负压大直径管道内湿蒸汽流体动力特性实验研究

王海涛, 梅雪松, 顾红芳,王海军

(1. 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049; 2. 西安交通大学 高端制造装备协同创新中心, 陕西 西安 710049; 3. 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室, 陕西 西安 710049)

直接空冷技术因具有显著的节水效果,已经成为目前富煤缺水地区火电机组的一种主要冷却方式,对缓解水资源危机、保障电力供应具有重要的意义[1-3]。直接空冷系统的工作原理是汽轮机的排汽经排汽管道通过蒸汽分配管进入上部空冷凝汽器,轴流冷却风机驱动空气流过空冷凝汽器外表面并进行热交换,将排汽冷凝成水,凝结水再经凝结水泵送回汽轮机的回热系统循环利用[4]。排汽管道作为直接空冷系统的关键组成部分,管线的合理布置、管道压降及蒸汽流量分配的有效控制,将直接影响到电厂运行的经济性和安全性[5]。直接空冷系统排汽管道为大直径负压管道,其技术难点在于:(1)控制排汽管道作用于汽轮机低压缸的推力和力矩以满足设计和运行要求; (2)降低系统流动阻力和平衡各支管的流量; (3)综合考虑排汽管道在各类荷载(如结构自重荷载、风荷载、地震荷载、温度荷载、不均匀沉降及工作外力引起的荷载等)作用下的安全问题。对于流动而言,排汽管道系统设计的关键是降低系统压降和平衡各支管的流量,在保证系统各分支管路蒸汽流量分配均匀的同时,防止流动阻力和过冷面积过大,造成换热量损失,导致电厂的热效率降低[6]。

目前,针对直接空冷系统排汽管道的研究多偏重于仿真,主要是采用计算流体动力学软件,对其内部流场进行模拟分析[7-9],模拟结果缺乏与实测数据的对比。为此,本文以600 MW级火电机组排汽管道为研究对象,通过实验,探究含液率、环境温度、系统背压等因素对排汽管道内流动阻力和流量分配的影响,该实验系统具有实际工业应用背景,不仅可以补充和完善排汽管道的设计,而且可以有效培养学生解决复杂工程问题的能力。

1 实验原理

600 MW级火电机组排汽管道的主管道直径约为6 m,由于系统非常庞大,因此无法在实验室对实际结构进行实验研究,需要采用相似理论对实际排汽管道的结构进行模拟,在一定的模化比下进行实验研究。采用相似原理处理管内流体流动的问题时,必须同时满足几何相似、运动形似和动力相似[10-12]。

(1) 几何相似。按照排汽管道的实际结构,采用1∶20的模化比设计实验模型,管道材质与实际结构相同。

(2) 运动相似。运动相似是指流体运动的速度场相似,对于圆管内的流体流动,选择特征速度作为管内平均流速,实验中管内流速与实际的管内流速相同,入口流量和温度、出口的压力与实际排汽管道一致,流动介质为同样含液率的水蒸气。管外为大气环境,在实验中模拟大气环境进行各个参数的测量。

(3) 动力相似。对于相同流体的排汽管道,动力相似主要指雷诺数Re相等。排汽管道直径很大,流速高,Re大,完全能够到达自模化区。由于管内流动是存在冷凝的两相流动,两相流动自模化区的确定目前还没有明确的指标,因此需要用实验方法,不断增加质量流速直至确定进入自模化区,从而得到在与实际情况相似下的进入自模化区的Re。当实际的Re大于进入自模化区所需的Re时,实验系统与实际系统动力相似[13]。

2 实验装置

在实验段附近的布置温度传感器测量环境温度,以考核环境温度对管内蒸汽流动的影响。

图1 实验系统图

3 实验测量系统和采集系统

实验数据主要包括工质流量、压力、实验段各个区段压降、工质温度、实验段壁面温度、环境温度及电加热功率等。各实验参数的测量仪表及参数范围如表1所示,测点布置见图2。

图2 测点布置表1 测量参数及选用仪表

测量参数参数范围测量仪表数量输出精度给水流量和冷凝水0～5 000 kg/h电磁流量计21～5 V0.25%加湿水流量0～200 kg/hST3000/900差压变送器11～5 V0.25%冷却水流量0～70 000 kg/h电磁流量计11～5 V0.25%分离器压力和冷凝器-95～140 kPaST3000/900压力变送器21～5 V0.25%实验段总压差0～+3 kPaRS0867930远传差压变送器11～5 V0.25%弯头处压差-1～+1 kPaRS0867930远传差压变送器11～5 V0.25%阻力实验段压差-1～+1 kPaRS0867930远传差压变送器11～5 V0.25%工质温度5～120 ℃Φ3 mm,K型热电偶6———0.2 ℃壁面温度20～400 ℃Φ0.5 mm,K型热电偶78———0.2 ℃加热功率0～180 kW0～5 000 A0～5 AFS—14交流变压器HL—19电流互感器FS—13交流互感器141～5 V1～5 A1～5 V0.5%0.1%0.5%

