CN111191357A - 一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法 - Google Patents

Abstract

一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，属于管道气阻判断方法领域，通过在理想状态下建立理论模型，进行计算分析，并对试验结果进行验证，对于存在倒U型弯的水管道，积聚的气体无法排出时会引起较大的阻力；初始背压与运行背压的不同会引起不同形式的管道截流，甚至会阻断水流。本发明所述方法通过初始背压与运行背压的不同与管道截流的关系，为存在同样管系布置的电厂和设计单位提供便捷的用于判断的方法，且本发明所述方法步骤简单，易于操作实施。

Description

一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法

技术领域

本发明属于管道气阻判断方法领域，尤其涉及一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法。

背景技术

现代发电厂是由各种管道连接而成的复杂系统，随着电厂单机容量不断增大，管道的布置也更加复杂。复杂的管道系统也会带来很多运行问题，比如管道运行环境，支吊架失效，管道振动等，其中管道振动是危害性较大同时也是较难治理的问题，管道排气不畅引发集聚空气是引起的管道振动的首要原因。

对于排气不畅的水管道，气体在管道中会被压缩或扩张而引起管道内压力升降，压力的波动会造成管道的剧烈振动，连接法兰螺栓松动，造成管道漏水。气体逐渐被压缩，其压力也随着升高，引起管道水阻升高，当气体压力达到一定值时，甚至会完全阻断水流，引起较为严重的后果。

采用空冷机组的电厂，常见有如图1所示的管道布置结构，其空冷岛下水管道先经过凝结水联箱，再从凝结水联箱顶部引出两根支管道到排汽装置，两根支管道分别为A管道和B管道；该管道布置能有效抵消空冷凝结水流下的冲力，避免管道振动，但是两根支管存在倒U型弯，存在管道堵塞的可能性，积聚的气体无法排出时，会使管道水阻大幅增加，甚至阻断水流；目前现有的方法在管道阻塞后仍旧不易快速判断具体的阻塞管道，因此会影响电厂的正常运行，造成运行隐患。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，针对附图1所示管道布置结构提供一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法。

本发明所述基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，包括如下步骤：设管道内初始背压为P₀，运行背压为P；

管道最低段在水封状态下管道两侧的水封受力满足动态平衡，管道两侧分别为A侧和B侧，动态平衡方程为：p+ρgh_A＝p_A+ρgh₁

其中：p为运行背压、p_A为U型弯右侧高度为h₁处的压力、h_A为U型弯靠凝汽器侧水柱高度、h₁为U型弯右侧水柱高度；

管道内的气体满足理想气体状态方程：

其中，P为理想气体压力、V为理想气体体积、T为理想气体温度；

管道内压力与体积成反比：

其中S为管道截面积；P_A为管道水封段A侧管道内压力、P_B为管道水封段B侧管道内压力；V_A、V_B分别为管道水封段两侧A、B侧管道被压缩体积；

设管道内径为R，水柱在管道内截面的高度为x，水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例为i；

可得管道截面面积为S＝πR²；

在管道因气阻压缩过程中P_A和P_B满足动态平衡，即P_A＝P_B且h₁＝h₂，

两者相等可得：iL_A34L_B15+xL_A15-R(L_B15+L_A15)+L_A45L_B15＝0

当水柱高度达到x之前，只有A侧管道能导通，且需满足以下关系：

当水柱高度超过x时，B侧水柱高度大于A侧，h₂≥h₁，A、B侧水平管注满水后，水柱升高到y，A侧水柱高度又一次超过B侧；

在B侧水柱高度大于x小于y时，B侧管道先导通，此时需满足条件：

当水柱高度大于y，并继续升高时，A侧管道内水柱高度大于B侧，此时A管先导通。

进一步，本发明所述基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，其特征在于所述水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例i的计算步骤为：

设管道内径为R，水柱在管道内截面的高度为x；

水柱的水平面与管道侧壁的交点与管道横截面中心点形成的平面与经过管道横截面中心点的垂直面所形成的夹角α可表示为：

则，2α对应的扇形面积为S₁＝αR²；

2α对应的三角形面积为

可得水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例

本发明所述基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，对于电厂管道设计复杂存在倒U型弯的管系，积聚的气体无法排出时，使管道水阻大幅增加，甚至阻断水流，本发明所述方法通过初始背压与运行背压的不同与管道截流的关系，为存在同样管系布置的电厂和设计单位提供便捷的用于判断的方法，且本发明所述方法步骤简单，易于操作实施。

附图说明

图1为本发明背景技术所述管道布置结构示意图；

图2为本发明所述管道最低段水封受力分析状态示意图；

图3为本发明所述管道截面面积分析示意图。

具体实施方式

下面通过附图及实施例对本发明所述基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法进行详细说明。

如图1所示，某电厂为空冷机组，其空冷岛下水管道先经过凝结水联箱，再从凝结水联箱顶部引出两根支管道到排汽装置，该设计能有效抵消空冷凝结水流下的冲力，避免管道振动。

假设管道内气体为理想气体且温度不变，设初始抽的背压为P₀，运行背压为P，当管道最底部(A5A6段和B5B6段)注满水后，就形成水封，A1至A5段和B1至B5段空气将无法排除，并会随着水柱的升高被逐渐压缩，内部压力也会随之升高，取A管该段水封受力分析，如图2所示，水封受力是个动态平衡过程，平衡方程为：

p+ρgh_A＝p_A+ρgh₁

p为运行背压、p_A为U型弯右侧高度为h₁处的压力、h_A为U型弯靠凝汽器侧水柱高度、h₁为U型弯右侧水柱高度；

两侧水柱高度h_A和h₁不断升高，当h_A达到A7点时为临界点，水就开始流入排汽装置，管道内空气也不再被压缩；由于A侧和B侧管道不对称，h₁和h₂不相等，p_A和p_B认为相等，因此会有一侧管道先到达此临界点，只有找出运行背压P和初始背压P₀的关系，才能确定哪侧管道先导通。

