鍋爐過熱器進口集箱三通區(qū)域靜壓分布的數(shù)值模擬及三通的結(jié)構(gòu)改進

徐國鵬++袁益超++曾憲鈺

摘要： 為解決過熱器超溫爆管問題，根據(jù)電站鍋爐過熱器帶三通集箱的結(jié)構(gòu)特點，采用數(shù)值模擬方法對采用徑向引入方式的過熱器進口集箱三通區(qū)域的靜壓分布和流動規(guī)律進行了研究，并在此基礎(chǔ)上對三通區(qū)域結(jié)構(gòu)進行了改進.結(jié)果表明：三通區(qū)域集箱中存在渦流區(qū)，使該區(qū)域的靜壓變低，導(dǎo)致布置在該區(qū)域的支管蒸汽流量減少；適當(dāng)增大三通區(qū)域集箱內(nèi)徑可提高集箱渦流區(qū)的靜壓，但當(dāng)三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大到一定程度后，繼續(xù)增大三通區(qū)域集箱內(nèi)徑，集箱渦流區(qū)的靜壓已不再有明顯升高.

關(guān)鍵詞：

帶三通集箱； 數(shù)值模擬； 靜壓分布； 渦流區(qū)； 改進

中圖分類號： TK 22文獻標(biāo)志碼： A

目前大容量電站鍋爐過熱器大多采用帶三通結(jié)構(gòu)的徑向引入、引出集箱系統(tǒng)，當(dāng)蒸汽引入集箱后會在三通區(qū)域附近產(chǎn)生渦流區(qū)，使得布置在該區(qū)域的管屏中蒸汽流量減小.若該部分管屏也正好處于鍋爐煙溫較高的區(qū)域，就很容易發(fā)生超溫爆管事故.由于三通區(qū)域集箱內(nèi)流動狀況復(fù)雜，靜壓分布規(guī)律與軸向引入、引出方式的集箱差別很大，運用于軸向引入、引出集箱系統(tǒng)壓力分布規(guī)律的水動力計算方法[1]已不再適用，美國CE公司的計算標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于徑向引入、引出集箱系統(tǒng)的計算方法也被證實是錯誤的[2].因此，研究并掌握徑向引入方式過熱器集箱三通區(qū)域的壓力分布和流動規(guī)律，對過熱器的設(shè)計和鍋爐的安全運行具有重要的意義.

Kreid等[3]研究發(fā)現(xiàn)，與充分發(fā)展的直管中流速呈拋物線分布的情況相比，三通區(qū)域流體速度分布曲線發(fā)生了嚴(yán)重的扭曲.陸方等[2]和羅永浩等[4]對進口集箱三通區(qū)域壓力分布規(guī)律進行了冷態(tài)模化試驗研究，找到了一些影響三通區(qū)域靜壓分布的因素，并得到了用于計算三通區(qū)域靜壓分布的經(jīng)驗公式.匡江紅等[5]、劉進等[6]、張潤卿等[7]和周云龍等[8]采用數(shù)值模擬方法對進口集箱三通區(qū)域進行了研究，得到了集箱三通區(qū)域的靜壓分布規(guī)律、流動特性及相對應(yīng)的支管流量分配情況.其中，周云龍等[8]還對三通渦流區(qū)的支管入口形狀進行了改進，改進后支管流量明顯增大.

從以上分析可以看出，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗和數(shù)值模擬方法，對過熱器進口集箱三通區(qū)域的靜壓分布和流動特性進行了研究，也取得了一些成果，但并沒有根據(jù)這些研究成果對三通區(qū)域結(jié)構(gòu)的改進提出具體方案.本文將通過數(shù)值模擬方法研究三通區(qū)域靜壓分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對三通區(qū)域結(jié)構(gòu)提出改進方案，以期為工程實際提供參考.

1數(shù)值模擬

1.1研究對象

本文研究對象為有支管等徑三通模型，等徑三通內(nèi)徑D=200 mm，1～15號支管從集箱正母線和右下40°方向引出，支管直徑為Φ 63.5×12.5 mm，支管間距112 mm.由于渦流區(qū)主要集中在距離三通徑向引入管中心線±（2～3）D范圍內(nèi)[2，6-7]，所以本文選擇距離三通徑向引入管中心線-4D～4D范圍內(nèi)布置支管，模型如圖1所示，集箱支管位置如圖2所示.