4 实验系统标定和工况参数

整个实验系统完全冷凝,满足能量和质量平衡。质量平衡指蒸发量和凝结量的平衡,蒸发量来自于电加热功率的计算。在实验过程中,整个系统一次性加够所需水量,然后加热到饱和状态进行实验,这样电加热功率即为蒸发过程中饱和水变成饱和蒸汽的吸热量。热平衡指蒸汽冷凝放热和冷却水吸热平衡。在正式实验进行前,对系统进行这两个平衡的考核,在5个不同的电加热功率下测量冷凝水流量、电加热功率,测量冷却水流量和进出口温度，计算冷却水的吸热量,最大误差在5%以内,可以认为整个系统的测量和计算方法是能够满足精度要求。

实验参数的选择既充分考虑了实际工程的需要,同时从技术研究的角度加以扩充,具体参数如下:

压力范围(绝对压力kPa):7.5,15,35,45,65；管内流速范围(m/s):20,30,40,50,60,70；质量含汽率:0.9～1.0。

实验中质量流速的选取以能够达到自模化区为原则。当阻力系数不再随Re的改变有明显变化时认为进入自模化区,此时的Re认为是临界雷诺数,即存在凝结的两相流动进入自模化区的最小雷诺数。

5 实验结果分析

5.1 含液率对排汽管道流动阻力特性影响

图3为7.5 kPa下测得的流动阻力随含液率的变化。从图中可以看出,液滴对流动阻力的影响非常小,虽然实验只在7.5 kPa的压力下进行了比较,但在其他压力下液滴的影响要小于该压力下的影响。在足够宽的实验流量范围内,截面含汽率接近1,流动通道基本被气体充满,因此液滴的存在对流量分配的影响可以忽略。

图3 7.5 kPa下含液率对流动阻力的影响

5.2 环境温度对排汽管道中蒸汽凝结液量的影响

图4为7.5 kPa下液膜厚度与环境温度的关系。在-45 ℃～30 ℃温度范围内,相同的高度上,液膜厚度是随着环境温度的降低而增加,其原因是环境温度降低,温差增加,向大空间换热量增加,从而凝结量增加。由于重力的作用,在管道的最低部位液膜厚度达到最大,在最大液膜厚度处,凝结液量占总蒸汽流量约为0.1%,其厚度约为0.04 mm,而管道的粗糙度一般在0.02～0.1 mm,因此液膜厚度尚不能覆盖管道的粗糙度,可以认为有凝结现象的排汽管道仍然为粗糙管道。液膜的存在对蒸汽的流通通道面积和流通管道粗糙度都没有产生明显的影响。

图4 7.5 kPa下液膜厚度与环境温度的关系

5.3 压力对流量分配的影响

图5给出了各支管流量分配在不同压力下的变化规律。4个支管的流量分配比随压力变化不大,压力对各支管流量分配的影响可以忽略。

图5 G=0.25 kg/s时不同压力下各支管质量流量分配

5.4 管件流动阻力与质量流量的关系

测点布置图见图3,选取其中4组截面进行分析，结果见图6。由图6可知,流动阻力随着压力的降低而增加,随质量流量的增加而增加,这是由于在一定的质量流速下,随压力降低,体积流量增加,管内流速增加,阻力增加速度与流速的平方成正比。

图6 4组截面的压差与质量流量的关系曲线

5.5 自模化区的确定

通过对各个管件的较大范围的流量和压力的实验,获得了进入自模化区的Re,见图7，同一个截面达到自模化区的Re基本不随压力变化,对于本文中的管道系统,当进入Re>1.5×105时均可以认为进入自模化区。

图7 4组截面的阻力系数与雷诺数关系曲线

6 结论

(1) 由于凝结液膜的厚度与管道直径相比非常小,并且冷凝液膜厚度小于商用管道的平均粗糙度,可以忽略液膜对流动阻力和流动面积的影响,冷凝液总流量很小,即使高速气流对液膜的撕碎和携带也不会影响管道内主气流的流动特性。

(2) 各支管所分配的流量主要受末端冷凝效果的影响而几乎不受压力的影响。

(3) 管道内流体的流动阻力随着压力的降低而增加,随着质量流量的增加而增加,阻力的增加速度与流速的平方成正比。

(4) 当Re>1.5×105时管内流动均可以认为进入自模化区,在实际运行工况中Re均超过了此值,本实验系统内蒸汽流动特性与实际排汽管道满足相似原理,实验参数设计合理。

(5) 各部分管件阻力系数随Re的变化趋势与经典的莫迪图基本吻合。通过实验能较好地预测直接空冷排汽管道内湿蒸汽的流动状况,对实际工程设计具有一定的指导意义。