摘要：火力发电厂中，自除氧器出口至给水泵前置泵入口为低压给水系统。在管道布置上，低压给水管道通常具有较大的管道坡度，用以降低给水泵出现气蚀的可能性。本文采用实际的电厂低压给水管道为模型，分析低压给水管道坡度对应力计算和流动的影响。
关键词：应力计算；流动分析；低压给水
1 概述
给水系统是从除氧器给水箱下降管入口到锅炉省煤器进口之间的管道、阀门和附件之总称。它包括了低压给水系统和高压给水系统，以给水泵为界，给水泵进口之前为低压系统，给水泵出口之后为高压系统。给水系统输送的工质流量大、压力高，对发电厂的安全、经济、灵活至关重要。大型再热机组的除氧给水系统均为单元制，除氧器大都为滑压运行。当工况变动，除氧器压力下降时，系统中水温的下降滞后于压力的下降，因此水的过冷度减小，当过冷度降至零时，水便汽化大量蒸汽逆水流而上进入除氧器，将引起管系的剧烈振动。低压给水系统的设计和运行必须采取相应的技术措施，保证低压给水系统在任何工况下都能安全运行。
保证给水泵不汽化采取的主要措施有：1）适当提高低压给水系统流速《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中推荐的低压给水流速为0.5~2m/s；2）在设计流速较低时，在过渡阶段使用给水泵再循环。3）增大水平管道坡度，缩短水平管道长度，水平段管道长度越大，汽水分层、蒸汽积聚的可能性越大，应尽量避免采用连续长距离水平管道。规程上推荐的低压给水坡度为0.15。本文主要分析了低压给水坡度对应力计算和流动的影响。
2 低压给水管道坡度对应力计算的影响
本文的计算模型来自某350MW热电联产工程。每台机组的给水系统采用2×50％BMCR的汽动给水泵，在机组正常运行工况下，主给水泵组（两台50% BMCR 容量调速给水泵并列）调速运行时，应能满足汽机低负荷至最大负荷给水参数的要求。每台机组配置1×30％BMCR的电动调速给水泵，兼有启动和事故备用功能。电动给水泵由电动机拖动，汽动给水泵由调速汽轮机拖动。汽动给水泵与其前置泵不同轴布置。
本文取用低压给水系统中的1号机汽泵A低压给水管道进行计算。管道从除氧器到汽泵给水泵前置泵入口，设计温度为197℃，设计压力为1.55MPa（表压），材质为钢20，规格为∅426X10。对于滑压除氧系统，设计压力取用汽轮机最大计算出力工况下除氧器抽汽压力的1.1倍与除氧器最高水位时水柱静压之和；设计温度取用汽轮机最大计算出力工况下1.1倍除氧器加热抽抽汽压力对应的饱和温度。管道的支吊架根据实际的工程情况进行生根布置。在CAESARⅡ中的模型如下图所示：
图2.1 低压给水应力计算模型
（放坡）图2.2 低压给水应力计算模型
（无放坡）
考虑到工程的实际情况，减少前置泵进口处的推力，对离前置泵进口最近处的1006号弹簧吊架给定工作荷载，接口位移根据设备工作温度估算得到。两个模型的应力计算结果如下表所示：
表2.1 支吊架工作荷载荷载表（单位：N）
1111111
表2.2 端口推力、推力矩（单位：N，N·M）
22222222
由表2.1的计算结果可以看出，管道坡度对支吊架的荷载变化影响较小。在弹簧的选择方面，应力计算的结果表明，两种模型得到的弹簧选型结果一致，分别为108、110、210、110号弹簧。表2.2的计算结果表明，管道不放坡时设备接口处的推力和推力矩较小，对设备接口的保护更加有益，更加有利于设备的运行稳定。
3低压管道给水坡度对流动的影响
水平管道的安装坡度根据疏放水和防止汽轮机进水要求确定，低压疏水管道的坡度可以防止在汽化时蒸汽在管道内聚集。本文使用数值模拟软件，对放坡管道和无放坡管道内的流动情况进行对比分析。由于计算条件限制，将计算模型简化为二维，放坡的管段长度为5米。
流动分析采用两相流模型，数值计算中描述两相流一般两种方法：欧拉-欧拉法和欧拉-拉格朗日法。欧拉法即为两相流模型，拉格朗日法即为离散相模型。欧拉法中两相流模型包括VOF模型、混合模型和欧拉模型。VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流模型；混合模型是一种简化的多项流模型。用于模拟各相有不同速度的多相流，也用于模拟有强烈耦合的各向同性多相流；欧拉模型也称为双流体模型。连续相和分散相视为连续的一体。
本文中采用的是混合模型（Mixture Model）中的cavitation模型，第一相设置为水，第二相设置为水蒸气，转换压力为197℃（470K）下的水汽化压力。湍流模型使用的是k-ε Standard模型，考虑重力影响。边界的条件采用速度入口，压力出口。入口速度为1.5m/s，出口压力为1.45MPa（g）。
图3.1 速度云图与压力云图（无坡度）
图3.2 速度云图与压力云图（有坡度）
计算结果表明，两个模型都没有产生水汽化的现象，水蒸气的含量维持为0。由图3.1和图3.2可以看出，在此计算模型中，管道的水平直段处的压力分布没有明显区别，坡度对管道的压力分布影响较小。造成的原因有可能是坡度选的较小，水平管段的长度较短，坡度对压力分布造成的影响不明显。在速度分布方面，放坡后的管道的水平直段处速度分布较为均匀，不放坡的管道速度云图可以看到较为明显的分界。
4 结论
本文分析了低压给水管道坡度对管道的应力计算和流动的影响。应力计算的结果表明，坡度对管道支吊架的荷载和弹簧选型影响较小，但管道在不放坡的情况下，设备接口处的推力和推力矩较小，对给水泵的稳定运行较为有利。流动分析表明，在文中所示的管道模型中，坡度对压力的分布影响较小，水平管段处的速度分布在管道放坡的情况下更加均匀，发生汽水分离的可能性更小。
参考文献：
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[3]袁文麒，刘遂庆. 管道充水工况下气液两相流瞬态数值模拟[J].同济大学学报，2010.
论文作者:汪琦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：管道论文; 坡度论文; 低压论文; 模型论文; 应力论文; 压力论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第17期论文;