CN106370690A - 管道两相流闪蒸试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管道两相流闪蒸试验系统及方法，该系统包括稳压水罐等，稳压水罐的输入端与氮气稳压系统连接，稳压水罐的输出端、预加热器的一端、回路加热器都与高压水罐连接，预加热器的另一端、试验段、管壳式换热器都与旁通回流旁路连接，高压水泵、回路加热器都与管壳式换热器连接，高压水泵、循环水泵、管壳式换热器、板式换热器都与低压水罐连接。本发明可实现对闪蒸段上下游的压力和温度的稳定控制，同时对于闪蒸的几种影响因素都能加以控制，可以完整的实现在一定温度和压力范围内的汽液两相流试验。

Description

管道两相流闪蒸试验系统及方法

技术领域

本发明涉及一种试验系统及方法，具体地，涉及一种管道两相流闪蒸试验系统及方法。

背景技术

汽液两相流现象广泛存在于核电、化工、石油等领域中。核电厂二回路系统中存在的汽液两相流及各种相关两相流动现象，在特定运行条件下对系统运行和设备、阀门选择可能存在影响。例如，除了凝汽器等设备以外，加热器疏水系统、给水泵再循环、凝结水泵再循环、除氧器溢放水等管道的调节阀后，过冷的水介质将由于通过低压力恢复的调节阀(或减小阀门开度)的缩流效应及摩擦，造成水流压力降低，若流过调节阀后不能恢复至相应饱和压力以上，就会在下游发生闪蒸(Flashing)，在调节阀后的管道内出现汽液两相流，且下游管道中的汽相含率将迅速增加。管道内汽液两相流动将不同于常规流道单相液体管道，长期运行将对阀芯及下游管壁带来冲刷，形成额外的磨损。

而在核电系统长期运行的情况下，汽液两相管内流动对管壁的冲刷就必须要考虑进管路系统的设计中以避免由于管壁过量磨损导致的问题。同时闪蒸所产生的非稳态两相流体在高速流动过程中对下游设备和管道产生影响。因此对于闪蒸现象本身和闪蒸所产生的两相流动对管壁的冲刷磨损等作用都需要被探究清楚。

根据目前的研究，闪蒸现象的剧烈程度可能由多种因素决定，包括初始不凝气体含量、管壁粗糙度、流体过冷度等。因此对于闪蒸系统的设计要求为系统设计要满足对初始不凝气体含量、管壁粗糙度、流体过冷度等可变因素的控制。同时所设计系统需要保证闪蒸段上下游压力和温度的稳定可控。

现有管道两相流闪蒸试验系统不能实现对闪蒸段上下游的压力和温度的稳定控制，不能对于闪蒸的几种影响因素都能加以控制，不能完整的实现在一定温度和压力范围内的汽液两相流试验。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种管道两相流闪蒸试验系统及方法，其可实现对闪蒸段上下游的压力和温度的稳定控制，同时对于闪蒸的几种影响因素都能加以控制，可以完整的实现在一定温度和压力范围内的汽液两相流试验。

根据本发明的一个方面，提供一种管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述管道两相流闪蒸试验系统包括稳压水罐、高压水罐、低压水罐、回路加热器、预加热器、高压水泵、循环水泵、管壳式换热器、板式换热器、氮气稳压系统、试验段、旁通回流旁路，稳压水罐的输入端与氮气稳压系统连接，稳压水罐的输出端、预加热器的一端、回路加热器都与高压水罐连接，预加热器的另一端、试验段、管壳式换热器都与旁通回流旁路连接，高压水泵、回路加热器都与管壳式换热器连接，高压水泵、循环水泵、管壳式换热器、板式换热器都与低压水罐连接，高压水罐上设有加热器孔，加热器孔安装有罐内加热器；罐内加热器、回路加热器以及预加热器控制水温，罐内加热器和回路加热器用于回路水温保持，预加热器用于试验段前水温微调控制，所述低压水罐用作系统冷阱；氮气稳压系统可对压力进行控制。

优选地，所述稳压水罐的设计压力和高压水罐的设计压力都为6.3MPa，材质都为不锈钢，稳压水罐的体积为0.5m³，高压水罐的体积为2.5m³；所述低压水罐的设计压力为0.63MPa；所述低压水罐的材质为不锈钢，低压水罐的入口处设有笛型管以帮助流体冷却，避免高温两相混流对水罐冲击，同时在低压水罐内设有蒸汽冷却盘管，蒸汽冷却盘管的进出口与低压水罐的冷却水进出口连接，蒸汽冷却盘管用于冷却来不及冷却的蒸汽，保证低压水罐内压力；氮气稳压系统对压力进行控制。

