核电厂给水加热器疏水调阀后管道计算选型

代恩岩+王学华

摘 要：核电厂给水加热器疏水调阀后管道内介质一般为汽液两相流，其管道规格选型一般采用经验做法，缺乏详细的定量计算。文章在从工程热力学和流体力学角度阐述了电厂加热器疏水调阀后介质汽液两相流产生的机理，基于核电厂常规岛加热器疏水的典型工作流程，建立数学模型并研究确定加热器疏水调阀后管道选型计算方法。

关键词：核电厂；疏水；汽液两相流；管道选型

中图分类号：TK264 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0011-03

1 引 言

核电厂常规岛用汽轮机抽汽加热给水进行回热，以提高机组效率。给水加热器的疏水为饱和或微过冷状态，在疏水调阀的节流作用下，极易汽化而形成汽液两相流，介质比容变大。如果相应的管道口径过小，则会使管道内介质流速过大，导致管系振动和金属管道磨蚀，给电厂的稳定运行带来风险。而电厂系统设计过程中，对汽液两相流管道的规格选型，一般简单地选用比调阀前管道大一规格管道的经验做法，缺乏定量计算，设计的精确度难以保证。

本文首先从工程热力学和流体力学角度阐述了核电厂加热器疏水调阀后汽液两相流产生的机理，然后针对疏水调阀后介质的比容计算、管道选型等问题进行分析研究，提出了一种简单、实用的加热器疏水调阀后汽液两相流介质管道计算选型方法，弥补了常规做法缺乏定量计算的缺点，可提高核电厂设计的精确度。

2 疏水管道中汽液两相流产生的机理

2.1 核电厂加热器疏水的典型工作过程

核电厂给水加热器一般采用管壳式换热器。加热蒸汽进入换热器的壳侧，与管侧的给水换热后形成所在压力下的饱和或微过冷的凝结水。为了回收这些凝结水，并利用其携带的热量，一般采用逐级自流的方式，使高一级加热器的疏水进入低一级加热器，最终汇入给水循环中。加热器一般设置正常疏水管路和危急疏水管路。

正常运行时，加热器内的疏水通过正常疏水管路进入低一级换热器；在事故工况下，加热器内的疏水通过危急疏水管路直接进入凝汽器。

2.2 汽液两相流产生的机理

绝热节流前后介质参数变化，如图1所示。

流体在管道中流动，遇到突然变窄的断面（如调阀），由于存在阻力使流体压力降低的现象称为节流。节流过程中，流体来不及与外界进行换热也没有功量的传递，可理想化为绝热节流[1]。

核电厂给水加热器疏水管道均有很好的保温措施，疏水通过调阀的过程可视为绝热节流。疏水在绝热节流的过程中，缩口处压力Pvc低于汽化压力Pv时，就会汽化产生气泡。

由于加热器的疏水为饱和或者微过冷的凝结水，P1≈Pv，流经疏水调阀时，在调阀的节流作用下，疏水压力极易低于Pv而产生汽化，汽化产生的蒸汽与疏水混合形成汽液两相流。若P2也小于Pv，则产生的气泡会一直存在于水中，疏水以两相流动形式进入下一级容器。

3 疏水调阀后管道计算选型方法

3.1 计算选型依据

核电厂给水加热器疏水调阀管道计算选型的主要依据包括：

①基于汽液两相流均相流模型，即将汽液两相流体看作一种均匀混合的介质[2]；

②机组热平衡图；

③《核电厂常规岛汽水管道设计规范》（NB/T20193-2012）。

3.2 计算选型过程及说明

给水加热器疏水调阀后管道计算选型的过程，如图2所示。

计算步骤说明如下：

①阻塞流判断：判断阻塞流产生的条件为PR

②确定管系末端压力：对于加热器正常疏水管道，管系末端压力为疏水接收容器压力，即PR=P2；对于加热器危急疏水管道，管系末端一般设置多孔管或孔板等阻尼装置，相应压力应由凝汽器厂家提供，在未得到厂家数据前，可参考下表选取，见表1。

③计算汽液两相流比容：由于绝热节流前后焓值不变，而汽液两相流的总焓值为其中疏水焓值与蒸汽焓值之和，由此求得汽液两相流中蒸汽的干度，进而可求出两相流的比容。

4 计算实例及分析

以某核电厂疏水调阀后管道选型为例，运用上述计算方法校核疏水调阀后管道选型。

4.1 计算输入

依据机组热平衡图，确定相关计算输入数据，见表2。

4.2 计算结果及分析

运用本文提出的管道计算选型方法，得到如下计算结果，见表3。

由表3可见，对于4号低加和6号高加危急疏水调阀后管道，设计工况下，原设计管道内介质流速分别为104.9 ms/和103.9 m/s，超过了核管规推荐的20～100 m/s的流速范围，而通过本课题自主开发计算工具选取的管道中介质流速分别为81.8 m/s和85.8 m/s，满足核管规推荐的流速范围20～100 m/s。需要说明的是，核管规中的流速范围不是强制要求，即原设计选用管道规格并不是不可行，但显然，本文中管道选型计算方法较以往的设计方法精确度更高。而对于阳江7号高加正常疏水管道，由于接受容器的压力较高，汽液两相流比容较小，通过计算发现，选用与疏水调阀前相同公称直径的管道皆可满足流速的要求。

5 结 语

核电厂给水加热器疏水调阀后介质一般为汽液两相流，针对单相流体的管道计算选型方法不再使用。

本文首先度阐述了核电厂加热器疏水调阀后汽液两相流产生的机理，然后针对核电厂给水加热器疏水的典型过程进行了建模和分析，提出了给水加热器疏水调阀后汽液两相流介质管道定量计算选型方法。形成的主要结论如下：

本文提出的定量计算方法可避免经验做法准确度不高的问题，运用该方法选取的管道，介质流速满足规范要求。

对于正常疏水调阀后管道，介质比容变化小，选用和调阀前相同公称直径或大一档的管道基本可使介质流速满足规范要求。

对于危急疏水管道，介质比容变化大，选用比调阀前大一档的管道往往会使介质流速超出规范推荐范围，建议使用本提出的计算方法进行定量计算。

参考文献：

[1] 严家騄.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2] 阎昌琪.气液两相流[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[3] DLGJ 167-2004.火力发电厂调节阀选型导则[S].

[4] EBASCO.电站二相流管道的设计.