1.2湍流模型

由于過熱器進口集箱內(nèi)的流動為湍流流動，所

以本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程進行數(shù)值計算.其湍流

動能k方程為

x（ρuk）+y（ρvk）+z（ρwk）=xμσkkx+

yμσkky+zμσkkz+Gk-ρε

（1）

湍流動能耗散率ε方程為

x（ρuε） +y（ρvε） +z（ρwε）=

xμσε εx+yμσεεy+

zμσεεz + εk（C1Gk-C2ρε）

（2）

式中：u、v、w分別為x、y、z方向的速度；ρ為密度；μ為動力黏度；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；σk為對于k的湍流普朗特數(shù)；σε為對于ε的湍流普朗特數(shù)；C1、C2為常數(shù).

方程的離散選擇二階迎風(fēng)差分格式；壓力與速度的耦合選擇SIMPLE算法.

1.3邊界條件

壁面邊界條件：

集箱壁面采用無速度滑移和無質(zhì)量滲透邊界條件，即假定相對于固體壁面的氣流切向分速度和法向分速度均為零.

入口邊界為集箱徑向引入管的入口橫截面，入口處采用速度入口條件；密度設(shè)置為常數(shù).

出口邊界條件設(shè)置為自由出流邊界條件.

1.4計算結(jié)果及分析

本文數(shù)值模擬工況：流動介質(zhì)為空氣，溫度T=303 K，入口流速ω=62.5 m·s-1，密度ρ=1.165 kg·m-3，動力黏度μ=1.86×10-5 Pa·s.此時入口雷諾數(shù)Re=7.81×105，該工況已進入第二自模區(qū).

為了達到通用性的目的，對數(shù)值模擬中集箱三通區(qū)域的靜壓進行無量綱化處理，將靜壓分布規(guī)律轉(zhuǎn)變成歐拉數(shù)Eu的分布規(guī)律，即

Eu=pi-p0ρω2

（3）

式中：pi為數(shù)值模擬得到的集箱上任一點的靜壓，Pa；p0為三通徑向引入管入口靜壓，Pa.

圖3為集箱三通區(qū)域靜壓分布.由圖中可以看出，正母線與右下40°線靜壓分布大致相同.在L/D=-1.5～1.5（L為集箱上各測點所在截面與三通徑向引入管中心線之間的距離）區(qū)域，沿集箱軸向方向，正母線和右下40°線靜壓分布極不均勻，三通徑向引入管中心線正對的區(qū)域壓力最高，這是由于三通徑向引入氣流進入集箱后在集箱正母線側(cè)內(nèi)壁產(chǎn)生滯止，氣流的動壓轉(zhuǎn)化成靜壓，且從其歐拉數(shù)Eu接近0.5也可以看出.而在L/D=±2處附近，正母線和右下40°線均出現(xiàn)了靜壓的最低點，這是由于三通徑向引入氣流進入集箱后向兩側(cè)90°轉(zhuǎn)彎，在靠近集箱背母線區(qū)域流體質(zhì)點轉(zhuǎn)彎半徑要小于靠近集箱正母線區(qū)域的流體質(zhì)點轉(zhuǎn)彎半徑，從而使背母線區(qū)域流體質(zhì)點流動阻力相對更大，根據(jù)伯努利方程，在靠近背母線的流體質(zhì)點到集箱中心區(qū)域流體質(zhì)點間便產(chǎn)生了一個速度梯度，在剪切力和黏性力的共同作用下導(dǎo)致

氣流分層，從而使徑向引入管兩側(cè)靠近背母線區(qū)域產(chǎn)生兩個渦流區(qū)（由圖4中的集箱三通區(qū)域速度分布可以明顯看出），稱為一次渦流.一次渦流的存在使集箱內(nèi)流通截面積減小，氣流速度增大，靜壓變低.在L/D>2.5和L/D<-2.5時，由于渦流區(qū)的影響逐漸減弱并消失，集箱內(nèi)壓力分布趨于平穩(wěn)，基本和軸向引入、引出方式壓力分布規(guī)律一致.