管道内气体满足理想气体状态方程：

P为理想气体压力、V为理想气体体积、T为理想气体温度；

所以管道内压力与其体积成反比，

式中：S为管道截面积；V_A、V_B为A、B侧管道被压缩体积；图中L是管道长度，L_A15是A₁点到A₅点的管道长度；L_B15是B₁点到B₅点的管道长度。

在压缩过程中P_A和P_B是动态平衡的，认为两者相等，即两侧压缩比例是同步的，有图1可知，A侧管道比B侧长，因此在水柱达到A4点之前，A侧水柱高度h₁大于B侧水柱高度h₂，然后A侧水平管A3至A4段开始积水，在此过程中B侧水柱高度逐渐超过A侧。下面要求出两侧管道水柱高度第一次相同时的点，取A侧水平管A3A4段截面，设水柱高度在A3A4段截面内达到x时，A侧B侧水柱高度第一次相同。

如图3所示，本实施中管道内径R＝0.2645m，L_A34＝22650mm，L_B15＝28112mm，L_A15＝38606mm，L_A45＝7700mm，

则

管道截面面积S＝πR²

2α对应的扇形面积为S₁＝αR²

2α对应的三角形面积为

x相对应的面积占园截面面积的比例为

此时，需满足的边界条件是P_A＝P_B且h₁＝h₂，

两者相等可得：

iL_A34L_B15+xL_A15-R(L_B15+L_A15)+L_A45L_B15＝0

各参数带入后得：

解得x＝0.098。

当水柱高度达到x之前，只有A侧管道能导通，且需满足以下关系

式中h_A＝8.8，x＝0.098，h₁＝L_A45-R+x，i＝0.13

P≤1.368P₀-12.26(KPa)

当水柱高度超过x时，B侧水柱高度大于A侧，h₂≥h₁，直到A、B侧水平管A3A4和B3B4注满水后，如图1所示水柱升高到y，A侧水柱高度又一次超过B侧，同样计算得y＝2.96。在B侧水柱高度大于x小于y时，B侧管道先导通，此时需满足的条件为：

式中h_B＝8.8，y＝2.96，h₂＝10.66

P≤7.29P₀+18.01

当水柱高度大于y，并继续升高时，A侧管道内水柱高度大于B侧，此时A管先导通。

因此可得：

P≤1.368P₀-12.26(KPa)则A管通；

1.368P₀-12.26＜P≤7.29P₀+18.01(KPa)则B管通；

P＞7.29P₀+18.01(KPa)则A管通。

Claims (2)

1.一种基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，其特征在于包括如下步骤：设管道内初始背压为P₀，运行背压为P；

管道最低段在水封状态下管道两侧的水封受力满足动态平衡，管道两侧分别为A侧和B侧，动态平衡方程为：p+ρgh_A＝p_A+ρgh₁

其中p为运行背压、p_A为U型弯右侧高度为h₁处的压力、h_A为U型弯靠凝汽器侧水柱高度、h₁为U型弯右侧水柱高度；

管道内的气体满足理想气体状态方程：

其中，P为理想气体压力、V为理想气体体积、T为理想气体温度；

管道内压力与体积成反比：

其中S为管道截面积；P_A为管道水封段A侧管道内压力、P_B为管道水封段B侧管道内压力；V_A、V_B分别为管道水封段两侧A、B侧管道被压缩体积；

设管道内径为R，水柱在管道内截面的高度为x，水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例为i；

可得管道截面面积为S＝πR²；

在管道因气阻压缩过程中P_A和P_B满足动态平衡，即P_A＝P_B且h₁＝h₂，

两者相等可得：iL_A34L_B15+xL_A15-R(L_B15+L_A15)+L_A45L_B15＝0

当水柱高度达到x之前，只有A侧管道能导通，且需满足以下关系：

当水柱高度超过x时，B侧水柱高度大于A侧，h₂≥h₁，A、B侧水平管注满水后，水柱升高到y，A侧水柱高度又一次超过B侧；

在B侧水柱高度大于x小于y时，B侧管道先导通，此时需满足条件：

当水柱高度大于y，并继续升高时，A侧管道内水柱高度大于B侧，此时A管先导通。

2.根据权利要求1所述基于理想气体模型的管道气阻现象判断方法，其特征在于所述水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例i的计算步骤为：

设管道内径为R，水柱在管道内截面的高度为x；

水柱的水平面与管道侧壁的交点与管道横截面中心点形成的平面与经过管道横截面中心点的垂直面所形成的夹角α可表示为：

则，2α对应的扇形面积为S₁＝αR²；

2α对应的三角形面积为

可得水柱在管道内相对应的面积占管道截面面积的比例

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