优选地，所述罐内加热器的加热功率为100Kw，回路加热器的加热功率为单个200Kw，预加热器的加热功率为50Kw；所述罐内加热器和预加热器采用温度反馈器控制，所述回路加热器则单个分为三组加热棒组，每组加热棒进行通断式控制。

优选地，所述高压水泵的额定转速为2900r/min，扬程为259m，设计流量为42m³/h，旁通回流旁路与预加热器之间设有调节阀门；所述循环水泵额定转速为2900r/min，扬程为32m，设计流量为42m³/h；旁通回流旁路上设有旁路阀门。

优选地，所述管壳式换热器的换热面积为18.7m²；所述板式换热器的换热功率为850Kw，板式换热器的热侧进口与循环水泵出口连接，板式换热器的热侧出口与低压水罐的笛型管连接，板式换热器的冷侧进出口与一个冷却水回路连接，板式换热器的进出口管道间设有旁通回路。

优选地，所述罐内加热器和预加热器都设有温度反馈控制箱，根据实验需要设置温度限值，当回路温度高于设置温度后，温度反馈控制箱自动降低加热功率。

优选地，所述管道两相流闪蒸试验系统可以实现回路循环流程，具体情况如下：

一，高温高压水下泄闪蒸流程：高温高压流体从高压水罐流出，经预加热器加热至工况温度，经过试验段处发生闪蒸，闪蒸产生的两相流经管壳式换热器热侧，被回收部分热量后进入低压水罐；

二，低温回水加热流程：低压水罐内较低温度的流体经高压水泵泵压至管壳式换热器冷侧，被热侧两相流体加热至一定温度后到达加热器内，经过加热器后水温被提升至接近高压水罐内温度，进入高压水罐后经过罐内加热器加热达到工况温度参数；

三，冷却循环流程：由于闪蒸产生的两相流体携带有大量热进入低压水罐，会导致低压水罐水温迅速上升并很快超过低压水罐压力下饱和温度而导致低压水罐里产生沸腾，因此在低压水罐上设置有冷却回路，通过循环水泵将低压水罐内的水泵至板式换热器热侧，通过板式换热器后同样通过笛型管喷淋回到低压水罐内；板式换热器冷侧采用室温冷却水进行冷却并通过旁路控制冷却水流量。

本发明还提供一种管道两相流闪蒸试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，按照管道两相流闪蒸试验系统操作流程将试验段上游水温加热至指定温度，通过调节阀门开度调节试验段上游压力参数至指定参数；保持低压水罐的压力温度参数；

步骤二，将调节阀门打开至与旁路阀门相同的开度，关闭调节阀门；

步骤三，产生闪蒸两相流动，监测试验段参数。

优选地，所述试验段的上游温度和压力参数为自行设置，可根据所需试验条件进行调节控制。

优选地，所述步骤二中的调节阀门根据所需流量参数进行调节开度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可实现对闪蒸段上下游的压力和温度的稳定控制，同时对于闪蒸的几种影响因素都能加以控制，可以完整的实现在一定温度和压力范围内的汽液两相流试验。除此之外，常见的闪蒸控制系统设置常常将闪蒸位置设置为闪蒸罐内，本发明可以实现在管道内部的闪蒸，同时通过参数控制调节闪蒸的强度与流体速度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明管道两相流闪蒸试验系统的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明管道两相流闪蒸试验系统包括稳压水罐1、高压水罐2、低压水罐3、回路加热器5、预加热器6、高压水泵7、循环水泵8、管壳式换热器9、板式换热器10、氮气稳压系统11、试验段12、旁通回流旁路13，稳压水罐1的输入端与氮气稳压系统11连接，稳压水罐1的输出端、预加热器6的一端、回路加热器5都与高压水罐2连接，预加热器6的另一端、试验段12、管壳式换热器9都与旁通回流旁路13连接，高压水泵7、回路加热器5都与管壳式换热器9连接，高压水泵7、循环水泵8、管壳式换热器9、板式换热器10都与低压水罐3连接，高压水罐上设有加热器孔，加热器孔安装有罐内加热器4；罐内加热器、回路加热器以及预加热器控制水温，罐内加热器和回路加热器用于回路水温保持，预加热器用于试验段前水温微调控制，所述低压水罐用作系统冷阱；氮气稳压系统可对压力进行控制。

所述稳压水罐的设计压力和高压水罐的设计压力都为6.3MPa，材质都为不锈钢，这样强度高，稳压水罐的体积为0.5m³，高压水罐的体积为2.5m³；所述低压水罐的设计压力为0.63MPa；所述低压水罐的材质为不锈钢，这样强度高，低压水罐的入口处设有笛型管31以帮助流体冷却，避免高温两相混流对水罐冲击，同时在低压水罐内设有蒸汽冷却盘管32，蒸汽冷却盘管32的进出口与低压水罐的冷却水进出口连接，蒸汽冷却盘管用于冷却来不及冷却的蒸汽，保证低压水罐内压力。