在L/D=-1.5～1.5區(qū)域，沿圓周方向集箱靜壓不相等，正母線和右下40°線靜壓明顯高于側(cè)母線靜壓.首先，由于動壓的不對稱，正母線和右下40°線處氣流有不同程度的滯止，而在側(cè)母線處，氣流流動方向與集箱內(nèi)壁平行，因此正母線和右下40°線處靜壓要高于側(cè)母線靜壓；其次，由于在L/D=-1.5～1.5區(qū)域存在一個沿集箱圓周方向自正母線至側(cè)母線的壓力梯度，使氣流形成了一個環(huán)形流動趨勢，這一環(huán)形流動趨勢稱為二次渦流.二次渦流加劇了流體的能量損失，使側(cè)母線靜壓更低，因此在L/D=-1.5～1.5區(qū)域，正母線和右下40°線靜壓明顯高于側(cè)母線.

2改進方案

對于從三通渦流區(qū)靜壓較低區(qū)域引出的支管，由于入口靜壓低，支管流量會偏低，存在超溫爆管的危險，所以本文將在以上研究的基礎(chǔ)上對三通區(qū)域的結(jié)構(gòu)進行改進，減小渦流區(qū)的影響范圍，使集箱內(nèi)的靜壓分布更加均勻.

2.1改進方案模型

根據(jù)前文研究所得出的渦流區(qū)位置，本文改進方案為在距離徑向引入管中心線-2.4D～2.4D范圍內(nèi)增大集箱內(nèi)徑.改進后的三通結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中：L1=300 mm；L2=480 mm，D′為改進的后集經(jīng)三通內(nèi)徑.由于改進后集箱存在兩段變徑區(qū)域，這兩區(qū)域不適合引出支管，所以將因改進而處于集箱變徑區(qū)域的支管改為從與其相鄰的支管截面引出即將4號、5號、11號和12號支管分別改為從3號、6號、10號和13號支管截面左下40°線方向引出，如圖5所示.改進方案主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

2.2改進方案結(jié)果及分析

選擇改進方案入口速度與原結(jié)構(gòu)入口速度相同，圖6為按不同方案改進后集箱三通區(qū)域靜壓分

布，圖7為按不同方案改進后A-A截面（三通中截面）集箱速度分布.由圖4、6、7可以看出，由于氣流的滯止，正母線和右下40°線在三通徑向引入管中心線正對位置各方案的靜壓基本相同，Eu均在0.5左右.而在三通中心兩側(cè)隨著三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大，集箱三通區(qū)域靜壓逐漸升高.這是因為在相同的進口流量下，三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大使流體在三通區(qū)域的流速降低，靜壓升高；同時，由于三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大，流體質(zhì)點在三通轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)彎半徑增大，流動損失降低，靠近背母線區(qū)域的流體質(zhì)點和靠近正母線區(qū)域的流體質(zhì)點流動速度的不均勻性減小，從而使剪切力的作用減小，邊界層分離狀況減弱，一次渦流范圍縮小；側(cè)母線靜壓也隨著集箱內(nèi)徑增大而升高.這是由于集箱內(nèi)徑增大使三通引入管氣流速度降低，沿圓周方向自正母線至側(cè)母線的壓力梯度減小，從而使二次渦流減弱，側(cè)母線靜壓升高.三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大使集箱內(nèi)渦流區(qū)范圍縮小，靜壓升高，同時集箱三通區(qū)域靜壓分布也更趨均勻.

由圖6、7可知，當(dāng)三通區(qū)域集箱內(nèi)徑為280 mm時，三通區(qū)域的渦流區(qū)已基本消失，繼續(xù)增大三通區(qū)域集箱內(nèi)徑，集箱三通區(qū)域渦流區(qū)靜壓升高已不明顯.同時，隨著三通區(qū)域集箱內(nèi)徑的增大，三通的制造更加困難，同時成本也將提高.從多方面因素綜合考慮，方案4為最優(yōu)的改進方案.

3結(jié)論

（1） 徑向引入方式的過熱器進口集箱在L/D=-2.5～2.5區(qū)域存在使集箱靜壓降低的渦流區(qū)，會對布置在這一區(qū)域的支管流量造成一定的影響，所以在該區(qū)域布置支管時需特別注意.

（2） 適當(dāng)增大過熱器進口集箱三通區(qū)域集箱內(nèi)徑，可以減小渦流區(qū)范圍，使集箱該區(qū)域靜壓升高.但當(dāng)三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大到一定程度后，繼續(xù)增大三通區(qū)域集箱內(nèi)徑，集箱渦流區(qū)的靜壓已不再有明顯升高.當(dāng)三通區(qū)域集箱內(nèi)徑增大至280 mm時，繼續(xù)增大三通區(qū)域集箱內(nèi)徑，集箱渦流區(qū)的靜壓升高已不明顯.

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