凝汽器循环水系统气液两相流的特性及影响

江苏电机工程2008年11月.Jiangsu Electrical Engineering第27卷增刊97节能专业技术●凝汽器循环水系统气液两相流的特性及影响吴曰舜',吴国莉2(1.江苏省电力试验研究院有限公司,江苏南京210036;2.江苏南通天生港发电有限公司,江苏南通226003)摘要:汽轮机组开式循环水系统适行中 ,常因调节不当而在凝汽器传热管中出现汽液两相流,造成循环水流动特性劣化,还使循环水强制对流的传热特性变成两相流体复杂的传热特性,因此克服或缩小两相流的换热管束区有益于节能。关键词:凝汽器;开式循环水;汽水两相流中图分类号:TK224.2*1文献标识码:B文章编号:1009 -0665(2008)S1 - 0097 -04火力发电厂中汽轮机组的凝汽器及其系统,位当前,在火力发电厂中,除空冷机组外,大机组于热力系统蒸汽参数的终端,即机组冷端。它的性能(600MW以上)的循环水系统,多采用2种方式。一.除与汽轮机组的低压部分及其相关的真空系统性能种是沿江沿海而建的电厂多采用直流供水即开式循(如漏气性能)有关外,还与供水冷却系统即循环水环系统;另一种则是通过自然通风冷却塔的循环供系统有关。就大机组而言(600 MW以上机组)其低水,即闭式循环系统。这2种供水方式的显著区别是压通流部分叶片已采用三元流动设计,末级长叶片在凝汽器水侧供水能位不同:前者低,后者高。能耗及双压凝汽器技术的采用等,尽管在机组与凝汽器差别很大:前者小，后者大。此外,凝汽器是一种表面连结的排汽管,尚未见按空气动力学的三元流动设式热交换器,其热源侧(壳侧)借蒸汽凝结释放热量计的例证及凝汽器壳侧对排汽凝结释放热量时所涉加热循环水。而冷源侧通过换热管壁吸收热量。显及的两相流动的应用报导外,就当前的实用现状来.然,在换热过程中由于供水方式不同,例如开式循环说已属优化设计。此外,凝汽器的循环水系统中水泵的直流供水系统,它可以利用7~8 m的虹吸扬程,的配置及其吸排系统的优化设计是不容置疑的。但有显著的节电效果,但它会使凝汽器的循环水介质在运行中该系统是否已取得了优化的运行效果,将过冷度减少,在供水量分配不均而热流率不变,当供是本文提出商酌的问题。水压力(局部压力)下降至可使循环介质产生汽泡的温度(欠热沸腾)时便会发生汽液两相流。从而引出收稿日期:2008-07-08范围的巡视,用小焦距的方式运动,延时并不非常重只有调用预置位的功能,而不能设定预置位。要,而在工业电视系统中需要准确定位特定位置时,预置位功能对报警联动来说不可缺少,关联每个延时的存在对准确定位存在很大影响。报警信号与对应的摄像头和对应预置位的关系,在日常运行中可从管理和使用上尽量减少延时影报警发生时,相应的摄像头会自动运动到相应的预置响,全厂工业电视系统除了防爆云台外,其他的云台位,硬盘录像机自动录像,整个过程都是自动的,对都有64个预置位,其最小旋转定位是0.75*(高速云值班人员来说减少很多工作量,同时减少错误的发台也有预置位，但因为工业现场的振动和粉尘会影生。国电泰州发电有限公司工业电视系统(除了集挖响到寿命,只在集控室使用)。可在工业电视局域网室的高速云台外)选用的一体化摄像头没有焦距预内(延时最小)有权限设定的人员,设定每个摄像点.置位的设定和调用,现在已经有带焦距预置位的一-的数个经常需要巡视的方位和焦距,保存在预置位中,体化中国煤化工则预置位在水平列出各预置位的预置位号码和名称,发给每个监控人方向、YHCNMHG', 使用更加方便。员,以后其他的监控人员只要直接调用相应的预置位就可以了。为了避免预置位设定混乱,全厂只有一台作者简介:专用的电脑可以设置预置位(软件不同),其他的都黄书益(1969-),女,高级工程师,从事信息网络技术研究工作。98江苏电机工程较为复杂的循环介质动力学和热力学方面的问题。地出现数值不等的截面含气率a,甚至最上部的管1循环水系统中循环介质气液两相流的特性束由于分配不到循环水而出现缺液和无液的干管换热管束。