余雛麟 任志文 鄧 科 季敏東 楊 威

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

高壓加熱器疏冷段出口流量分配影響因素分析*

余雛麟1,2任志文1鄧 科2季敏東2楊 威2

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

采用CFD方法對(duì)高壓加熱器疏冷段出口流量的分配特性進(jìn)行分析，探討進(jìn)口流速、出口壓力、底面出口位置、底面出口與側(cè)面出口面積比和換熱管數(shù)量對(duì)流量分配特性的影響。

高壓加熱器 疏冷段出口 影響因素 流量分配

大型火電站或核電站中廣泛采用的三段式臥式高壓加熱器(下文簡稱臥式高加)是一種典型的U形管式換熱器[1]。它利用高溫蒸汽加熱管內(nèi)溫度較低的水，對(duì)提高電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要的作用[2]。

近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)(簡稱CFD)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件水平的不斷提高，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)換熱器進(jìn)行模擬已被越來越多的學(xué)者所采用[3～6]。為此，筆者采用CFD方法，以采用雙弓形折流板的三段式臥式高加的疏冷段為分析對(duì)象，通過建立疏冷段的三維CFD數(shù)值模型，探討進(jìn)口流速、出口壓力、底面出口位置、底面出口與側(cè)面出口面積比和換熱管數(shù)量對(duì)疏冷段出口流量分配特性的影響，為高壓加熱器疏冷段的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化提供參考。

1 疏冷段結(jié)構(gòu)分析

典型的臥式高加殼程結(jié)構(gòu)如圖1所示。殼程根據(jù)介質(zhì)的傳熱特點(diǎn)分為過熱段、飽和段和疏冷段。過熱段是利用高溫蒸汽的顯熱來加熱管內(nèi)低溫水；飽和段是利用高溫蒸汽的凝結(jié)潛熱來加熱管內(nèi)低溫水；疏冷段則是利用飽和水來加熱管內(nèi)低溫水。

圖1 臥式高加殼程結(jié)構(gòu)示意圖

為滿足機(jī)組疏水大流量的要求，大型臥式高加的疏冷段往往采用雙弓形折流板布置。典型的采用雙弓形折流板布置的臥式高加的疏冷段結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙弓形折流板臥式高加疏冷段結(jié)構(gòu)簡圖

一般情況下，疏冷段疏水出口僅采用側(cè)面開口的形式(圖2a虛線所示)，但是對(duì)于流量較大的情況，側(cè)面開口的流通面積往往較小，這會(huì)使得疏水流速較高，導(dǎo)致側(cè)面出口附近的管束容易發(fā)生振動(dòng)破壞。為增加流通面積，通常采用的做法是在疏冷段的底板上開口，且底板上開口有兩種方式，一種是底部中心開口，另一種是底部兩側(cè)開口，兩種底部開口方式如圖2b虛線所示。疏水從底部開口和側(cè)面開口到達(dá)高加疏水出口管在流體力學(xué)上屬于典型的并聯(lián)管路問題。根據(jù)并聯(lián)管路各條支路壓力降相等的關(guān)系，必然導(dǎo)致各支路的流量不相等。

2 數(shù)值模型簡化和試驗(yàn)方案

2.1 幾何模型和物理模型簡化

筆者以工程中實(shí)際設(shè)計(jì)的一臺(tái)600MW機(jī)組的臥式高加疏冷段為例，采用CFD方法對(duì)疏冷段出口的流量分配影響因素進(jìn)行分析。該疏冷段的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：

