馮國強 丁 雨

（北京全四維動力科技有限公司，北京100085）

0 引言

具有發(fā)電和供熱功能的大型熱電聯(lián)供汽輪機組目前得到了越來越廣泛的應(yīng)用。供熱抽汽調(diào)節(jié)可分為外部調(diào)節(jié)和內(nèi)部調(diào)節(jié)，外部調(diào)節(jié)手段一般是從汽輪機各抽汽口或管道上引出蒸汽，通過外部加裝減溫減壓裝置等調(diào)節(jié)設(shè)備，滿足抽汽要求。此種方式調(diào)節(jié)范圍有限，且往往效率不高。內(nèi)部調(diào)節(jié)是通過旋轉(zhuǎn)隔板或閥門等設(shè)備，使抽出的蒸汽滿足抽汽要求。此方式效率較高，調(diào)整范圍也比較大［1］。

本文的研究對象為引進型四缸四排汽亞臨界600MW機組的中低壓連通管。該機組擬進行中低壓連通管抽汽供熱改造，在中低壓連通管上打孔抽汽，并加裝調(diào)節(jié)蝶閥。雙流中壓缸的排汽經(jīng)過中低壓連通管和調(diào)節(jié)蝶閥進入低壓缸，蒸汽在連通管中流動至少經(jīng)歷一次混合、一次分流、兩次90°角折轉(zhuǎn)和蝶閥的節(jié)流作用，必將伴隨一定的壓力損失［2－5］。為避免中壓缸兩根排汽管道內(nèi)的蒸汽在混合時引起較大的流動損失，并避免兩低壓缸進汽流量偏差過大，在原中低壓連通管內(nèi)設(shè)置有一定厚度的圓弧形導(dǎo)流板；同時為滿足供熱抽汽要求，將在中壓缸兩排汽管道內(nèi)蒸汽混合后的區(qū)域內(nèi)設(shè)置蝶閥，該蝶閥裝置可能會對中壓缸和低壓缸的蒸汽參數(shù)造成影響進而影響機組的運行。為此，本文針對加裝蝶閥前后連通管內(nèi)蒸汽流動情況進行了詳細分析，通過變化連通管進排汽管道的蒸汽參數(shù)模擬抽汽工況，對在不同開度下蝶閥對中壓缸排汽和低壓缸進汽蒸汽參數(shù)的影響作了對比研究。

1 幾何模型和網(wǎng)格

1．1 幾何模型

該機組為四缸四排汽，雙流中壓缸排汽經(jīng)連通管匯集通入兩個雙流低壓缸。機組布置示意圖如圖1所示，其中虛線內(nèi)為本文所研究的區(qū)域。

圖1 機組布置示意圖

中壓缸排汽和低壓缸進汽部分的管道內(nèi)徑均為Φ1＝1 200mm，匯合后蒸汽管道內(nèi)徑為Φ2＝1 700mm，管道折轉(zhuǎn)處為圓弧過渡；圓弧形導(dǎo)流板位于接近于管道中心處，厚度取為10mm；調(diào)節(jié)蝶閥靠近蒸汽排汽管道位置，直徑為1 600mm。為了能夠避免人為設(shè)置邊界條件掩蓋了對中排兩側(cè)的影響，中壓缸排汽管道作適當(dāng)?shù)难由觳R于一根橢圓管，該處設(shè)置統(tǒng)一進口條件，而低壓缸進汽處的管道也作相應(yīng)的延伸以保證管道出口前的蒸汽平穩(wěn)流動。為研究方便，本文簡化了調(diào)節(jié)蝶閥的幾何模型，用簡單的圓形板代替構(gòu)造復(fù)雜的蝶閥，并忽略了膨脹節(jié)、法蘭等零件對管道汽流的影響。圖2為連通管和蝶閥幾何模型示意圖。

