凝汽器循環(huán)水系統氣液兩相流的特性及影響

江蘇電機工程2008年11月.Jiangsu Electrical Engineering第27卷增刊97節能專(zhuān)業(yè)技術(shù)●凝汽器循環(huán)水系統氣液兩相流的特性及影響吳曰舜',吳國莉2(1.江蘇省電力試驗研究院有限公司,江蘇南京210036;2.江蘇南通天生港發(fā)電有限公司,江蘇南通226003)摘要:汽輪機組開(kāi)式循環(huán)水系統適行中 ,常因調節不當而在凝汽器傳熱管中出現汽液兩相流,造成循環(huán)水流動(dòng)特性劣化,還使循環(huán)水強制對流的傳熱特性變成兩相流體復雜的傳熱特性,因此克服或縮小兩相流的換熱管束區有益于節能。關(guān)鍵詞:凝汽器;開(kāi)式循環(huán)水;汽水兩相流中圖分類(lèi)號:TK224.2*1文獻標識碼:B文章編號:1009 -0665(2008)S1 - 0097 -04火力發(fā)電廠(chǎng)中汽輪機組的凝汽器及其系統,位當前,在火力發(fā)電廠(chǎng)中,除空冷機組外,大機組于熱力系統蒸汽參數的終端,即機組冷端。它的性能(600MW以上)的循環(huán)水系統,多采用2種方式。一.除與汽輪機組的低壓部分及其相關(guān)的真空系統性能種是沿江沿海而建的電廠(chǎng)多采用直流供水即開(kāi)式循(如漏氣性能)有關(guān)外,還與供水冷卻系統即循環(huán)水環(huán)系統;另一種則是通過(guò)自然通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)供系統有關(guān)。就大機組而言(600 MW以上機組)其低水,即閉式循環(huán)系統。這2種供水方式的顯著(zhù)區別是壓通流部分葉片已采用三元流動(dòng)設計,末級長(cháng)葉片在凝汽器水側供水能位不同:前者低,后者高。能耗及雙壓凝汽器技術(shù)的采用等,盡管在機組與凝汽器差別很大:前者小，后者大。此外,凝汽器是一種表面連結的排汽管,尚未見(jiàn)按空氣動(dòng)力學(xué)的三元流動(dòng)設式熱交換器,其熱源側(殼側)借蒸汽凝結釋放熱量計的例證及凝汽器殼側對排汽凝結釋放熱量時(shí)所涉加熱循環(huán)水。而冷源側通過(guò)換熱管壁吸收熱量。顯及的兩相流動(dòng)的應用報導外,就當前的實(shí)用現狀來(lái).然,在換熱過(guò)程中由于供水方式不同,例如開(kāi)式循環(huán)說(shuō)已屬優(yōu)化設計。此外,凝汽器的循環(huán)水系統中水泵的直流供水系統,它可以利用7~8 m的虹吸揚程,的配置及其吸排系統的優(yōu)化設計是不容置疑的。但有顯著(zhù)的節電效果,但它會(huì )使凝汽器的循環(huán)水介質(zhì)在運行中該系統是否已取得了優(yōu)化的運行效果,將過(guò)冷度減少,在供水量分配不均而熱流率不變,當供是本文提出商酌的問(wèn)題。水壓力(局部壓力)下降至可使循環(huán)介質(zhì)產(chǎn)生汽泡的溫度(欠熱沸騰)時(shí)便會(huì )發(fā)生汽液兩相流。從而引出收稿日期:2008-07-08范圍的巡視,用小焦距的方式運動(dòng),延時(shí)并不非常重只有調用預置位的功能,而不能設定預置位。要,而在工業(yè)電視系統中需要準確定位特定位置時(shí),預置位功能對報警聯(lián)動(dòng)來(lái)說(shuō)不可缺少,關(guān)聯(lián)每個(gè)延時(shí)的存在對準確定位存在很大影響。