水泥窯低溫余熱電站熱水管道兩相流設(shè)計(jì)淺談

　　0 引言 

　　在電站熱力系統(tǒng)中， 生產(chǎn)高溫?zé)崴哂刑厥庖饬x， 它不僅影響到廢氣余熱的利用量及余熱鍋爐的排煙溫度，還直接影響到鍋爐的產(chǎn)汽量及余熱利用效率。一般來(lái)講， 為了提高煙氣余熱的利用量， 余熱電站設(shè)計(jì)時(shí)，都采取盡可能提高熱水出水溫度的辦法。但是熱水溫度太高， 在輸送過(guò)程中容易發(fā)生汽化， 變成汽水混合物，從而影響輸送系統(tǒng)的安全性。本文把汽水兩相流的概念引入到余熱電站熱水管道設(shè)計(jì)中，目的是在確保系統(tǒng)運(yùn)行安全的前提下，使汽水管道不受防汽化溫度的限制和要求， 來(lái)盡可能多的回收低溫廢氣余熱。 

　　1 汽水兩相流管道的基本特征 

　　1．1 汽水分層 

　　余熱電站外管線(xiàn)中， 最多的是具有一定坡度的平管道， 這種管道由于汽水密度不同， 使得管道截面上蒸汽上升，形成汽水分層的現(xiàn)象。對(duì)于垂直上升管道，由于蒸汽流速大于熱水流速， 另外管道中心流速大于近壁面流速，因此管道中心容易形成蒸汽分層。對(duì)于垂直下降管道， 則在靠近管壁處形成蒸汽分層。 

　　1．2 流體溫度變化很小 

　　因?yàn)榱黧w是在飽和水和飽和汽之間變化， 如果管道為絕熱管道， 那么管道中介質(zhì)溫度變化很小， 始終為飽和壓力對(duì)應(yīng)的溫度。 

　　1．3 流動(dòng)阻力和噪聲升高 

　　對(duì)于兩相流體， 不能直接用單相流體的摩擦阻力公式進(jìn)行計(jì)算， 其壓降與流型和流體中的含汽率有很大關(guān)系，摩擦阻力隨著流體流動(dòng)過(guò)程中含汽率的波動(dòng)而變化。與單相流體相比， 兩相流體的局部阻力也稍增大一些。 

　　1．4 節(jié)流產(chǎn)生的汽水兩相流體造成壓力局部升高流體節(jié)流后， 壓力下降， 會(huì)加速水的汽化， 造成實(shí)際上的流體壓力的升高。 

　　2 發(fā)生汽水兩相流的原因和對(duì)系統(tǒng)的影響 

　　2．1 主要原因 

　　1）在余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 主觀(guān)上提高了熱水溫度， 以取得低溫廢氣余熱的最大利用； 
　　2）在余熱發(fā)電熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)為了安全， 熱水溫度取值偏低， 但當(dāng)水泥窯波動(dòng)引起廢氣溫度升高時(shí)，熱水吸收熱量增多，導(dǎo)致局部汽化發(fā)生汽水兩相流； 
　　3）熱水在通過(guò)節(jié)流裝置如孔板、調(diào)節(jié)閥或管道擴(kuò)徑時(shí)， 容易發(fā)生熱水汽化形成汽水兩相流。尤其是當(dāng)調(diào)節(jié)閥在低負(fù)荷小流量運(yùn)行時(shí)，更容易發(fā)生汽水兩相流。 

　　2．2 發(fā)生汽水兩相流的環(huán)節(jié) 

　　1）余熱鍋爐省煤器及出口集箱。由于鍋爐本體系統(tǒng)中蒸發(fā)器上升管道是按照汽水兩相流進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此，這兩部分按照汽水兩相流進(jìn)行設(shè)計(jì)， 應(yīng)該不存在困難。 

　　2）熱水輸送管道。在國(guó)內(nèi)只有冀東水泥集團(tuán) 2 個(gè)補(bǔ)燃電站的熱水管道是按照汽水兩相流進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該電站把AQC爐生產(chǎn)的汽水混合物，輸送到補(bǔ)燃鍋爐的鍋筒內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)汽。而其它余熱電站的熱水輸送管道均沒(méi)有按照汽水兩相流進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是在實(shí)際運(yùn)行中，很多電站都出現(xiàn)過(guò)汽水兩相流的情況。因此， 對(duì)管道的壽命產(chǎn)生影響， 甚至?xí)霈F(xiàn)安全隱患。 

  2．3 對(duì)系統(tǒng)的影響 

　　1）水擊。蒸汽管道設(shè)計(jì)流速很高， 比如主蒸汽管道一般要達(dá)到 30m/ｓ， 但是水管道設(shè)計(jì)流速很低， 只有1．5￣5m/ｓ。熱水發(fā)生汽化后， 由于體積膨脹， 使得汽水混合物流速增加， 快速的蒸汽夾雜水滴沖刷管道，造成水擊現(xiàn)象，有損于管道壽命。 
　　2）汽水阻塞。熱水汽化導(dǎo)致阻力增加， 導(dǎo)致汽水管道發(fā)生局部阻塞現(xiàn)象。 
　　3）管道振動(dòng)。由于汽水兩相流體在管道輸送過(guò)程中含汽率是變化的， 因此管道內(nèi)兩相流體的流速是變化的，速度的改變以及水擊現(xiàn)象會(huì)造成管道振動(dòng)的加劇。 
　　4）閥門(mén)工作狀態(tài)改變， 調(diào)節(jié)困難。 
　　5）儀器儀表測(cè)量不準(zhǔn)確。 

　　2．4 熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng) 

　　1）為了確保在發(fā)生汽水阻塞的時(shí)候， 管道能順利投運(yùn)， 鍋爐給水泵應(yīng)按單相流動(dòng)阻力的 120％選取。為了保證在單相流動(dòng)時(shí)的節(jié)電， 鍋爐給水泵需加裝變頻調(diào)速裝置。 
　　2） 為了防止管道振動(dòng)加劇， 需增加管道的剛性。如增加管道壁厚， 縮短管道支架間距， 以及合理考慮固定支架的設(shè)置等。 
　　3）為了保證給水測(cè)量及給水調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度，應(yīng)盡可能地把流量計(jì)和閥門(mén)安裝在同一給水管道的冷端。同時(shí)對(duì)閥門(mén)的訂貨提出比較嚴(yán)格的要求，使閥門(mén)在設(shè)計(jì)及制造時(shí)考慮在此工況下盡可能的延長(zhǎng)壽命。 
　　4） 汽水兩相流體的流量可采用專(zhuān)用的汽水兩相流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。溫度計(jì)和壓力計(jì)按常規(guī)選取即可。 

　　3 小結(jié) 

　　本文通過(guò)在水泥窯純低溫余熱電站熱水輸送管道設(shè)計(jì)中引入汽水兩相流這個(gè)概念，使得在管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)及閥門(mén)、測(cè)量?jī)x表選型等方面引起設(shè)計(jì)單位和使用單位的注意，來(lái)確保系統(tǒng)運(yùn)行的包容性和安全性。同時(shí)通過(guò)采取提高管道運(yùn)行溫度， 允許或保持管道內(nèi)汽水兩相流動(dòng)的措施，來(lái)提高余熱利用的效率和可靠性， 并減少運(yùn)行的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。