水泥窑低温余热发电热水管道两相流设计浅谈

0引言

在电站热力系统中，生产高温热水具有特殊意义，它不仅影响到废气余热的利用量及余热锅炉的排烟温度，还直接影响到锅炉的产汽量及余热利用效率。一般来讲，为了提高烟气余热的利用量，余热电站设计时，都采取尽可能提高热水出水温度的办法。但是热水温度太高，在输送过程中容易发生汽化，变成汽水混合物，从而影响输送系统的安全性。本文把汽水两相流的概念引入到余热电站热水管道设计中，目的是在确保系统运行安全的前提下，使汽水管道不受防汽化温度的限制和要求，来尽可能多的回收低温废气余热。

1汽水两相流管道的基本特征

1.1汽水分层

余热电站外管线中，最多的是具有一定坡度的平管道，这种管道由于汽水密度不同，使得管道截面上蒸汽上升，形成汽水分层的现象。对于垂直上升管道，由于蒸汽流速大于热水流速，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层。对于垂直下降管道，则在靠近管壁处形成蒸汽分层。

1.2流体温度变化很小

因为流体是在饱和水和饱和汽之间变化，如果管道为绝热管道，那么管道中介质温度变化很小，始终为饱和压力对应的温度。

1.3流动阻力和噪声升高

对于两相流体，不能直接用单相流体的摩擦阻力公式进行计算，其压降与流型和流体中的含汽率有很大关系，摩擦阻力随着流体流动过程中含汽率的波动而变化。与单相流体相比，两相流体的局部阻力也稍增大一些。

1.4节流产生的汽水两相流体造成压力局部升高流体节流后，压力下降，会加速水的汽化，造成实际上的流体压力的升高。

2发生汽水两相流的原因和对系统的影响

2.1主要原因

1）在余热发电热力系统设计时，主观上提高了热水温度，以取得低温废气余热的最大利用；

2）在余热发电热力系统设计时为了安全，热水温度取值偏低，但当水泥窑波动引起废气温度升高时，热水吸收热量增多，导致局部汽化发生汽水两相流；

3）热水在通过节流装置如孔板、调节阀或管道扩径时，容易发生热水汽化形成汽水两相流。尤其是当调节阀在低负荷小流量运行时，更容易发生汽水两相流。

2.2发生汽水两相流的环节

1）余热锅炉省煤器及出口集箱。由于锅炉本体系统中蒸发器上升管道是按照汽水两相流进行设计的，因此，这两部分按照汽水两相流进行设计，应该不存在困难。

2）热水输送管道。在国内只有冀东(229.67元/吨，0%)水泥集团2个补燃电站的热水管道是按照汽水两相流进行设计的，该电站把AQC炉生产的汽水混合物，输送到补燃锅炉的锅筒内进行补汽。而其它余热电站的热水输送管道均没有按照汽水两相流进行设计。但是在实际运行中，很多电站都出现过汽水两相流的情况。因此，对管道的寿命产生影响，甚至会出现安全隐患。

2.3对系统的影响

1）水击。蒸汽管道设计流速很高，比如主蒸汽管道一般要达到30m/ｓ，但是水管道设计流速很低，只有1．5￣5m/ｓ。热水发生汽化后，由于体积膨胀，使得汽水混合物流速增加，快速的蒸汽夹杂水滴冲刷管道，造成水击现象，有损于管道寿命。

2）汽水阻塞。热水汽化导致阻力增加，导致汽水管道发生局部阻塞现象。

3）管道振动。由于汽水两相流体在管道输送过程中含汽率是变化的，因此管道内两相流体的流速是变化的，速度的改变以及水击现象会造成管道振动的加剧。

4）阀门工作状态改变，调节困难。

5）仪器仪表测量不准确。

2.4热力系统设计时应注意的事项

1）为了确保在发生汽水阻塞的时候，管道能顺利投运，锅炉给水泵应按单相流动阻力的120％选取。为了保证在单相流动时的节电，锅炉给水泵需加装变频调速装置。

2）为了防止管道振动加剧，需增加管道的刚性。如增加管道壁厚，缩短管道支架间距，以及合理考虑固定支架的设置等。

3）为了保证给水测量及给水调节的准确度，应尽可能地把流量计和阀门安装在同一给水管道的冷端。同时对阀门的订货提出比较严格的要求，使阀门在设计及制造时考虑在此工况下尽可能的延长寿命。

4）汽水两相流体的流量可采用专用的汽水两相流量计进行测量。温度计和压力计按常规选取即可。

3小结

本文通过在水泥窑纯低温余热电站热水输送管道设计中引入汽水两相流这个概念，使得在管道系统设计及阀门、测量仪表选型等方面引起设计单位和使用单位的注意，来确保系统运行的包容性和安全性。同时通过采取提高管道运行温度，允许或保持管道内汽水两相流动的措施，来提高余热利用的效率和可靠性，并减少运行的调节环节。

原标题：水泥窑低温余热发电热水管道两相流设计浅谈