報警信號與對應的攝像頭和對應預置位的關(guān)系,在日常運行中可從管理和使用上盡量減少延時(shí)影報警發(fā)生時(shí),相應的攝像頭會(huì )自動(dòng)運動(dòng)到相應的預置響,全廠(chǎng)工業(yè)電視系統除了防爆云臺外,其他的云臺位,硬盤(pán)錄像機自動(dòng)錄像,整個(gè)過(guò)程都是自動(dòng)的,對都有64個(gè)預置位,其最小旋轉定位是0.75*(高速云值班人員來(lái)說(shuō)減少很多工作量,同時(shí)減少錯誤的發(fā)臺也有預置位，但因為工業(yè)現場(chǎng)的振動(dòng)和粉塵會(huì )影生。國電泰州發(fā)電有限公司工業(yè)電視系統(除了集挖響到壽命,只在集控室使用)?？稍诠I(yè)電視局域網(wǎng)室的高速云臺外)選用的一體化攝像頭沒(méi)有焦距預內(延時(shí)最小)有權限設定的人員,設定每個(gè)攝像點(diǎn).置位的設定和調用,現在已經(jīng)有帶焦距預置位的一-的數個(gè)經(jīng)常需要巡視的方位和焦距,保存在預置位中,體化中國煤化工則預置位在水平列出各預置位的預置位號碼和名稱(chēng),發(fā)給每個(gè)監控人方向、YHCNMHG', 使用更加方便。員,以后其他的監控人員只要直接調用相應的預置位就可以了。為了避免預置位設定混亂,全廠(chǎng)只有一臺作者簡(jiǎn)介:專(zhuān)用的電腦可以設置預置位(軟件不同),其他的都黃書(shū)益(1969-),女,高級工程師,從事信息網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究工作。98江蘇電機工程較為復雜的循環(huán)介質(zhì)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的問(wèn)題。地出現數值不等的截面含氣率a,甚至最上部的管1循環(huán)水系統中循環(huán)介質(zhì)氣液兩相流的特性束由于分配不到循環(huán)水而出現缺液和無(wú)液的干管換熱管束。由此可見(jiàn),開(kāi)式循環(huán)水系統中在換熱管束中及影響出現的氣液兩相流是不可避免的。循環(huán)水系統中循環(huán)介質(zhì)的氣液兩相流,已如上1.2.1流動(dòng)特性述與所采用的循環(huán)方式有關(guān),即是閉式循環(huán)或是開(kāi)式當換熱管束中出現兩相流時(shí),由于運行及調節循環(huán)。方式常會(huì )造成換熱管束中的介質(zhì)流量波動(dòng)，即出現1.1閉式循環(huán)系統中單相循環(huán)介質(zhì)的流動(dòng)特性和傳流動(dòng)不穩定性。正如上述,換熱管束的流動(dòng)特性是用熱特性管束兩端的壓降△P與其流量G之間的數學(xué)關(guān)系來(lái)1.1.1流動(dòng)特性表示。并用它來(lái)描述該系統的流動(dòng)特性。對于兩相流凝汽器中的換熱管束都是水平安裝的,采用閉來(lái)說(shuō),它所涉及到的技術(shù)參數要比單相液體多。如壓式循環(huán),循環(huán)水在換熱管中流動(dòng)時(shí),以一元流動(dòng)方力(P)截面含氣率(x)、質(zhì)量含氣率(X)、流型(T)、流式并有較高的靜壓能位。在相同的熱流率q下具有“ 道的幾何尺寸(D)等。用這些參數之間的相互關(guān)系很大的過(guò)冷度,無(wú)論是管束的始端還是末端都不會(huì )組成了表征氣液兩相流動(dòng)特性的數學(xué)表達式:引起循環(huán)介質(zhì)(水)產(chǎn)生相變。