罐内加热器的加热功率为100Kw，回路加热器的加热功率为单个200Kw，预加热器的加热功率为50Kw；所述罐内加热器和预加热器采用温度反馈器控制，所述回路加热器则单个分为三组加热棒组，每组加热棒可进行通断式控制，这样方便控制，精度高。

所述高压水泵的额定转速为2900r/min，扬程为259m，设计流量为42m³/h，旁通回流旁路与预加热器6之间设有调节阀门41，可调节泵出口流量；所述循环水泵额定转速为2900r/min，扬程为32m，设计流量为42m³/h；旁通回流旁路上设有旁路阀门42，这样方便控制。

管壳式换热器的换热面积可以为18.7m²，两相流体进出壳热侧，系统上冲流体进出管冷侧；所述板式换热器的换热功率为850Kw，板式换热器的热侧进口与循环水泵出口连接，板式换热器的热侧出口与低压水罐的笛型管连接，板式换热器的冷侧进出口与一个冷却水回路连接，板式换热器的进出口管道间设有旁通回路，可以调节流量。

罐内加热器和预加热器都设有温度反馈控制箱，可根据实验需要设置温度限值，当回路温度高于设置温度后，温度反馈控制箱自动降低加热功率。

管道两相流闪蒸试验系统在运行时与外界隔离，通过排气管路和排水管路进行气体和液体排放，在运行过程中，排放阀门关闭。

管道两相流闪蒸试验系统可以实现回路循环流程，具体情况如下：

一，高温高压水下泄闪蒸流程：高温高压流体从高压水罐流出，经预加热器加热至工况温度，经过试验段处发生闪蒸，闪蒸产生的两相流经管壳式换热器热侧，被回收部分热量后进入低压水罐；

二，低温回水加热流程：低压水罐内较低温度的流体经高压水泵泵压至管壳式换热器冷侧，被热侧两相流体加热至一定温度后到达加热器内，经过加热器后水温被提升至接近高压水罐内温度，进入高压水罐后经过罐内加热器加热达到工况温度参数；

三，冷却循环流程：由于闪蒸产生的两相流体携带有大量热进入低压水罐，会导致低压水罐水温迅速上升并很快超过低压水罐压力下饱和温度而导致低压水罐里产生沸腾，因此在低压水罐上设置有冷却回路，通过循环水泵将低压水罐内的水泵至板式换热器热侧，通过板式换热器后同样通过笛型管喷淋回到低压水罐内；板式换热器冷侧采用室温冷却水进行冷却并通过旁路控制冷却水流量。

管道两相流闪蒸试验系统中设置相应监控测点，方便进行监控。

根据工艺设计结果，碳钢管壁厚按照管道标准GB/T 8163 20选取，管材尺寸参数按照下表1进行选取。

表1碳钢管管道标准参数

本试验系统低压段304不锈钢管的壁厚按照管道标准GB/T14976，大于DN50的管道可选用焊接不锈钢管GB/T12771，管道尺寸参数按照下表2进行选取。

表2低压段不锈钢管管道标准参数

本试验系统高压段304不锈钢管的壁厚按照管道标准GB/T14976，大于DN50的管道可选用焊接不锈钢管GB/T12771进行选取，管道尺寸参数按照下表3进行选取。

