江蘇電機(jī)工程2008年11月.Jiangsu Electrical Engineering第27卷增刊97節(jié)能專業(yè)技術(shù)●凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)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(jī)組開式循環(huán)水系統(tǒng)適行中 ,常因調(diào)節(jié)不當(dāng)而在凝汽器傳熱管中出現(xiàn)汽液兩相流,造成循環(huán)水流動特性劣化,還使循環(huán)水強(qiáng)制對流的傳熱特性變成兩相流體復(fù)雜的傳熱特性,因此克服或縮小兩相流的換熱管束區(qū)有益于節(jié)能。關(guān)鍵詞:凝汽器;開式循環(huán)水;汽水兩相流中圖分類號:TK224.2*1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1009 -0665(2008)S1 - 0097 -04火力發(fā)電廠中汽輪機(jī)組的凝汽器及其系統(tǒng),位當(dāng)前,在火力發(fā)電廠中,除空冷機(jī)組外,大機(jī)組于熱力系統(tǒng)蒸汽參數(shù)的終端,即機(jī)組冷端。它的性能(600MW以上)的循環(huán)水系統(tǒng),多采用2種方式。一.除與汽輪機(jī)組的低壓部分及其相關(guān)的真空系統(tǒng)性能種是沿江沿海而建的電廠多采用直流供水即開式循(如漏氣性能)有關(guān)外,還與供水冷卻系統(tǒng)即循環(huán)水環(huán)系統(tǒng);另一種則是通過自然通風(fēng)冷卻塔的循環(huán)供系統(tǒng)有關(guān)。就大機(jī)組而言(600 MW以上機(jī)組)其低水,即閉式循環(huán)系統(tǒng)。這2種供水方式的顯著區(qū)別是壓通流部分葉片已采用三元流動設(shè)計,末級長葉片在凝汽器水側(cè)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(jī)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(jié)的排汽管,尚未見按空氣動力學(xué)的三元流動設(shè)式熱交換器,其熱源側(cè)(殼側(cè))借蒸汽凝結(jié)釋放熱量計的例證及凝汽器殼側(cè)對排汽凝結(jié)釋放熱量時所涉加熱循環(huán)水。而冷源側(cè)通過換熱管壁吸收熱量。顯及的兩相流動的應(yīng)用報導(dǎo)外,就當(dāng)前的實用現(xiàn)狀來.然,在換熱過程中由于供水方式不同,例如開式循環(huán)說已屬優(yōu)化設(shè)計。此外,凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)中水泵的直流供水系統(tǒng),它可以利用7~8 m的虹吸揚(yáng)程,的配置及其吸排系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是不容置疑的。但有顯著的節(jié)電效果,但它會使凝汽器的循環(huán)水介質(zhì)在運(yùn)行中該系統(tǒng)是否已取得了優(yōu)化的運(yùn)行效果,將過冷度減少,在供水量分配不均而熱流率不變,當(dāng)供是本文提出商酌的問題。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)時便會發(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(yùn)動,延時并不非常重只有調(diào)用預(yù)置位的功能,而不能設(shè)定預(yù)置位。要,而在工業(yè)電視系統(tǒng)中需要準(zhǔn)確定位特定位置時,預(yù)置位功能對報警聯(lián)動來說不可缺少,關(guān)聯(lián)每個延時的存在對準(zhǔn)確定位存在很大影響。報警信號與對應(yīng)的攝像頭和對應(yīng)預(yù)置位的關(guān)系,在日常運(yùn)行中可從管理和使用上盡量減少延時影報警發(fā)生時,相應(yīng)的攝像頭會自動運(yùn)動到相應(yīng)的預(yù)置響,全廠工業(yè)電視系統(tǒng)除了防爆云臺外,其他的云臺位,硬盤錄像機(jī)自動錄像,整個過程都是自動的,對都有64個預(yù)置位,其最小旋轉(zhuǎn)定位是0.75*(高速云值班人員來說減少很多工作量,同時減少錯誤的發(fā)臺也有預(yù)置位，但因為工業(yè)現(xiàn)場的振動和粉塵會影生。