由此可知,在給定qOP=SP:+QP:+OP:=f(G") n=2,3,.. (1)時(shí)，流經(jīng)管束進(jìn)行換熱的循環(huán)水質(zhì)量流量G與通上式對于單相液體時(shí)n=2,即二次曲線(xiàn)。但對過(guò)管束的壓降AP之間的變化關(guān)系,即它的流動(dòng)特氣液兩相介質(zhì),會(huì )隨著(zhù)運行工況和調節方式的不同,性具有如圖1所示的關(guān)系。出現一定的氣相份額, 即氣相a及x的增大,而不可忽略的是加速壓降AP。上升,重力壓降SP。下降(混合介質(zhì)密度),摩擦壓降APp則因氣量增大,混合流速上升動(dòng)力壓頭加大而增大。另一方面,因混合介質(zhì)密度下降,動(dòng)力壓頭減少,已可使摩擦降AP,減少。綜合上述情況,可知同樣的壓降AP時(shí)會(huì )出現多團1單相流體的AP=f(C2)曲線(xiàn)個(gè)流量GA.Gg.Gc,即流量的多值性,并有△P= f(C)見(jiàn)圖1,作用于管東兩端的壓降△P與其質(zhì)量流的數學(xué)關(guān)系式,即呈現出三次方的曲線(xiàn),如圖2所示。量G之間為單調.上升的曲線(xiàn), AP=f(Gx)即二次曲線(xiàn)。當流量G=0時(shí),對應的壓降AP=0(曲線(xiàn)通過(guò)0點(diǎn))。阻力特性/曲線(xiàn)上每一個(gè)流量G只對應-一個(gè)阻力壓降SP。一/壓頭特性從上述可知單相流體,流經(jīng)凝汽器的加熱管束時(shí)的流動(dòng)特性是穩定的。1.1.2傳熱特性0CG/(kg.s1)閉式循環(huán)水系統中的循環(huán)水流經(jīng)凝汽器換熱管束時(shí),已如上述具有很高的過(guò)冷度,在凝結放熱的條圈2△P=f(C)關(guān)系曲線(xiàn)件下,(- -定的熱流密度)通常不會(huì )發(fā)生相變而產(chǎn)生從圖2可知,隨著(zhù)C的增大,AP先增加而后再氣液兩相流。所以它的傳熱特性只能是單相的介質(zhì)減小,最后再增大的變化趨勢。而它的物理概念則(水)所具有的強制性對流傳熱,其傳熱特性與流動(dòng)是,先增大為氣相特性,中間減少為氣液兩相流特特性同樣比較穩定。性,最后再增大為液相流特性。這種變化過(guò)程,無(wú)疑1.2開(kāi)式循環(huán)水系統中兩相循環(huán)介質(zhì)流動(dòng)特性及可以認為這是介質(zhì)不穩定的流動(dòng)現象。這種不穩定傳熱特性將施加到循環(huán)水泵上反映出流量的漂移。開(kāi)式及閉式循環(huán)水系統在運行中所反映的介質(zhì)1.2.2傳熱特性流動(dòng)特性和傳熱特性的區別在于,它們在流經(jīng)凝汽中國煤化王比較,多出了一個(gè)器換熱管柬時(shí)是否會(huì )發(fā)生相變,同時(shí)呈現出水相和氣柜= ,所以在討論氣液氣相?，F場(chǎng)實(shí)踐表明,在開(kāi)式循環(huán)水系統中流經(jīng)凝兩.JHCNMH組界面,液相界面和汽器換熱管東的循環(huán)水,由于分配不均,必然會(huì )造成氣液相間的界面,且這些界面隨者運行工況的變化，上部管束(第二流程)或管束末端(單流程)不同程度調節方式的變化還會(huì )引起數量上和分布上的變化。吳日舜等:凝汽器循環(huán)水系統氣液兩相流的特性及影響99正如前述，從兩相流時(shí)所出現的流動(dòng)不穩定性可性和縮小氣液兩相流的區域,但這種方法使系統阻知,當壓降瞬時(shí)的變化而使介質(zhì)的局部壓力降到換力增加,影響虹吸揚程的回收和利用,使循環(huán)水泵耗熱管壁溫(熱流率不變)所對應的汽泡產(chǎn)生的溫度功增大為此應禁止使用。