表3高压段不锈钢管管道标准参数

法兰参数按照GB/T9115-2 2000进行选取，试验系统高压段管道法兰选用带颈对焊法兰，对焊法兰对焊厚度应与管道壁厚相同。

垫片参数按照GB/T7245标准选取波形弹性垫圈，对于高压段，按照HG/T20610选取石墨+304缠绕垫片。

螺栓参数按照GB/T5781-2000选取，本系统采用35CrMoA/30CrMo螺栓/螺母。

(4)系统测点设置，按照以下表4进行操作：

表4

本发明管道两相流闪蒸试验方法包括以下步骤：

步骤一，按照管道两相流闪蒸试验系统操作流程将试验段上游水温加热至指定温度，通过调节阀门开度调节试验段上游压力参数至指定参数；保持低压水罐的压力温度参数。

步骤二，将调节阀门打开至与旁路阀门相同的开度，关闭调节阀门。

步骤三，产生闪蒸两相流动，监测试验段参数。

试验段的上游温度和压力参数为自行设置，可根据所需试验条件进行调节控制，使用方便。

所述步骤一中的低压水罐的压力为1atm，温度为85℃；

所述步骤二中的调节阀门可根据所需流量参数进行调节开度，调节方便。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述管道两相流闪蒸试验系统包括稳压水罐、高压水罐、低压水罐、回路加热器、预加热器、高压水泵、循环水泵、管壳式换热器、板式换热器、氮气稳压系统、试验段、旁通回流旁路，稳压水罐的输入端与氮气稳压系统连接，稳压水罐的输出端、预加热器的一端、回路加热器都与高压水罐连接，预加热器的另一端、试验段、管壳式换热器都与旁通回流旁路连接，高压水泵、回路加热器都与管壳式换热器连接，高压水泵、循环水泵、管壳式换热器、板式换热器都与低压水罐连接，高压水罐上设有加热器孔，加热器孔安装有罐内加热器；罐内加热器、回路加热器以及预加热器控制水温，罐内加热器和回路加热器用于回路水温保持，预加热器用于试验段前水温微调控制，所述低压水罐用作系统冷阱；氮气稳压系统可对压力进行控制。

2.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述稳压水罐的设计压力和高压水罐的设计压力都为6.3MPa，材质都为不锈钢，稳压水罐的体积为0.5m³，高压水罐的体积为2.5m³；所述低压水罐的设计压力为0.63MPa；所述低压水罐的材质为不锈钢，低压水罐的入口处设有笛型管以帮助流体冷却，避免高温两相混流对水罐冲击，同时在低压水罐内设有蒸汽冷却盘管，蒸汽冷却盘管的进出口与低压水罐的冷却水进出口连接，蒸汽冷却盘管用于冷却来不及冷却的蒸汽，保证低压水罐内压力；氮气稳压系统对压力进行控制。

3.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述罐内加热器的加热功率为100Kw，回路加热器的加热功率为单个200Kw，预加热器的加热功率为50Kw；所述罐内加热器和预加热器采用温度反馈器控制，所述回路加热器则单个分为三组加热棒组，每组加热棒进行通断式控制。

4.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述高压水泵的额定转速为2900r/min，扬程为259m，设计流量为42m³/h，旁通回流旁路与预加热器之间设有调节阀门；所述循环水泵额定转速为2900r/min，扬程为32m，设计流量为42m³/h；旁通回流旁路上设有旁路阀门。

5.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述管壳式换热器的换热面积为18.7m²；所述板式换热器的换热功率为850Kw，板式换热器的热侧进口与循环水泵出口连接，板式换热器的热侧出口与低压水罐的笛型管连接，板式换热器的冷侧进出口与一个冷却水回路连接，板式换热器的进出口管道间设有旁通回路。

6.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述罐内加热器和预加热器都设有温度反馈控制箱，根据实验需要设置温度限值，当回路温度高于设置温度后，温度反馈控制箱自动降低加热功率。

7.根据权利要求1所述的管道两相流闪蒸试验系统，其特征在于，所述管道两相流闪蒸试验系统可以实现回路循环流程，具体情况如下：

一，高温高压水下泄闪蒸流程：高温高压流体从高压水罐流出，经预加热器加热至工况温度，经过试验段处发生闪蒸，闪蒸产生的两相流经管壳式换热器热侧，被回收部分热量后进入低压水罐；

二，低温回水加热流程：低压水罐内较低温度的流体经高压水泵泵压至管壳式换热器冷侧，被热侧两相流体加热至一定温度后到达加热器内，经过加热器后水温被提升至接近高压水罐内温度，进入高压水罐后经过罐内加热器加热达到工况温度参数；

三，冷却循环流程：由于闪蒸产生的两相流体携带有大量热进入低压水罐，会导致低压水罐水温迅速上升并很快超过低压水罐压力下饱和温度而导致低压水罐里产生沸腾，因此在低压水罐上设置有冷却回路，通过循环水泵将低压水罐内的水泵至板式换热器热侧，通过板式换热器后同样通过笛型管喷淋回到低压水罐内；板式换热器冷侧采用室温冷却水进行冷却并通过旁路控制冷却水流量。

8.一种管道两相流闪蒸试验方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一，按照管道两相流闪蒸试验系统操作流程将试验段上游水温加热至指定温度，通过调节阀门开度调节试验段上游压力参数至指定参数；保持低压水罐的压力温度参数；

步骤二，将调节阀门打开至与旁路阀门相同的开度，关闭调节阀门；

步骤三，产生闪蒸两相流动，监测试验段参数。

9.根据权利要求8所述的管道两相流闪蒸试验方法，其特征在于，所述试验段的上游温度和压力参数为自行设置，可根据所需试验条件进行调节控制。

10.根据权利要求8所述的管道两相流闪蒸试验方法，其特征在于，所述步骤二中的调节阀门根据所需流量参数进行调节开度。