國電泰州發(fā)電有限公司工業(yè)電視系統(tǒng)(除了集挖響到壽命,只在集控室使用)。可在工業(yè)電視局域網(wǎng)室的高速云臺外)選用的一體化攝像頭沒有焦距預(yù)內(nèi)(延時最小)有權(quán)限設(shè)定的人員,設(shè)定每個攝像點.置位的設(shè)定和調(diào)用,現(xiàn)在已經(jīng)有帶焦距預(yù)置位的一-的數(shù)個經(jīng)常需要巡視的方位和焦距,保存在預(yù)置位中,體化中國煤化工則預(yù)置位在水平列出各預(yù)置位的預(yù)置位號碼和名稱,發(fā)給每個監(jiān)控人方向、YHCNMHG', 使用更加方便。員,以后其他的監(jiān)控人員只要直接調(diào)用相應(yīng)的預(yù)置位就可以了。為了避免預(yù)置位設(shè)定混亂,全廠只有一臺作者簡介:專用的電腦可以設(shè)置預(yù)置位(軟件不同),其他的都黃書益(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(jī)工程較為復(fù)雜的循環(huán)介質(zhì)動力學(xué)和熱力學(xué)方面的問題。地出現(xiàn)數(shù)值不等的截面含氣率a,甚至最上部的管1循環(huán)水系統(tǒng)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(xiàn)缺液和無液的干管換熱管束。由此可見,開式循環(huán)水系統(tǒng)中在換熱管束中及影響出現(xiàn)的氣液兩相流是不可避免的。循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)介質(zhì)的氣液兩相流,已如上1.2.1流動特性述與所采用的循環(huán)方式有關(guān),即是閉式循環(huán)或是開式當(dāng)換熱管束中出現(xiàn)兩相流時,由于運(yùn)行及調(diào)節(jié)循環(huán)。方式常會造成換熱管束中的介質(zhì)流量波動，即出現(xiàn)1.1閉式循環(huán)系統(tǒng)中單相循環(huán)介質(zhì)的流動特性和傳流動不穩(wěn)定性。正如上述,換熱管束的流動特性是用熱特性管束兩端的壓降△P與其流量G之間的數(shù)學(xué)關(guān)系來1.1.1流動特性表示。并用它來描述該系統(tǒng)的流動特性。對于兩相流凝汽器中的換熱管束都是水平安裝的,采用閉來說,它所涉及到的技術(shù)參數(shù)要比單相液體多。如壓式循環(huán),循環(huán)水在換熱管中流動時,以一元流動方力(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(shù)之間的相互關(guān)系很大的過冷度,無論是管束的始端還是末端都不會組成了表征氣液兩相流動特性的數(shù)學(xué)表達(dá)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，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n=2,即二次曲線。但對過管束的壓降A(chǔ)P之間的變化關(guān)系,即它的流動特氣液兩相介質(zhì),會隨著運(yùn)行工況和調(diào)節(jié)方式的不同,性具有如圖1所示的關(guān)系。出現(xiàn)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A(chǔ)P。上升,重力壓降SP。下降(混合介質(zhì)密度),摩擦壓降A(chǔ)Pp則因氣量增大,混合流速上升動力壓頭加大而增大。另一方面,因混合介質(zhì)密度下降,動力壓頭減少,已可使摩擦降A(chǔ)P,減少。綜合上述情況,可知同樣的壓降A(chǔ)P時會出現(xiàn)多團(tuán)1單相流體的AP=f(C2)曲線個流量GA.Gg.Gc,即流量的多值性,并有△P= f(C)見圖1,作用于管東兩端的壓降△P與其質(zhì)量流的數(shù)學(xué)關(guān)系式,即呈現(xiàn)出三次方的曲線,如圖2所示。量G之間為單調(diào).上升的曲線, AP=f(Gx)即二次曲線。當(dāng)流量G=0時,對應(yīng)的壓降A(chǔ)P=0(曲線通過0點)。阻力特性/曲線上每一個流量G只對應(yīng)-一個阻力壓降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的流動特性是穩(wěn)定的。