圖2 連通管和蝶閥幾何模型示意圖

1．2 網(wǎng)格設(shè)置

計算網(wǎng)格采用全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。無蝶閥時網(wǎng)格總數(shù)約為68萬，最小正交性為24°，最大長寬比231，最大延展比為3．2。

蝶閥開度為85°時網(wǎng)格總數(shù)約為96萬，最小正交性為7．8°，最大長寬比231，最大延展比為3．2。

蝶閥開度為45°時網(wǎng)格總數(shù)約為92萬，最小正交性為8．1°，最大長寬比231，最大延展比為3．2。

第一層網(wǎng)格距離壁面1E－5m，保證較好的壁面附近流場模擬。無蝶閥時壁面網(wǎng)格分布如圖3所示。

圖3 無蝶閥連通管網(wǎng)格分布

2 計算方法

采用計算流體軟件對不同幾何模型進行計算分析。該軟件采用時間相關(guān)法求解雷諾平均N－S方程?？臻g離散選用二階精度的中心離散格式，時間離散選用四階精度格式。計算殘差收斂到－3或－4的量階。湍流模型采用S－A一方程湍流模型，可以很好地保證模擬計算結(jié)果的魯棒性和準(zhǔn)確性。

3 邊界條件

邊界條件設(shè)置根據(jù)機組熱平衡計算結(jié)果按不同工況分別給定。進口邊界給定蒸汽流量，出口邊界給定壓力。邊界示意圖如圖4所示。

圖4 邊界示意圖

無蝶閥時：進口流量153．5kg／s，出口壓力271 654Pa。

蝶閥開度為85°時：進口流量140kg／s，出口壓力270 000Pa。

蝶閥開度為45°時：進口流量76kg／s，出口壓力152 000Pa。

4 結(jié)果分析

4．1 蒸汽流量

進排汽參數(shù)選取截面為中低壓缸進排汽的實際位置，如圖4中黑色線所示，中壓缸排汽管道和低壓缸進汽管道的蒸汽流量變化如表1所示。

表1 連通管內(nèi)的蒸汽流量對比 單位：%

從表1可以看出，有無蝶閥及蝶閥開度不同的情況下，中壓缸兩排汽管道的靜壓和蒸汽流量變化很小，即蝶閥幾乎不會影響中壓缸內(nèi)的蒸汽參數(shù)。而對于低壓缸兩進汽管道，當(dāng)沒有蝶閥時，其流量稍有變化；當(dāng)?shù)y開度為85°時，幾乎與導(dǎo)流板平行的蝶閥對蒸汽阻礙作用較小，對低壓缸進汽參數(shù)影響也可以忽略，但是整體上連通管進排汽管道的參數(shù)變化要稍小于無蝶閥情況，可見蝶閥轉(zhuǎn)動一定角度后，汽流通過面積為非對稱分布，使得低壓缸兩根進汽管道的參數(shù)不可避免地發(fā)生變化；當(dāng)?shù)y開度變化到45°時，蝶閥幾乎充滿整個管道，嚴(yán)重阻礙汽流的流動，也使得低壓缸兩進汽管道的蒸汽參數(shù)變化明顯。低壓缸進汽量的變化對機組的經(jīng)濟性和安全性會有一定影響，需要通過一定的措施來減少這種差異。

4．2 壓力損失系數(shù)

壓力損失計算公式為：

式中，Ptin、Ptout分別為管道進口和出口總壓（Pa）；ρ為管道進口蒸汽密度（kg／m3）；vin為管道進口蒸汽流速（m／s）。

有無蝶閥及蝶閥不同開度下壓力損失如表2所示。從表2可以看出，無蝶閥時，蒸汽僅受90°彎角的影響，總壓損失系數(shù)較小，這也肯定了圓弧形導(dǎo)流板的導(dǎo)流作用；設(shè)置蝶閥后，受蝶閥的阻礙，連通管的壓力損失逐漸增加，且隨著蝶閥開度的加大壓力損失增加明顯。

