鄰水帽之間的間距小（55 mm），水流流出后與相鄰的水帽出水發(fā)生對(duì)沖。對(duì)沖水的相對(duì)速度較大，向?qū)_接點(diǎn)四周以較高的速度流動(dòng)，在水帽周邊區(qū)域形成極不穩(wěn)定的流場(chǎng)。由于水流速較高、沖量較大，在樹脂層出現(xiàn)局部射流現(xiàn)象及在水帽底部弧形緩沖板下方形成的局部旋流，將陰樹脂攪動(dòng)后在混床內(nèi)做不穩(wěn)定懸浮流動(dòng)，降低整體樹脂層的有效厚度。

圖3 水帽進(jìn)水口結(jié)構(gòu)

混床布水水帽以上的中心區(qū)域流速低于外圍流速，導(dǎo)致中心區(qū)域單支布水水帽的進(jìn)水量遠(yuǎn)小于外圍區(qū)域的單支布水水帽進(jìn)水量，中心區(qū)域布水水帽篩管中的出流速度小，該區(qū)域布水水帽下方的水流速低。

中心區(qū)域出現(xiàn)的水平流動(dòng)在該區(qū)域形成旋流，上層陰樹脂被水流帶動(dòng)后，在樹脂層以上不規(guī)則懸浮運(yùn)動(dòng)，并被帶入流速較低的中心區(qū)域水帽后。篩管的縫隙寬度略大于樹脂粒徑，縫隙不能同時(shí)容納兩個(gè)樹脂顆粒同時(shí)通過時(shí)，在較低流速狀況下，樹脂顆粒會(huì)逐步堆積在水帽內(nèi)，使水帽的出水流速進(jìn)一步降低，水帽的出水均勻性進(jìn)一步惡化。混床檢查時(shí)也很容易發(fā)現(xiàn)中心區(qū)域的布水水帽樹脂堵塞比較嚴(yán)重，見圖4。

2.2.3 多孔板安裝缺陷

水帽所在的多孔板由多塊拼接安裝組成，相鄰之間依靠定位螺栓連接且兩者之間不帶有密封裝置。由于多孔板厚度較小，在其前后壓差作用下發(fā)生變形，多孔板的連接部位出現(xiàn)較大的縫隙［5］，見圖5（a）。多孔板與進(jìn)脂管之間也存在很大的設(shè)計(jì)縫隙，見圖5（b）。

圖4 樹脂堵塞水帽情況

圖5 多孔板部位的縫隙

多孔板上下層存在較大的壓差，縫隙部位會(huì)出現(xiàn)平面射流，射流初始速度與臨近布水水帽進(jìn)水口流速相同。射流產(chǎn)生的椎體狀流場(chǎng)侵入樹脂層，見圖6，將射流邊界層以內(nèi)所及的樹脂帶走，將樹脂向邊界層以外堆積，樹脂在混床內(nèi)出現(xiàn)厚度不均現(xiàn)象，局部厚度減小，出水水質(zhì)降低，混床周期制水量減少［6］。

圖6 射流結(jié)構(gòu)

由于射流的紊動(dòng)性，射流不斷卷吸周圍的流體，使邊界層出現(xiàn)不穩(wěn)定的上下波動(dòng)，帶動(dòng)邊界層附近的樹脂在水體做不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使射流所侵及的樹脂不能在混床內(nèi)形成穩(wěn)定的沉積層。

3 混床內(nèi)流場(chǎng)的均勻化設(shè)計(jì)

要保證高速混床穩(wěn)定的周期制水量，就需要保持混床樹脂層在各種工況下的穩(wěn)定性和通過混床樹脂層水流速的均勻性，即樹脂層及臨近區(qū)域的水流不出現(xiàn)旋流、射流、橫向流動(dòng)等現(xiàn)象，水流以穩(wěn)定的平均流速垂直通過樹脂層。對(duì)進(jìn)水裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證進(jìn)水裝置出水的均勻性。

3.1 進(jìn)水裝置出口流場(chǎng)均勻化試驗(yàn)

保證進(jìn)水裝置出口流場(chǎng)的均勻化，盡量降低進(jìn)水裝置的出口流速、提高流速分布均勻性，即出口流速越低、分布越均勻，對(duì)混床內(nèi)整個(gè)流場(chǎng)的擾動(dòng)越小，流場(chǎng)的均勻性越好。

3.1.1 多孔板及布水水帽改進(jìn)

由于布水水帽出水流速的均勻性對(duì)樹脂層及以上的流場(chǎng)均勻性有很大的關(guān)聯(lián)關(guān)系，增加水帽的高度和縫隙總面積可以改善水帽的出水流場(chǎng)狀況。

多孔板安裝時(shí)消除的相鄰間的縫隙；將布水水帽篩管高度由原來的45 mm 增加至70 mm，篩管縫隙由原來的1.0 mm 增加至1.5 mm。將篩管的出水總面積增加至原來的1.92 倍，出水平均流速由原來的0.56 m／s 降低至0.29 m／s。由于篩管長度的增加，從水帽進(jìn)水口到達(dá)水帽底部的射流距離增加，到達(dá)端部的水流軸心速度區(qū)域范圍減小，射流邊界層的速度有所降低，水帽的出水流速分布均勻化程度也會(huì)有所改善。

在不改變混床進(jìn)水裝置的前提下，將多孔布水水帽結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，混床出水電導(dǎo)率不大于0.2 μs／cm，周期制水量維持在45 080～63 960 m3。

3.1.2 混床進(jìn)水裝置改進(jìn)