1.1.2傳熱特性0CG/(kg.s1)閉式循環(huán)水系統(tǒng)中的循環(huán)水流經(jīng)凝汽器換熱管束時,已如上述具有很高的過冷度,在凝結(jié)放熱的條圈2△P=f(C)關(guān)系曲線件下,(- -定的熱流密度)通常不會發(fā)生相變而產(chǎn)生從圖2可知,隨著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(qiáng)制性對流傳熱,其傳熱特性與流動是,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(wěn)定。性,最后再增大為液相流特性。這種變化過程,無疑1.2開式循環(huán)水系統(tǒng)中兩相循環(huán)介質(zhì)流動特性及可以認(rèn)為這是介質(zhì)不穩(wěn)定的流動現(xiàn)象。這種不穩(wěn)定傳熱特性將施加到循環(huán)水泵上反映出流量的漂移。開式及閉式循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行中所反映的介質(zhì)1.2.2傳熱特性流動特性和傳熱特性的區(qū)別在于,它們在流經(jīng)凝汽中國煤化王比較,多出了一個器換熱管柬時是否會發(fā)生相變,同時呈現(xiàn)出水相和氣柜= ,所以在討論氣液氣相。現(xiàn)場實踐表明,在開式循環(huán)水系統(tǒng)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,必然會造成氣液相間的界面,且這些界面隨者運(yùn)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(diào)節(jié)方式的變化還會引起數(shù)量上和分布上的變化。吳日舜等:凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)氣液兩相流的特性及影響99正如前述，從兩相流時所出現(xiàn)的流動不穩(wěn)定性可性和縮小氣液兩相流的區(qū)域,但這種方法使系統(tǒng)阻知,當(dāng)壓降瞬時的變化而使介質(zhì)的局部壓力降到換力增加,影響虹吸揚(yáng)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(yīng)的汽泡產(chǎn)生的溫度功增大為此應(yīng)禁止使用。時,便會出現(xiàn)過冷沸騰或稱次熱沸騰,(這里的沸騰2.2.2使用“起動引水”系統(tǒng)的水環(huán)真空泵與傳統(tǒng)上的沸騰有區(qū)別)。顯然在這一工況下,產(chǎn)生根據(jù)現(xiàn)場實踐,該型水環(huán)真空泵容量偏大,在運(yùn)的氣泡會降低虹吸效率,影響虹吸揚(yáng)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(dá)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際效果可能是抽水而不是抽氣。根據(jù)_上述氣液兩相流的流動特性和傳熱特性,調(diào)查發(fā)現(xiàn)已有電廠在運(yùn)行中使用“起運(yùn)引水”的表現(xiàn)出了使用開式循環(huán)時在安全和經(jīng)濟(jì)方面且對水環(huán)真空泵時,因抽水而過載,燒毀水環(huán)真空泵的電機(jī)組凝汽器的不利影響。流動特性的不穩(wěn)定，除會機(jī)。(這種情況發(fā)生在配置22 kW電動機(jī)的水環(huán)真引起加熱管束的機(jī)械振動外，還由于流量的時大時空泵,用于350 MW機(jī)組)?，F(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)配置容量更小,形成換熱管壁溫的時高時低,引起換熱管的熱大的水環(huán)真空泵。電動機(jī)容量高達(dá)75 kW ,運(yùn)行中使疲勞而損壞。此外氣液兩相流所引起的過冷沸騰,用時雖經(jīng)得起因抽水而過載，但卻無抽氣的效果。還會降低虹吸效率,最終使循環(huán)水泵電耗增加,機(jī)(這種情況發(fā)生在雙壓凝汽器的600 MW機(jī)組)?？偨M真空也相應(yīng)降低?？傊?運(yùn)行中減少或杜絕氣液之,直接使用“起動引水”的水環(huán)真空泵抽出開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(tǒng)水室氣體，改變使它達(dá)到有益的兩相流型是困難的也是不可取的。