疏水進(jìn)口尺寸 400mm×600mm

出口管內(nèi)徑 404mm

側(cè)面開口面積 0.153m2

底口開口寬度 100mm

折流板厚度 10mm

折流板間距 360mm

換熱管排列方式 三角形

在對(duì)高加疏冷段進(jìn)行CFD建模時(shí)，鑒于模型的復(fù)雜性，同時(shí)考慮疏冷段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際模擬時(shí)的硬件條件限制，對(duì)疏冷段的計(jì)算模型進(jìn)行如下簡化：

a.僅研究疏冷段殼程流體的流動(dòng)特性，而不研究殼程流體與管程流體之間的傳熱；

b.假設(shè)流體為各向同性、不可壓縮的牛頓流體且不考慮疏水在流動(dòng)過程中物性的變化，疏水密度為853kg/m3，動(dòng)力粘度為0.127 6mPa·s；

c.目前多數(shù)的高壓加熱器一塊管板上有多達(dá)幾千根的換熱管，且換熱管直徑均較小，但考慮到計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，在建立模型時(shí)選取具有代表性的幾根外徑為57mm的換熱管；

d.實(shí)際高加的疏冷段可能被折流板分成多達(dá)10段以上，但是由于疏冷段沿流體流動(dòng)方向除進(jìn)口段和出口段外，其余各段可劃分為周期性發(fā)展段，受限于計(jì)算硬件條件，筆者僅建立包含進(jìn)出口的5段模型；

e.人為增加進(jìn)出口直管段的長度，以保證流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，忽略折流板上開孔與換熱管之間和折流板與殼體之間的間隙，并利用對(duì)稱性建立一半模型。

2.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

根據(jù)研究目的，采用表1中所列的15個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算。表1開口位置一列中，底中心代表在底部中心開口、底兩側(cè)代表在底部兩側(cè)開口、側(cè)口表示沒有在疏冷段底部開口僅在疏冷段圓弧包殼上開口。底部開口面積的變化通過保持開口寬度100mm不變而長度變化的方式來實(shí)現(xiàn)。換熱管根數(shù)的減少通過整排遞減的方式，即20根對(duì)應(yīng)4排，14根對(duì)應(yīng)3排，9根對(duì)應(yīng)2排。

表1 計(jì)算模型參數(shù)列表

2.3 邊界條件設(shè)置與求解

采用流體力學(xué)計(jì)算軟件Ansys Fluent version 6.3進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。根據(jù)表1的計(jì)算工況，可見流動(dòng)為湍流。湍流模型采用realizablek-ε湍流模型。模型求解基于壓力求解器，并且使用SIMPLE方法對(duì)速度和壓力進(jìn)行耦合。在近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來進(jìn)行處理。動(dòng)量方程和壓力方程均采用二階迎風(fēng)格式。邊界條件為速度進(jìn)口和壓力出口。

采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)對(duì)疏冷段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在壁面處進(jìn)行加密處理以滿足近壁面函數(shù)法對(duì)低雷諾數(shù)求解準(zhǔn)確性的要求，網(wǎng)格單元數(shù)約為150 萬。表1中計(jì)算模型2的幾何模型如圖3所示。數(shù)值計(jì)算在一臺(tái)工作站上進(jìn)行，CPU為Intel XeonW55903.33GHz，內(nèi)存256GB，硬盤2TB。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算模型2的最大速度云圖如圖4所示，流線圖如圖5所示。各計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果見表2。從表2中的結(jié)果可以看出：無論是底部中心開口還是底部兩側(cè)開口，最大流速都較僅側(cè)面開口時(shí)的小，說明底部中心開口和底部側(cè)面開口對(duì)降低流速的效果是明顯的；當(dāng)開口位置變化，而其他條件不變的情況下，通過底部中心開口的流量略較通過底部兩側(cè)開口的流量大；在其他條件不變的情況下，隨著底部開口面積和側(cè)面開口面積比的增加，底口流量和總流量之比也不斷增加，且這種變化是非線性的；在其他條件不變的情況下，進(jìn)口流速變化時(shí)，開口流量和總流量之比基本保持不變；當(dāng)在底部中心開口，而其他條件不變的情況下，隨著出口壓力的增大，底口流量和總流量之比呈非線性遞減趨勢(shì)，最大流速增加明顯；在其他條件不變的情況下，換熱管數(shù)量對(duì)流量分配的影響并無明顯規(guī)律。

