蒸汽發生器和汽包的給水自然循環計算

摘 要：根據蒸汽發生器和汽包之間自然循環原理，以不同的設計方案為例，對自然循環回路的汽包安裝高度進行了數據比較，探討最佳安裝高度。

關鍵詞：汽包;蒸汽發生器;自然循環;管道壓力降;汽液兩相流

一煤化工項目中，懸浮床加氫裝置中的減壓塔底油蒸汽發生器和汽包之間的給水采用自然循環，不采用強制循環，節省設備費用和運行費用，經濟效益良好;但蒸汽發生器和汽包之間的安裝高度，對自然循環的順利實現至關重要。本文從自然循環的原理和同一案例的不同方案對汽包的安裝高度進行對比計算。

1 自然循環原理和計算說明

蒸汽發生器與汽包之間的自然循環利用下降管中的水和上升管中汽水混合物的密度差產生推動力，使工質在密閉系統中產生循環流動。具體來說，給水通過下降管到達蒸汽換熱器的殼程，與管程的油進行熱量交換后，部分水變成蒸汽，工質變成汽液兩相，其密度相對給水變小很多，汽液兩相流通過上升管進入汽包，經過汽包的汽水分離裝置分離出飽和蒸汽，給水再進行循環。利用下降管給水和上升管汽液兩相流的重度差產生推動力，克服下降管、蒸汽換熱器殼程和上升管的壓力降，來實現回路的自然循環。計算系統回路的推動力和壓力降是計算自然循環的要點。上升管和下降管的壓力降計算主要根據HG/T20570.7-95《管道壓力降計算》，同時參考《鍋爐機組水力計算標準方法》進行計算。本文中的大部分符號的含義同HG/T20570.7-95《管道壓力降計算》。

2 計算實例條件說明

2.1 已知條件

布置簡圖見圖1。上升管中氣相數據，氣相為飽和蒸汽，蒸汽流量GG=1347kg/h，蒸汽密度ρG=4.16kg/m3，飽和蒸汽動力粘度μG=1.44×10-4Pa.s;上升管中液相數據，氣相為飽和水，水流量GL=25593 kg/h，水密度ρL=897kg/m3，飽和水動力粘度μG=1.56×10-3Pa.s;換熱器進水口和兩相流出口垂直距離為H1=6m，下降管摩擦系數λ2=0.021;摩擦阻力損失系數ξ，對上升管和下降管摩擦壓力降計算時ξ取1.15，即增加15%的安全裕量。

2.2 假設條件

假設上升管垂直段長度L1m，下降管垂直長L2m，根據現場布置初步方案，上升管總當量長度（含直管總長度和管件當量長度）取Le1=L1+10m，下降管總當量長度（含直管總長度和管件當量長度）取Le2=L2+10m。

假設三種初步方案，分別計算安裝高度，供選擇最優方案或找出改進方向。方案1、方案2和方案3，上升管和下降管通徑取相同，分別為DN100、DN125和DN150。

3 初步方案計算過程說明

3.1 總壓力降

總壓力降公式：ΔPL=ΔPf下降管+ΔPf上升管+ΔP蒸汽發生器，其中ΔPL為總壓力降，ΔPf下降管為下降管壓力降，ΔPf上升管為上升管壓力降，ΔPf蒸汽發生器為蒸汽發生器壓力降，下面按分項進行計算。

3.2 下降管壓力降計算

下降管壓力降包括下降管摩擦壓力降和速度壓力降，因下降管沿長度方向的通徑相同，水沿下降管的密度變化非常小，速度壓力降可以忽略不計，主要計算摩擦壓力降。

下降管摩擦壓力降按范寧（Fanning）方程式（具體公式可查閱資料[1]，下同）計算，適用于單相不可壓縮流體，層流和湍流均可用。根據下降管中水的流動情況，一般情況下雷諾數Re≥4000，對應的流動型態為湍流。

3.3 上升管壓力降計算說明

上升管壓力降包括上升管摩擦壓力降、速度壓力降和上升管靜壓降;因上升管沿長度方向的通徑相同，汽液兩相混合物沿上升管的密度變化小，速度壓力降可以忽略不計，主要計算摩擦壓力降和靜壓降。