時(shí),便會(huì )出現過(guò)冷沸騰或稱(chēng)次熱沸騰,(這里的沸騰2.2.2使用“起動(dòng)引水”系統的水環(huán)真空泵與傳統上的沸騰有區別)。顯然在這一工況下,產(chǎn)生根據現場(chǎng)實(shí)踐,該型水環(huán)真空泵容量偏大,在運的氣泡會(huì )降低虹吸效率,影響虹吸揚程的回收和利行條件下,可使氣相的抽出速率提高很多。有可能達用。到上述流型中的最后一種流型,即環(huán)狀流型。使用的1.2.3氣液兩相流對凝汽器性能的綜合影響實(shí)際效果可能是抽水而不是抽氣。根據_上述氣液兩相流的流動(dòng)特性和傳熱特性,調查發(fā)現已有電廠(chǎng)在運行中使用“起運引水”的表現出了使用開(kāi)式循環(huán)時(shí)在安全和經(jīng)濟方面且對水環(huán)真空泵時(shí),因抽水而過(guò)載,燒毀水環(huán)真空泵的電機組凝汽器的不利影響。流動(dòng)特性的不穩定，除會(huì )機。(這種情況發(fā)生在配置22 kW電動(dòng)機的水環(huán)真引起加熱管束的機械振動(dòng)外，還由于流量的時(shí)大時(shí)空泵,用于350 MW機組)?，F場(chǎng)還發(fā)現配置容量更小,形成換熱管壁溫的時(shí)高時(shí)低,引起換熱管的熱大的水環(huán)真空泵。電動(dòng)機容量高達75 kW ,運行中使疲勞而損壞。此外氣液兩相流所引起的過(guò)冷沸騰,用時(shí)雖經(jīng)得起因抽水而過(guò)載，但卻無(wú)抽氣的效果。還會(huì )降低虹吸效率,最終使循環(huán)水泵電耗增加,機(這種情況發(fā)生在雙壓凝汽器的600 MW機組)?？偨M真空也相應降低?？傊?運行中減少或杜絕氣液之,直接使用“起動(dòng)引水”的水環(huán)真空泵抽出開(kāi)式循兩相流以弱化它的不利的影響顯然是非常必要的。環(huán)水系統水室氣體，改變使它達到有益的兩相流型是困難的也是不可取的。調查發(fā)現,凡配置有“起動(dòng)2改善氣液兩相流減少不利影響引水”的水環(huán)真空泵多數電廠(chǎng)在運行中都未使用。鑒于氣液兩相流的不利影響來(lái)自于不穩定的運行實(shí)踐還表明,沒(méi)有凝汽器循環(huán)水出水門(mén)時(shí),流動(dòng)特性和過(guò)冷沸騰的傳熱特性,所以改善的措施在起動(dòng)工況下,凝汽器熱負荷較小，多使用關(guān)小凝汽應著(zhù)眼于盡可能增大截面含液率(1-a) ,相對減少器循環(huán)水出水門(mén)的憋壓方法排出水室及管中空氣,a及改善管束中的液相分配，擴大循環(huán)介質(zhì)液相截以此取代“起動(dòng)引水"的水環(huán)真空泵,可說(shuō)是更受運面是必要的。行人員歡迎的一種方法。2.1氣液兩相流型的選擇與確定2.2.3設置與系統相匹配的連續排氣系統氣液兩相流在凝汽器換熱管束中流動(dòng)時(shí),受壓開(kāi)式循環(huán)的循環(huán)水系統,在運行工況下,對流經(jīng)力、流量、熱流密度和管道的幾何尺寸、形狀與布置所設計的虹吸裝置的循環(huán)水己如上述,都伴有強制方式等因素的影響以構成各種流動(dòng)的結構形式,簡(jiǎn)蒸發(fā)或是過(guò)冷沸騰的熱力學(xué)性能。因此,時(shí)刻都會(huì )有稱(chēng)為流型。