由此可见,开式循环水系统中在换热管束中及影响出现的气液两相流是不可避免的。循环水系统中循环介质的气液两相流,已如上1.2.1流动特性述与所采用的循环方式有关,即是闭式循环或是开式当换热管束中出现两相流时,由于运行及调节循环。方式常会造成换热管束中的介质流量波动，即出现1.1闭式循环系统中单相循环介质的流动特性和传流动不稳定性。正如上述,换热管束的流动特性是用热特性管束两端的压降△P与其流量G之间的数学关系来1.1.1流动特性表示。并用它来描述该系统的流动特性。对于两相流凝汽器中的换热管束都是水平安装的,采用闭来说,它所涉及到的技术参数要比单相液体多。如压式循环,循环水在换热管中流动时,以一元流动方力(P)截面含气率(x)、质量含气率(X)、流型(T)、流式并有较高的静压能位。在相同的热流率q下具有“ 道的几何尺寸(D)等。用这些参数之间的相互关系很大的过冷度,无论是管束的始端还是末端都不会组成了表征气液两相流动特性的数学表达式:引起循环介质(水)产生相变。由此可知,在给定qOP=SP:+QP:+OP:=f(G") n=2,3,.. (1)时，流经管束进行换热的循环水质量流量G与通上式对于单相液体时n=2,即二次曲线。但对过管束的压降AP之间的变化关系,即它的流动特气液两相介质,会随着运行工况和调节方式的不同,性具有如图1所示的关系。出现一定的气相份额, 即气相a及x的增大,而不可忽略的是加速压降AP。上升,重力压降SP。下降(混合介质密度),摩擦压降APp则因气量增大,混合流速上升动力压头加大而增大。另一方面,因混合介质密度下降,动力压头减少,已可使摩擦降AP,减少。综合上述情况,可知同样的压降AP时会出现多團1单相流体的AP=f(C2)曲线个流量GA.Gg.Gc,即流量的多值性,并有△P= f(C)见图1,作用于管東两端的压降△P与其质量流的数学关系式,即呈现出三次方的曲线,如图2所示。量G之间为单调.上升的曲线, AP=f(Gx)即二次曲线。当流量G=0时,对应的压降AP=0(曲线通过0点)。阻力特性/曲线上每一个流量G只对应-一个阻力压降SP。一/压头特性从上述可知单相流体,流经凝汽器的加热管束时的流动特性是稳定的。1.1.2传热特性0CG/(kg.s1)闭式循环水系统中的循环水流经凝汽器换热管束时,已如上述具有很高的过冷度,在凝结放热的条圈2△P=f(C)关系曲线件下,(- -定的热流密度)通常不会发生相变而产生从图2可知,随着C的增大,AP先增加而后再气液两相流。所以它的传热特性只能是单相的介质减小,最后再增大的变化趋势。而它的物理概念则(水)所具有的强制性对流传热,其传热特性与流动是,先增大为气相特性,中间减少为气液两相流特特性同样比较稳定。性,最后再增大为液相流特性。这种变化过程,无疑1.2开式循环水系统中两相循环介质流动特性及可以认为这是介质不稳定的流动现象。这种不稳定传热特性将施加到循环水泵上反映出流量的漂移。开式及闭式循环水系统在运行中所反映的介质1.2.2传热特性流动特性和传热特性的区别在于,它们在流经凝汽中国煤化王比较,多出了一个器换热管柬时是否会发生相变,同时呈现出水相和气柜= ,所以在讨论气液气相。现场实践表明,在开式循环水系统中流经凝两.JHCNMH组界面,液相界面和汽器换热管東的循环水,由于分配不均,必然会造成气液相间的界面,且这些界面随者运行工况的变化，上部管束(第二流程)或管束末端(单流程)不同程度调节方式的变化还会引起数量上和分布上的变化。吴日舜等:凝汽器循环水系统气液两相流的特性及影响99正如前述，从两相流时所出现的流动不稳定性可性和缩小气液两相流的区域,但这种方法使系统阻知,当压降瞬时的变化而使介质的局部压力降到换力增加,影响虹吸扬程的回收和利用,使循环水泵耗热管壁温(热流率不变)所对应的汽泡产生的温度功增大为此应禁止使用。