調(diào)查發(fā)現(xiàn),凡配置有“起動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(shù)電廠在運(yùn)行中都未使用。鑒于氣液兩相流的不利影響來自于不穩(wěn)定的運(yùn)行實踐還表明,沒有凝汽器循環(huán)水出水門時,流動特性和過冷沸騰的傳熱特性,所以改善的措施在起動工況下,凝汽器熱負(fù)荷較小，多使用關(guān)小凝汽應(yīng)著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(kuò)大循環(huán)介質(zhì)液相截以此取代“起動引水"的水環(huán)真空泵,可說是更受運(yùn)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(shè)置與系統(tǒng)相匹配的連續(xù)排氣系統(tǒng)氣液兩相流在凝汽器換熱管束中流動時,受壓開式循環(huán)的循環(huán)水系統(tǒng),在運(yùn)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(shè)計的虹吸裝置的循環(huán)水己如上述,都伴有強(qiáng)制方式等因素的影響以構(gòu)成各種流動的結(jié)構(gòu)形式,簡蒸發(fā)或是過冷沸騰的熱力學(xué)性能。因此,時刻都會有稱為流型。氣體分離出來聚積換熱管的上部占據(jù)通流截面,為根據(jù)文獻(xiàn)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(xù)地抽出這些氣體,保汽器水平換熱管東中流動時,根據(jù)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(dá)到循環(huán)水能有更好的流動和傳熱特性是必要的。此點已如上述有助于克服換熱管來的機(jī)械振動和熱282882疲勞引起的損壞,更有助于虹吸揚(yáng)程的利用和回收,(1 )細(xì)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(jì)運(yùn)行都有益。根據(jù)調(diào)查,國外引進(jìn)機(jī)組，在開式循環(huán)水系統(tǒng)中卻設(shè)置了連續(xù)排氣系統(tǒng),但卻未設(shè)置“起動引水”系統(tǒng)的實例得到證明。(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(xù)排氣與"起動引水”排氣系統(tǒng)的區(qū)別從圖3中可看出,第5種流型具有較大含液截3.1“起動引水”排氣系統(tǒng),沒有設(shè)置的必要性面,能有效改善和克服氣液兩相流的不利影響。開式循環(huán)水系統(tǒng)中設(shè)置“起動引水"系統(tǒng)是多余2.2 調(diào)整流速, 改善流型的幾種方法的,中國煤化工電廠并未使用,這2.2.1憋壓調(diào)節(jié)一點得到證明。 此外,它用關(guān)系凝汽器循環(huán)水出水門憋壓是改變相流還有:THCNMHG速為主的方法。當(dāng)液相(循環(huán)水)流速很慢時(流量(1)憋壓排氣方法,我國設(shè)計的開式循環(huán)系統(tǒng)很少)，可促使改善循環(huán)水在管束中分配的不均勻中多設(shè)計有凝汽器循環(huán)水出水門(根據(jù)設(shè)計規(guī)定,該江蘇電機(jī)工程100門也可不設(shè)計)。已如上述,機(jī)組起動時,可用該門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“起動引水”的效果。N,= 38.37Q,.P.lq P/P,(3)(2)連續(xù)排氣系統(tǒng)的“起動引水”作用式中:Q.為吸人流量;P,為吸人壓力;P。為排出壓力。.連續(xù)排氣系統(tǒng),根據(jù)國外引進(jìn)機(jī)組設(shè)置方案,都配用功率:設(shè)計為運(yùn)行和備用的水環(huán)真空泵各一臺,起動時可N=NJ(η.m)(4)2臺并列使用,加速“起動引水"。已能滿足要求。根據(jù)式中:η為等溫壓縮效率取,0.4;nm為電機(jī)效率,取水環(huán)真空泵的基本性能，即在吸氣壓力較高時具有0.94;綜合效率在0.35~0.38。抽氣速率大特點(性能曲線)的水平段,2臺并列后通(2)實用值(根據(jù)實例)。根據(jù)應(yīng)用實例,600?？墒归_式循環(huán)水系統(tǒng)排氣管中流速達(dá)到或接近臨MW機(jī)組水環(huán)真空泵的電機(jī)功率為8.5k W,而“起界值,更大抽氣速率的水環(huán)真空泵,已無實用價值,所動引水”的水環(huán)真空泵可高達(dá)75 kW。