為消除混床進(jìn)水裝置造成的混床內(nèi)部偏流、局部射流現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種混床多管進(jìn)水裝置，使進(jìn)水裝置以下的水體流速實(shí)現(xiàn)更為均勻分布，見圖7。該結(jié)構(gòu)進(jìn)水裝置為雙層多支布水管結(jié)構(gòu)。每層均勻布置8 支內(nèi)徑為75 mm 的布水管（所有支管內(nèi)徑總截面積大于進(jìn)水管截面積），上下層相鄰布水管交叉分布其中心線夾角為22.5°，減少布水管之間出水相互干擾形成水流對(duì)沖而出現(xiàn)的局部旋流。各支布水管主體部分為施羅德繞絲篩管，篩管縫隙為1.5 mm，長度分別為400 mm、800 mm。

當(dāng)凝結(jié)水從進(jìn)水母管進(jìn)入進(jìn)水裝置后，從16 支布水管接口流向布水管，在布水管的進(jìn)水段各布水管的入口流速相同。水流從布水管進(jìn)水段流出后形成淹沒射流，隨著射流距離的增加，射流邊界層的厚度越來越大，篩管內(nèi)水流軸心速度逐漸降低［6］。由于篩管的內(nèi)徑與布水管內(nèi)徑相同，在布水管進(jìn)水段出口形成的射流結(jié)構(gòu)被篩管分割為兩部分，即篩管內(nèi)部核心區(qū)域和篩管外部區(qū)域。

圖7 多管進(jìn)水裝置

在篩管內(nèi)部核心區(qū)域，在射流結(jié)構(gòu)總體框架下，隨著篩管內(nèi)射程的增加，軸心流速逐漸降低。射流軸心段以外水流流經(jīng)篩管上的斷面“△”的繞絲頂端時(shí)受到干擾在其后方出現(xiàn)渦流并改變流向，在繞絲的縫隙之間向篩管外的自由空間流動(dòng)，從篩管縫隙中流出的水流形成夾縫流動(dòng)，見圖8。水流經(jīng)過縫隙時(shí)的流速低于核心段的流速，在縫隙的“梳理”作用下，水流經(jīng)過篩管縫隙時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)逐步向?qū)恿鳡顟B(tài)過渡。從篩管進(jìn)水口至第1 個(gè)篩管縫隙時(shí)，其雷諾數(shù)Re 由3.15×105降低至6.3×103；隨著篩管內(nèi)射程的增加，經(jīng)過篩管縫隙水流速度越來越低，其Re 越來減小。所有篩管縫隙出流的平均流速0.187 m／s，大部分從篩管中流出的水流呈層流狀態(tài)。縫隙出流流速越低，混床內(nèi)整體的流動(dòng)之間的相互擾動(dòng)越小，流程穩(wěn)定性越好。

圖8 篩管繞絲的夾縫流動(dòng)

將混床進(jìn)水裝置改造為多管進(jìn)水裝置后，取消多孔板及布水水帽，混床出水電導(dǎo)率不大于0.2 μS／cm時(shí)，周期制水量達(dá)到73 610～99 469 m3。

3.2 混床進(jìn)水裝置的組合試驗(yàn)

采用3 種進(jìn)水裝置組合改進(jìn)方式，在混床出水電導(dǎo)率不大于0.2 μS／cm 時(shí)，各種組合狀態(tài)下的混床周期制水量見表1。

表1 裝配各種進(jìn)水裝置的周期制水量比較 m3

從以上的試驗(yàn)情況分析：

1）采用緩沖板+多孔板+布水水帽（高度70 mm）的進(jìn)水裝置時(shí)，混床的周期制水量的穩(wěn)定性較差，但比原進(jìn)水裝置周期制水量明顯增加。

2）采用多管進(jìn)水裝置+布水水帽（高度70 mm）由于水帽以上的水流速均勻，通過水帽的流量分配較為均勻，其周期制水量穩(wěn)定。但在進(jìn)水裝置將水流分布均勻后，布水水帽出水時(shí)又對(duì)整體流場(chǎng)進(jìn)行干擾，混床內(nèi)的流場(chǎng)均勻化程度又有所降低。

3）只安裝多管進(jìn)水裝置時(shí)，由于篩管距離樹脂層距離較遠(yuǎn)，樹脂層以上的流場(chǎng)有更多的空間實(shí)現(xiàn)其均勻化，混床的周期制水量最高，且整體狀態(tài)穩(wěn)定。

3.3 混床進(jìn)水裝置改造建議

進(jìn)水裝置采用多管進(jìn)水裝置，可以將進(jìn)水裝置出水水流梳理成層流狀態(tài)。加之其出流速度很低，更接近混床內(nèi)整體水流速，對(duì)樹脂層的干擾更小，混床樹脂層以上的水流速分布均勻化程度更高。

采用多管進(jìn)水裝置時(shí)需保證篩管進(jìn)水口總面積不小于進(jìn)水管面積，其總面積越大，進(jìn)入篩管入口的水流速越小，水流到達(dá)篩管端部的流速也越低，篩管各部位出流速度越小、分布越均勻。

4 結(jié)語

對(duì)于高速球形混床存在的內(nèi)部流場(chǎng)不均勻?qū)е碌闹芷谥扑康偷膯栴}，可以將進(jìn)水、布水裝置設(shè)置為多管進(jìn)水裝置。充分利用施羅德繞絲篩管縫隙出水均勻性、防止高密度堆積的特點(diǎn)，可以使進(jìn)水裝置與樹脂層之間的水體流速分布更為均勻，保證樹脂層的穩(wěn)定性，提高混床的周期制水量。