凝汽器喉部低压给水加热器疏水虹吸管道的设计及计算

左飞 孙仁霞

摘要：本文探討的是电厂凝汽器喉部给水加热器下游疏水管道液封的设计方法和一些重要的评估参数，通过单向流和两相流的理论模型联合计算，为核电和火电机组低压加热器疏水管线的设计提供了设计思路和计算方法。通过实践得到了有效的验证，确保虹吸管液封的稳定性，减少设计错误。

关键词：疏水管道;两相流

概述

电厂U形疏水管线，传统的设计方是法采用水压头-即水柱可爬升高度加上一个设计余量的设计方法，U形液封的作用是能够自我调节疏水量并且连通两个不同工作压力下的设备，防止两个设备间蒸汽的窜通。这种设计不需要额外的调节装置且简单易行。双联低压加热器壳侧压力较低，饱和凝结水在U管上升的过程中由于重力和阻力的作用开始蒸发并加速上升，汽水混合物的速度将逐渐增大，流型也随之改变。由于空隙率的作用，使得蒸汽流速远大于液体流速。因此在过程中产生的段塞流波状流是诱发振动和噪音的因素，也见有设备运行过程中出现水锤的现象。通常在U管上升管道末端使用管孔的结构来限制流速，较少液体爬升高度，防止正常运行时出可能出现的振动噪音和水封不足的问题。另外一方面要保证疏水管线的排水能力，同时需考察上游给水加热器在破管发生情况下的疏水能力，保证汽轮机的运行安全。

当出现液封和振动问题时，传统的经验设计方法是完全不能用于分析问题和解决问题的，无法判断无法管线的实际阻力。本文通过单相，两相流压降的计算为低加换热器疏水U管的设计提供了一种思路和方法，通过实践此方法得到了很好的验证。

1 低压给水加热器U形虹吸管线的工作原理

低压加热器的 U 形液封（虹吸管）如下图所示图1。正常运行时，低压给水加热器冷凝水从换热器底部向下流向U形管底部位置，向上的管线将冷凝液引入闪蒸罐或凝汽器热井中。冷凝水是在压差的驱使下，由排水管线向压力较低的下游设备输送冷凝水。U形管线的底部位置形成的水封有效的隔绝了蒸汽的串通。液柱（液位差）高度与摩擦阻力和孔口处的阻力之和将与设备间的压差相等达到平衡。U形管线的设计有两个有点，一是运行时通过水封连通了两个不同工作压力下的设备，二是换热器在一定程度破管的情况下有充裕的排水能力，减少破管可能带来的汽轮机运行风险。

2 两相流模型介绍

实际工程应用中，疏水管道管径的尺寸是按照疏水流速不大于0.6m/进行选取的。如上所述，虹吸管的尺寸和深度是U管内保持水封的重要参数。假设虹吸 U 形弯管下沉处液体密封，U 形弯管下沉弯管处没有相变（图2）。

两相流开孔阻力系数计算较为复杂 ，实际计算采用Henry and Fauske（1971）[3]开发的计算模型，这里不再详述。

3 计算程序的开发

为了得到更加精确的计算结果，需要考虑由于压力变化引起的两相流流体特征的变化，利用异质模型能得到更为精确的结果。计算需要考虑三种阻力模型，一种是液弯处的单相流动摩擦阻力，第二种是爬升时的两相流动的摩擦阻力，三是两相流通过管孔时产生的压降阻力，最终流动产生的阻力等于设备间的总压差。计算过程需要假设冷凝水在U管内的底部位置高度，依照总管线尺寸将爬升高度划分为N步长。依据单元体质量和能量的守恒，计算各步长产生的压降，包括两相流动的加速压降，重力引起的液柱静压头，还有摩擦阻力。最后考察总压降是否与设备间的压差相匹配。如果不匹配，依据总管线的长度重新定义初始的爬升点，再次代入计算。如果假设的爬升高度值使得计算的阻力与压差相等则停止迭代，否则修正爬升高度直至计算收敛。

4 计算结果与案例分析

以某核电1&2号机组LP2疏水管线实际运行的故障为例，原始设计的U管立管爬升高度为12m，U形管线上端设有额外的冷水注入口，原来的设计是通过加大注水量来实现水封的。运行中发现U管管线无法实现密封功能，现场通过加大注水量后依然不能自密封。持续注冷水是传统的设计方法，上升立管设计高度充裕。加大U形管冷水注水水量后依然不能维持U管线密封，现场无法解决问题。在使用工具校核计算后得出，冷水注入点偏高是导致冷水注入后不能实现U管线密封的主要原因，爬升液柱不能形成水封。通过计算上升管顶部蒸汽速度竟高达74m/s，液体流速为1.7m/s。该设备的上升管长为12m，将冷水注入点更改至U管底部后，完全实现了水封，运行报警消失。在完成考察后，进一步了解到温度对水封的重要性，所以说低压加热器虹吸管的设计，工程师应该综合考虑流量，压差和温度的影响。

在采用上述分析方法后可以清楚的看到温度对U形管线的密封是有影响的，计算结果显示当水温到达65摄氏度及以上U管将不能实现自密封（从低压换热器排出的饱和水温约为100摄氏度）。由于冷水注水点的位置偏高，冷水在下降过程中被蒸汽加热，导致虽然增加了疏水流量，但是依然不能实现自密封。现场整改后冷水注入点改为U形管底部，冷水将直接与冷凝水混合，不参与与蒸汽的换热，温度较低的过冷冷凝水在上升过程中延迟了蒸发起始点。液柱的有效高度得到了大大提升。实际结果非常理想，成功的解决了大压差U管水封的不足的问题。

另外一个应用是针对振动和噪音分析的，通过上升管道两相模型的计算（流摩擦阻力和空化系数的计算），可以知道气流和水在通道内各自的流速。通过两相流流型实验图表的查找[4][5]，可以清楚的知道流体处于什么流型（块状流，塞状流，还是环状流等），从图表上可以判断流体在管内的流动状态，这对振动和噪音源的分析有较大的帮助和指导意义，尤其在水平管线上应该避免末端管内的弹状流引发的水锤效应。同时应该注意在末端管孔处，开孔的位置也是需要考察的。例如判断为分层流时，为了减少由于汽水分层带来的影响，孔口如果开在水平管顶部位置，蒸汽将先排出，由于气流通过管孔和液体通过管孔的速度不同，气液交替从孔口排出时，可能会产生较大的噪音和振动甚至引发水锤。这时应当评估顶部位置和底部位置的开孔数目，这样将会大大减少由于孔口的位置布置带来的振动和噪音问题。

参考文献：

[1]Friedel L（1979）Improved friction pressure drop correlations for horizontal and vertical two-phase pipe flow. 3R Int 18（7）：485–492

[2]Chisholm D（1973）Int J Heat Mass Transfer 16（2）：347–358 ff

[3]Henry RE，Fauske HK（1971）The two-phase critical flow of one-component mixtures in nozzles，orifices，and short tubes. J Heat Transfer 93（5）：179–187

[4]Hewitt GF，Roberts DN（1969）Studies of two-phase flow patterns by simultaneous X-ray and flash photography，AERE-M，HMSO

[5]Taitel Y，Dukler AE（1976）A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas liquid flow. AIChE J 22（1）：47–55