表2 壓力損失系數(shù)

4．3 流場分析

從圖5和圖6中的中截面壓力分布可以看出，無蝶閥時靜壓逐漸降低，在距離汽流進口較近的低壓缸進口管道處壓力最低，且兩進口管道壓力差別極??；增加蝶閥后，截面上壓力急劇下降，連通管內(nèi)壓力下降的趨勢明顯高于不加蝶閥情況，也使得此時的壓力損失增加。

圖5 中截面靜壓分布

圖6 中截面總壓分布

蒸汽流入中壓缸兩排汽管道后，在兩根管道內(nèi)流動逐漸趨于平穩(wěn)；在連通管兩個90°彎管附近，從彎管內(nèi)側(cè)往彎管外側(cè)壓力逐步增大，這與彎道汽流受離心力的影響有關(guān)［6－7］。導(dǎo)流板A附近壓力平滑過渡，可見其圓弧形狀可以很好地保證汽流順暢流動，降低了中壓缸兩股蒸汽混合時對汽流沖撞造成振動的可能，也減少了連通管的壓力損失；當(dāng)?shù)y開度較小時，蝶閥類似于延長的導(dǎo)流板，對汽流幾乎無阻礙作用，可以較好地保證導(dǎo)流板B的導(dǎo)流作用，進而保證了低壓缸兩進汽管道的蒸汽參數(shù)差別較小，確保了汽輪機的安全運行；當(dāng)?shù)y開度逐漸增加到45°時，蝶閥上下游蒸汽壓力變化非常明顯，也引起出口1彎角處壓力變化突出，從而加大了低壓缸兩排汽管道的蒸汽參數(shù)變化，也使得壓力損失進一步增加。

從圖7的流線分布可以看出，無蝶閥時，流動較順暢，導(dǎo)流板A與B有較好的順流和分流作用，使得兩進口汽流有很好的混合，而出口汽流近乎均勻地分流于兩出汽口管道內(nèi)，這與圖5和圖6中連通管內(nèi)的壓力分布相對應(yīng)。設(shè)置蝶閥且其開度為85°時，在蝶閥后出現(xiàn)回流，并影響到距離蝶閥較近的出口1管道內(nèi)的蒸汽流動。當(dāng)?shù)y開度增加到45°時，回流區(qū)尺寸明顯增加，并在距離汽流進口較近的低壓缸管道處再次引起回流，增大了汽流對連通管管壁的沖擊；從圖7（c）中也可以明顯看出，由于蝶閥轉(zhuǎn)動角度的增大，連通管中截面上兩部分的汽流通過面積明顯不同，上側(cè)明顯較小，這也在一定程度上拉大了低壓缸兩根進汽管道的蒸汽參數(shù)的差別，也為設(shè)置蝶閥與管道的相對位置提供了一定的依據(jù)。研究表明，通過調(diào)整蝶閥的位置可以在一定程度上減少流場的差異。

圖7 管道內(nèi)流線分布

5 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬結(jié)果表明，連通管內(nèi)設(shè)置圓弧形導(dǎo)流板可以很好地起到順流和分流的作用，使得中壓缸排汽以及2個低壓缸進汽參數(shù)波動不大；而設(shè)置蝶閥及蝶閥開度幾乎不會影響中壓缸兩排汽管道的蒸汽參數(shù)，但會大大增加中低壓連通管的壓力損失，且會嚴(yán)重影響兩低壓缸進汽參數(shù)，對低壓缸的汽量分配造成影響，也會對機組的運行經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生影響。通過采取適當(dāng)措施可以減少這種不良影響。

［1］張良平．供熱汽輪機組上蝶閥的應(yīng)用［J］．東方汽輪機，2011（2）

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［7］文俊，刁明軍，李斌華，等．90°圓形彎管三維紊流數(shù)值模擬［J］．四川水利發(fā)電，2008（2）