时,便会出现过冷沸腾或称次热沸腾,(这里的沸腾2.2.2使用“起动引水”系统的水环真空泵与传统上的沸腾有区别)。显然在这一工况下,产生根据现场实践,该型水环真空泵容量偏大,在运的气泡会降低虹吸效率,影响虹吸扬程的回收和利行条件下,可使气相的抽出速率提高很多。有可能达用。到上述流型中的最后一种流型,即环状流型。使用的1.2.3气液两相流对凝汽器性能的综合影响实际效果可能是抽水而不是抽气。根据_上述气液两相流的流动特性和传热特性,调查发现已有电厂在运行中使用“起运引水”的表现出了使用开式循环时在安全和经济方面且对水环真空泵时,因抽水而过载,烧毁水环真空泵的电机组凝汽器的不利影响。流动特性的不稳定，除会机。(这种情况发生在配置22 kW电动机的水环真引起加热管束的机械振动外，还由于流量的时大时空泵,用于350 MW机组)。现场还发现配置容量更小,形成换热管壁温的时高时低,引起换热管的热大的水环真空泵。电动机容量高达75 kW ,运行中使疲劳而损坏。此外气液两相流所引起的过冷沸腾,用时虽经得起因抽水而过载，但却无抽气的效果。还会降低虹吸效率,最终使循环水泵电耗增加,机(这种情况发生在双压凝汽器的600 MW机组)。总组真空也相应降低。总之,运行中减少或杜绝气液之,直接使用“起动引水”的水环真空泵抽出开式循两相流以弱化它的不利的影响显然是非常必要的。环水系统水室气体，改变使它达到有益的两相流型是困难的也是不可取的。调查发现,凡配置有“起动2改善气液两相流减少不利影响引水”的水环真空泵多数电厂在运行中都未使用。鉴于气液两相流的不利影响来自于不稳定的运行实践还表明,没有凝汽器循环水出水门时,流动特性和过冷沸腾的传热特性,所以改善的措施在起动工况下,凝汽器热负荷较小，多使用关小凝汽应着眼于尽可能增大截面含液率(1-a) ,相对减少器循环水出水门的憋压方法排出水室及管中空气,a及改善管束中的液相分配，扩大循环介质液相截以此取代“起动引水"的水环真空泵,可说是更受运面是必要的。行人员欢迎的一种方法。2.1气液两相流型的选择与确定2.2.3设置与系统相匹配的连续排气系统气液两相流在凝汽器换热管束中流动时,受压开式循环的循环水系统,在运行工况下,对流经力、流量、热流密度和管道的几何尺寸、形状与布置所设计的虹吸装置的循环水己如上述,都伴有强制方式等因素的影响以构成各种流动的结构形式,简蒸发或是过冷沸腾的热力学性能。因此,时刻都会有称为流型。气体分离出来聚积换热管的上部占据通流截面,为根据文献所载明模型试验，循环介质(水)在凝了减少换热管的a,就需要连续地抽出这些气体,保汽器水平换热管東中流动时,根据T.况的不同可获持一种有益的气弹流型(或其他更好的流型),从而得6种不同流型,如图3所示。达到循环水能有更好的流动和传热特性是必要的。此点已如上述有助于克服换热管来的机械振动和热282882疲劳引起的损坏,更有助于虹吸扬程的利用和回收,(1 )细泡状流型(2)气塞状不充型(3)分层流型对凝汽器的安全经济运行都有益。根据调查,国外引进机组，在开式循环水系统中却设置了连续排气系统,但却未设置“起动引水”系统的实例得到证明。(4)波状分层流型(5)气弹状流型(6)环状流型图3换热水平管中气液两相流流型圄3连续排气与"起动引水”排气系统的区别从图3中可看出,第5种流型具有较大含液截3.1“起动引水”排气系统,没有设置的必要性面,能有效改善和克服气液两相流的不利影响。开式循环水系统中设置“起动引水"系统是多余2.2 调整流速, 改善流型的几种方法的,中国煤化工电厂并未使用,这2.2.1憋压调节一点得到证明。 此外,它用关系凝汽器循环水出水门憋压是改变相流还有:THCNMHG速为主的方法。当液相(循环水)流速很慢时(流量(1)憋压排气方法,我国设计的开式循环系统很少)，可促使改善循环水在管束中分配的不均匀中多设计有凝汽器循环水出水门(根据设计规定,该江苏电机工程100门也可不设计)。已如上述,机组起动时,可用该门吸入口压力和压比及效率有关。