圖3 計(jì)算模型2的幾何模型

圖4 計(jì)算模型2的最大速度云圖

圖5 計(jì)算模型2流線圖

表2 各計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述幾點(diǎn)，在對(duì)采用雙弓形折流板的高加疏冷段出口進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，底部中心開口與底部兩側(cè)開口相比，一方面通過底部中心開口的流速較高，且底部中心開口附近的換熱管無支撐跨距較大，容易發(fā)生流體誘發(fā)振動(dòng)失效，另一方面底部中心開口時(shí)，較多的流體會(huì)直接從底部開口流出，導(dǎo)致橫掠管束的流體減少，使得疏水未充分與管內(nèi)給水進(jìn)行熱交換，可能導(dǎo)致疏水出口水溫偏高，因此推薦采用底部兩側(cè)開口的形式來降低流速。

值得說明的是，限于計(jì)算機(jī)硬件條件，筆者雖然就換熱管數(shù)量對(duì)流量分配的影響進(jìn)行了初步分析，但是由于計(jì)算模型采用的換熱管數(shù)量遠(yuǎn)比實(shí)際臥式高加的數(shù)量少，關(guān)于換熱管數(shù)量對(duì)流量分配的影響仍有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語

針對(duì)特定的雙弓形折流板布置的臥式高加疏冷段出口結(jié)構(gòu)，采用CFD方法對(duì)疏水出口的流量分配影響因素進(jìn)行了分析，初步得出就底部開口位置來說，宜采用底面兩側(cè)開口的結(jié)構(gòu)形式；底部開口流量和側(cè)面開口流量比與出口壓力成非線性反比關(guān)系、與底部開口面積和側(cè)面開口面積比成非線性正比關(guān)系；在其他條件不變時(shí)，流速變化對(duì)底部開口流量和總流量的分配比影響較小。

[1] 季敏東.超臨界600MW高加自主開發(fā)設(shè)計(jì)[J].東方鍋爐，2009，(4)：1～5.

[2] 季敏東，余雛麟，李長勝.1000MW蛇形管集箱式高壓加熱器的自主開發(fā)設(shè)計(jì)[J].電站輔機(jī)，2016，37(1)：1～3.

[3] 余雛麟，鄧科，季敏東.加熱器及除氧器接管許用外力和外力矩的計(jì)算[J].電站輔機(jī)，2015，36(1)：1～4.

[4] 余雛麟，鄧科，季敏東.多約束條件下三段式高壓加熱器傳熱面積優(yōu)化[J].東方電氣評(píng)論，2015，29(1)：29～31.

[5] 謝洪虎，江楠.管殼式換熱器殼程流體流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[J].化學(xué)工程，2009，37(9)：9～12.

[6] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：2～3.

AnalysisofOutletFlowDistributionInfluenceFactorsofSubcoolingZoneinHigh-pressureFeedWaterHeater

YU Chu-lin1,2,REN Zhi-wen1,DENG Ke2,JI Min-dong2,YANG Wei2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity;2.KeyLaboratoryofSichuanProvinceforCleanCombustionandFlueGasPurification,DongfangGroupBoilerCo.,Ltd.)

The CFD method was used to analyze outlet flow distribution characteristics of subcooling zone in the high-pressure feed water heater,and the effect of inlet velocity,outlet pressure,bottom outlet location and the side outlet location and side outlet area to bottom outlet area ratio and the number of tubes on the flow distribution characteristics were discussed.

high-pressure feed water heater,subcooling zone outlet,influence factor,flow distribution

余雛麟(1986-)，高級(jí)工程師，主要從事強(qiáng)化傳熱和承壓設(shè)備安全研究，yuchulin_007@163.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)04-0437-05

2016-10-10，

2017-01-15)