氣體分離出來(lái)聚積換熱管的上部占據通流截面,為根據文獻所載明模型試驗，循環(huán)介質(zhì)(水)在凝了減少換熱管的a,就需要連續地抽出這些氣體,保汽器水平換熱管東中流動(dòng)時(shí),根據T.況的不同可獲持一種有益的氣彈流型(或其他更好的流型),從而得6種不同流型,如圖3所示。達到循環(huán)水能有更好的流動(dòng)和傳熱特性是必要的。此點(diǎn)已如上述有助于克服換熱管來(lái)的機械振動(dòng)和熱282882疲勞引起的損壞,更有助于虹吸揚程的利用和回收,(1 )細泡狀流型(2)氣塞狀不充型(3)分層流型對凝汽器的安全經(jīng)濟運行都有益。根據調查,國外引進(jìn)機組，在開(kāi)式循環(huán)水系統中卻設置了連續排氣系統,但卻未設置“起動(dòng)引水”系統的實(shí)例得到證明。(4)波狀分層流型(5)氣彈狀流型(6)環(huán)狀流型圖3換熱水平管中氣液兩相流流型圄3連續排氣與"起動(dòng)引水”排氣系統的區別從圖3中可看出,第5種流型具有較大含液截3.1“起動(dòng)引水”排氣系統,沒(méi)有設置的必要性面,能有效改善和克服氣液兩相流的不利影響。開(kāi)式循環(huán)水系統中設置“起動(dòng)引水"系統是多余2.2 調整流速, 改善流型的幾種方法的,中國煤化工電廠(chǎng)并未使用,這2.2.1憋壓調節一點(diǎn)得到證明。 此外,它用關(guān)系凝汽器循環(huán)水出水門(mén)憋壓是改變相流還有:THCNMHG速為主的方法。當液相(循環(huán)水)流速很慢時(shí)(流量(1)憋壓排氣方法,我國設計的開(kāi)式循環(huán)系統很少)，可促使改善循環(huán)水在管束中分配的不均勻中多設計有凝汽器循環(huán)水出水門(mén)(根據設計規定,該江蘇電機工程100門(mén)也可不設計)。已如上述,機組起動(dòng)時(shí),可用該門(mén)吸入口壓力和壓比及效率有關(guān)。它的有效功率:憋壓排氣同樣可取得“起動(dòng)引水”的效果。N,= 38.37Q,.P.lq P/P,(3)(2)連續排氣系統的“起動(dòng)引水”作用式中:Q.為吸人流量;P,為吸人壓力;P。為排出壓力。.連續排氣系統,根據國外引進(jìn)機組設置方案,都配用功率:設計為運行和備用的水環(huán)真空泵各一臺,起動(dòng)時(shí)可N=NJ(η.m)(4)2臺并列使用,加速“起動(dòng)引水"。已能滿(mǎn)足要求。根據式中:η為等溫壓縮效率取,0.4;nm為電機效率,取水環(huán)真空泵的基本性能，即在吸氣壓力較高時(shí)具有0.94;綜合效率在0.35~0.38。抽氣速率大特點(diǎn)(性能曲線(xiàn))的水平段,2臺并列后通(2)實(shí)用值(根據實(shí)例)。根據應用實(shí)例,600?？墒归_(kāi)式循環(huán)水系統排氣管中流速達到或接近臨MW機組水環(huán)真空泵的電機功率為8.5k W,而“起界值,更大抽氣速率的水環(huán)真空泵,已無(wú)實(shí)用價(jià)值,所動(dòng)引水”的水環(huán)真空泵可高達75 kW。以國外引進(jìn)機組均未設置起動(dòng)引水的水環(huán)真空泵。300 MW機組水環(huán)真空泵的電機功率為5.5 kW3.2連續排氣與"起動(dòng)引水"排氣系統比較“起動(dòng)引水"的水環(huán)真空泵為22 kW。