以國外引進(jìn)機(jī)組均未設(shè)置起動引水的水環(huán)真空泵。300 MW機(jī)組水環(huán)真空泵的電機(jī)功率為5.5 kW3.2連續(xù)排氣與"起動引水"排氣系統(tǒng)比較“起動引水"的水環(huán)真空泵為22 kW。連續(xù)排氣系統(tǒng)與“起動引水"排氣系統(tǒng)的根本區(qū)4應(yīng)用中的問題別是抽氣速率的不同,而連續(xù)排氣系統(tǒng)適用于機(jī)組起動和運(yùn)行時2種工況,而“起動引水”排氣系統(tǒng)應(yīng)無論是“起動引水”或是連續(xù)排汽的水環(huán)真空泵用于機(jī)組運(yùn)行工況時不能取得應(yīng)有效果,即不能取應(yīng)用中都存在問題,多在停用狀態(tài)。這也給使用凝器得改善氣液兩相流流動特性和傳熱性的效果。循環(huán)水出門憋壓調(diào)節(jié)提供了條件,尤其連續(xù)排氣系3.2.1抽氣速率不同,差別較大統(tǒng)多是由于水室上的氣水分離閥，因循環(huán)水質(zhì)的泥連續(xù)排氣系統(tǒng)(以下簡稱運(yùn)行)選擇的水環(huán)真空沙、污臟造成它的故障,使該系統(tǒng)停用,對此應(yīng)予改泵抽氣速率小,“起動引水”排氣系統(tǒng)(以下簡稱起進(jìn)提高該閥門的可靠性。動)選擇的水環(huán)真空泵抽氣速率較大。如表1所示。5結(jié)束語表1連續(xù)排氣系統(tǒng)和啟動引水系統(tǒng)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,多使用開式循抽氣方式機(jī)組容量MW凝汽器型式水環(huán)泵抽氣速環(huán)水系統(tǒng),該系統(tǒng)都設(shè)計有虹吸裝置,可通過利用虹.率/(m2+h*)吸的負(fù)揚(yáng)程,實現(xiàn)降低循環(huán)水泵電耗的節(jié)能效果,但起動600雙壓2 300~ 2500同時又會在換熱管中,出現(xiàn)氣液兩相流,給凝汽設(shè)備運(yùn)行200~250的安全與經(jīng)濟(jì)帶來不利的影響,應(yīng)通過實踐,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(jié)能作用。140~150(2)對開式循環(huán)水系統(tǒng)使用憋壓(關(guān)小凝汽器從表1所列數(shù)據(jù)可知運(yùn)行和起動2種排氣方式循環(huán)水出水門)進(jìn)行水量調(diào)節(jié)時它會妨礙虹吸負(fù)打所選的水環(huán)真空泵的抽氣速率相差達(dá)一個數(shù)量級。揚(yáng)程的回收和利用,喪失虹吸裝置的節(jié)能效果。根據(jù)水環(huán)真空泵性能曲線,對于抽氣速率較大(吸入(3)直接利用目前國內(nèi)大機(jī)組(300 MW以上)口壓力30~50kPa),運(yùn)行在抽氣速率較低時的工所設(shè)計的循環(huán)水“起動引水”系統(tǒng),應(yīng)通過評估和分況,吸人口壓力會更低(10kPa以下)致使排氣速率析是否會取得更有利的兩相流的流型,否則這種應(yīng)增加很多,以致出現(xiàn)不合適的氣液兩相流型,失去應(yīng)用是不合適的。有的效果。(4)設(shè)計、安裝合適的循環(huán)水系統(tǒng)連接排氣系3.2.2抽氣速率的設(shè)計與確定統(tǒng),確保凝汽設(shè)備的運(yùn)行安全,對虹吸揚(yáng)程的利用及水環(huán)真空泵抽氣速率的確定,應(yīng)根據(jù)開式循環(huán)其他節(jié)能作用是有益的。水系統(tǒng)中循環(huán)水所處的工況和它在水中的溶解度及參考文獻(xiàn):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(jì)瓷.兩相流的不穩(wěn)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(shù),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(jī)運(yùn)行節(jié)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，從事火電廠汽輪機(jī)(1)設(shè)計值。水環(huán)真空泵的耗功與其抽氣速率、技術(shù)工作。