上升管的靜壓降與上升管的垂直高度和上升管內兩相流的密度有關，本文不再進一步說明。

3.4 上升管摩擦壓力降計算

上升管沿長度通徑不變，且上升管不受熱，壓力變化很小，認為管內不存在閃蒸現象，氣--液相體積分率補發生變化，摩擦壓力降按氣--液兩相流（非閃蒸型）進行計算。HG/T20570.7-95《管道壓力降計算》中對氣-液兩相流（非閃蒸型）的摩擦壓力降計算有兩種方法，即均相法和杜克勒（Dukler）法，通常情況下均相法計算的壓降值較小，且該法假定汽液兩相以相同的速度流動，對分散流適用，而對環狀流不適用;杜克勒法對環狀流和分散流均適用，本文用此方法計算壓降。在氣--液兩相流（非閃蒸型）的摩擦壓力降計算中，要求兩相流的流型為分散流或環狀流;若根據方案選用的上升管通徑，計算流型為柱狀流和活塞流時，應縮小上升管的通徑，增加流速，使流型變為分散流或環狀流，因為柱狀流和活塞流會引起汽包、上升管、蒸汽發生器等振動，運行安全性差，有發生安全事故的可能。因此，計算上升管摩擦壓力降時，首先進行流型判斷，對水平管內流型和垂直管內流型分別進行判斷，都應為環狀流或分散流，然后用杜克勒法計算，通過試差法求出液相的實際體積分率KL，最后算出摩擦壓力降。

3.5 蒸汽發生器壓力降計算

汽包下降管來的給水進入蒸汽發生器的殼程，被管程內的油加熱，變成汽水混合物，殼程的壓力降一般由工藝專業給出;因工藝專業給出的壓力降是理論值，考慮蒸汽發生器殼程蒸汽蒸發過程復雜和以往項目經驗，對蒸汽發生器殼程ξ取1.3，即增加30%的安全裕量。

3.6 自然循環推動力

蒸汽發生器與汽包之間的自然循環的推動力是下降管和上升管之間的流體重度差，公式為：PT=H*g*（ρL-ρCS）*φ（MPa），其中H為上升管的垂直方向高度，m;ρL為水的密度，kg/m3;ρCS為汽水兩相流平均密度，kg/m3;φ為截面含汽率。當滿足自然循環推動力大于等于總壓力降時，便可實現蒸汽發生器和汽包之間的自然循環。

根據自然循環推動力大于等于總壓力降不等式，即可求出汽包的最小安裝高度。

4 初步方案計算數據及優化

4.1 初步方案計算數據

方案1，上升管和下降管通徑為DN100，最小安裝高度計算值：6.2m;方案2，上升管和下降管通徑為DN125，最小安裝高度計算值：2.6m;方案3，上升管和下降管通徑為DN150，流型判斷時，上升管的水平段流型為氣泡流或泡沫流，垂直段為柱狀流，均不是環狀流和分散流，所以上升管通徑為DN150不合適。從數據看出，方案2的安裝高度最合理，實際工程應用時，根據使用經驗，考慮安全裕量0.5m，實際安裝高度即為3.1m。

4.2 方案優化

方案2，上升管和下降管通徑為DN125，安裝高度計算值可定為3.1m，該方案可進一步優化，可將下降管通徑加大到DN150，進一步減小下降管水流速，降低摩擦壓力降，最小安裝高度計算值為2.4m，考慮0.5m裕量后，安裝高度為2.9m。方案優化后可若不降低安裝高度，即安裝高度定為3.1m，會略微增加系統自然循環的可靠性。

5 結束語

蒸汽發生器與汽包之間給水自然循環的設計計算涉及到傳熱傳質、汽液兩相流流型、摩擦計算和換熱等多個問題，準備多個方案計算，選出對自然循環最具穩定性的方案，以上論述至關重要。

參考文獻：

[1]林宗虎，徐通模.實用鍋爐手冊第2版[M].北京：化學工業出版社，2009.547-550.

作者簡介：

武成國（1978- ），男，漢族，山東陽谷人，本科學歷，青島凱能環保科技股份有限公司中級技術員，研究方向：鍋爐輔機和汽輪機輔機。