連續排氣系統與“起動(dòng)引水"排氣系統的根本區4應用中的問(wèn)題別是抽氣速率的不同,而連續排氣系統適用于機組起動(dòng)和運行時(shí)2種工況,而“起動(dòng)引水”排氣系統應無(wú)論是“起動(dòng)引水”或是連續排汽的水環(huán)真空泵用于機組運行工況時(shí)不能取得應有效果,即不能取應用中都存在問(wèn)題,多在停用狀態(tài)。這也給使用凝器得改善氣液兩相流流動(dòng)特性和傳熱性的效果。循環(huán)水出門(mén)憋壓調節提供了條件,尤其連續排氣系3.2.1抽氣速率不同,差別較大統多是由于水室上的氣水分離閥，因循環(huán)水質(zhì)的泥連續排氣系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)運行)選擇的水環(huán)真空沙、污臟造成它的故障,使該系統停用,對此應予改泵抽氣速率小,“起動(dòng)引水”排氣系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)起進(jìn)提高該閥門(mén)的可靠性。動(dòng))選擇的水環(huán)真空泵抽氣速率較大。如表1所示。5結束語(yǔ)表1連續排氣系統和啟動(dòng)引水系統水環(huán)真空泵的選型比較(1)對沿江和沿海而建的發(fā)電廠(chǎng),多使用開(kāi)式循抽氣方式機組容量MW凝汽器型式水環(huán)泵抽氣速環(huán)水系統,該系統都設計有虹吸裝置,可通過(guò)利用虹.率/(m2+h*)吸的負揚程,實(shí)現降低循環(huán)水泵電耗的節能效果,但起動(dòng)600雙壓2 300~ 2500同時(shí)又會(huì )在換熱管中,出現氣液兩相流,給凝汽設備運行200~250的安全與經(jīng)濟帶來(lái)不利的影響,應通過(guò)實(shí)踐,克服氣300單壓1 200~1 500液兩相流的不利影響,完全地發(fā)揮虹吸的節能作用。140~150(2)對開(kāi)式循環(huán)水系統使用憋壓(關(guān)小凝汽器從表1所列數據可知運行和起動(dòng)2種排氣方式循環(huán)水出水門(mén))進(jìn)行水量調節時(shí)它會(huì )妨礙虹吸負打所選的水環(huán)真空泵的抽氣速率相差達一個(gè)數量級。揚程的回收和利用,喪失虹吸裝置的節能效果。根據水環(huán)真空泵性能曲線(xiàn),對于抽氣速率較大(吸入(3)直接利用目前國內大機組(300 MW以上)口壓力30~50kPa),運行在抽氣速率較低時(shí)的工所設計的循環(huán)水“起動(dòng)引水”系統,應通過(guò)評估和分況,吸人口壓力會(huì )更低(10kPa以下)致使排氣速率析是否會(huì )取得更有利的兩相流的流型,否則這種應增加很多,以致出現不合適的氣液兩相流型,失去應用是不合適的。有的效果。(4)設計、安裝合適的循環(huán)水系統連接排氣系3.2.2抽氣速率的設計與確定統,確保凝汽設備的運行安全,對虹吸揚程的利用及水環(huán)真空泵抽氣速率的確定,應根據開(kāi)式循環(huán)其他節能作用是有益的。水系統中循環(huán)水所處的工況和它在水中的溶解度及參考文獻:它的釋放量。其溶解度通常使用如下計算式:[1]林宗憲. 汽液兩相流和沸騰傳熱.[2]徐濟瓷.兩相流的不穩定研究.Qo=Ko. p.G .中國煤化工式中:Ko為循環(huán)水中溶解度系數,mg/;PG為氣相分作者壓;P為全壓(近于飽和壓力);G為循環(huán)水量,kg/h。吳日秀:YHCNMHG師,從事汽輪機運行節能研究工作:3.2.3耗功差別吳國莉(1971-),女,江蘇張家港人,工程師，從事火電廠(chǎng)汽輪機(1)設計值。水環(huán)真空泵的耗功與其抽氣速率、技術(shù)工作。