它的有效功率:憋压排气同样可取得“起动引水”的效果。N,= 38.37Q,.P.lq P/P,(3)(2)连续排气系统的“起动引水”作用式中:Q.为吸人流量;P,为吸人压力;P。为排出压力。.连续排气系统,根据国外引进机组设置方案,都配用功率:设计为运行和备用的水环真空泵各一台,起动时可N=NJ(η.m)(4)2台并列使用,加速“起动引水"。已能满足要求。根据式中:η为等温压缩效率取,0.4;nm为电机效率,取水环真空泵的基本性能，即在吸气压力较高时具有0.94;综合效率在0.35~0.38。抽气速率大特点(性能曲线)的水平段,2台并列后通(2)实用值(根据实例)。根据应用实例,600常可使开式循环水系统排气管中流速达到或接近临MW机组水环真空泵的电机功率为8.5k W,而“起界值,更大抽气速率的水环真空泵,已无实用价值,所动引水”的水环真空泵可高达75 kW。以国外引进机组均未设置起动引水的水环真空泵。300 MW机组水环真空泵的电机功率为5.5 kW3.2连续排气与"起动引水"排气系统比较“起动引水"的水环真空泵为22 kW。连续排气系统与“起动引水"排气系统的根本区4应用中的问题别是抽气速率的不同,而连续排气系统适用于机组起动和运行时2种工况,而“起动引水”排气系统应无论是“起动引水”或是连续排汽的水环真空泵用于机组运行工况时不能取得应有效果,即不能取应用中都存在问题,多在停用状态。这也给使用凝器得改善气液两相流流动特性和传热性的效果。循环水出门憋压调节提供了条件,尤其连续排气系3.2.1抽气速率不同,差别较大统多是由于水室上的气水分离阀，因循环水质的泥连续排气系统(以下简称运行)选择的水环真空沙、污脏造成它的故障,使该系统停用,对此应予改泵抽气速率小,“起动引水”排气系统(以下简称起进提高该阀门的可靠性。动)选择的水环真空泵抽气速率较大。如表1所示。5结束语表1连续排气系统和启动引水系统水环真空泵的选型比较(1)对沿江和沿海而建的发电厂,多使用开式循抽气方式机组容量MW凝汽器型式水环泵抽气速环水系统,该系统都设计有虹吸装置,可通过利用虹.率/(m2+h*)吸的负扬程,实现降低循环水泵电耗的节能效果,但起动600双压2 300~ 2500同时又会在换热管中,出现气液两相流,给凝汽设备运行200~250的安全与经济带来不利的影响,应通过实践,克服气300单压1 200~1 500液两相流的不利影响,完全地发挥虹吸的节能作用。140~150(2)对开式循环水系统使用憋压(关小凝汽器从表1所列数据可知运行和起动2种排气方式循环水出水门)进行水量调节时它会妨碍虹吸负打所选的水环真空泵的抽气速率相差达一个数量级。扬程的回收和利用,丧失虹吸装置的节能效果。根据水环真空泵性能曲线,对于抽气速率较大(吸入(3)直接利用目前国内大机组(300 MW以上)口压力30~50kPa),运行在抽气速率较低时的工所设计的循环水“起动引水”系统,应通过评估和分况,吸人口压力会更低(10kPa以下)致使排气速率析是否会取得更有利的两相流的流型,否则这种应增加很多,以致出现不合适的气液两相流型,失去应用是不合适的。有的效果。(4)设计、安装合适的循环水系统连接排气系3.2.2抽气速率的设计与确定统,确保凝汽设备的运行安全,对虹吸扬程的利用及水环真空泵抽气速率的确定,应根据开式循环其他节能作用是有益的。水系统中循环水所处的工况和它在水中的溶解度及参考文献:它的释放量。其溶解度通常使用如下计算式:[1]林宗宪. 汽液两相流和沸腾传热.[2]徐济瓷.两相流的不稳定研究.Qo=Ko. p.G .中国煤化工式中:Ko为循环水中溶解度系数,mg/;PG为气相分作者压;P为全压(近于饱和压力);G为循环水量,kg/h。吴日秀:YHCNMHG师,从事汽轮机运行节能研究工作:3.2.3耗功差别吴国莉(1971-),女,江苏张家港人,工程师，从事火电厂汽轮机(1)设计值。水环真空泵的耗功与其抽气速率、技术工作。