熱網(wǎng)加熱器入口流態(tài)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

李娜

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

熱網(wǎng)加熱器入口流態(tài)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

李娜

(華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046)

熱網(wǎng)加熱器是電廠供熱系統(tǒng)的核心設(shè)備，蒸汽入口流態(tài)對(duì)熱網(wǎng)加熱器的安全運(yùn)行有重要影響。以某電廠在運(yùn)熱網(wǎng)加熱器為研究對(duì)象，針對(duì)加熱器換熱管破裂事故進(jìn)行分析，提出了不同優(yōu)化方案，建立1∶1物理模型，采用k-ε湍流模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法在不同壓力和流量工況下對(duì)熱網(wǎng)加熱器入口流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。分析了不同形式的熱網(wǎng)加熱器入口流速分布，對(duì)比了不同方案的優(yōu)化性能。研究結(jié)果表明：熱網(wǎng)加熱器入口流態(tài)分布對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性有一定影響；優(yōu)化入口形式可以有效改善入口流態(tài)，使流速分布均勻；在加熱器入口加裝大小頭的方案對(duì)流態(tài)的改善效果最佳。

火電廠；供熱系統(tǒng)；熱網(wǎng)加熱器；入口流態(tài)；數(shù)值模擬；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)

0 引言

熱網(wǎng)加熱器是電廠對(duì)外供熱系統(tǒng)的核心設(shè)備，利用汽輪機(jī)抽汽來(lái)加熱熱網(wǎng)回水，達(dá)到一定參數(shù)后對(duì)外供熱進(jìn)行循環(huán)。熱網(wǎng)加熱器的性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)組對(duì)外供熱質(zhì)量和熱經(jīng)濟(jì)性[1]。加熱器進(jìn)汽條件對(duì)加熱器運(yùn)行穩(wěn)定性起決定性作用，蒸汽入口流態(tài)的好壞對(duì)加熱器換熱性能和換熱管的振動(dòng)有重要影響[2]。近年來(lái)，隨著熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的建設(shè)和供熱改造工程的開(kāi)展，針對(duì)熱網(wǎng)加熱器換熱管泄漏、爆管等問(wèn)題的研究工作得到廣泛開(kāi)展。研究人員對(duì)各種類型換熱管泄漏的原因進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的防止措施[3-5]。

某電廠熱網(wǎng)加熱器在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)換熱管破裂泄漏現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致加熱器停運(yùn)事故，給電廠對(duì)外供熱造成嚴(yán)重影響。為探索換熱管泄漏原因，以該熱網(wǎng)加熱器為研究對(duì)象，采用GAMBIT軟件建立加熱器1∶1三維模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD(computational fluid dynamics)方法對(duì)加熱器入口流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)加熱器進(jìn)行優(yōu)化，以改善蒸汽入口流態(tài)。

1 計(jì)算模型

本文以某電廠熱網(wǎng)加熱器為研究對(duì)象，對(duì)加熱器蒸汽入口流速分布及均勻性進(jìn)行研究。加熱器三維模型如圖1所示，其中：X軸正方向?yàn)榧訜崞髑八铱聪蚝笏?。汽輪機(jī)抽汽沿進(jìn)汽管道至加熱器筒體，經(jīng)過(guò)入口蝸殼后進(jìn)入加熱器進(jìn)行換熱。

采用GAMBIT軟件按照1∶1的比例還原加熱器，建立三維幾何模型，計(jì)算流體域包括蒸汽進(jìn)汽管道、加熱器筒體、支撐板和入口蝸殼。為了使流場(chǎng)模擬更加精確，考慮采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行全場(chǎng)劃分，對(duì)于彎道拐角處等采用四面體劃分網(wǎng)格來(lái)降低偽擴(kuò)散，網(wǎng)格劃分在GAMBIT軟件中完成。在流動(dòng)邊界層區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，在計(jì)算過(guò)程中逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，當(dāng)計(jì)算結(jié)果不隨網(wǎng)格數(shù)量變化時(shí)得到網(wǎng)格獨(dú)立解，網(wǎng)格數(shù)量為2.5×106。

圖1 熱網(wǎng)加熱器物理模型

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1數(shù)值方法

為便于計(jì)算分析，對(duì)模擬計(jì)算進(jìn)行以下簡(jiǎn)化：(1)流體為不可壓縮、定常充分發(fā)展湍流；(2)研究目標(biāo)為入口流態(tài)分布，暫不考慮流傳熱；(3)參考入口過(guò)熱蒸汽區(qū)域結(jié)果進(jìn)行分析。

數(shù)值計(jì)算采用雷諾時(shí)均N-S控制方程，基于有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，湍流模型采用k-ε模型，控制方程對(duì)流項(xiàng)的差分格式采用一階迎風(fēng)格

李娜：熱網(wǎng)加熱器入口流態(tài)優(yōu)化數(shù)值模擬研究

式，離散后的方程組采用SIMPLE方法進(jìn)行求解，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，收斂標(biāo)準(zhǔn)為控制方程殘差均小于10-5。

邊界條件設(shè)置：入口設(shè)定為速度入口，給定入口流速及湍流強(qiáng)度；出口設(shè)置為自由出流；壁面設(shè)定為無(wú)滑移、無(wú)熱傳遞邊界。

2.2控制方程

計(jì)算流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，滿足相應(yīng)的控制方程。

連續(xù)方程

(1)

動(dòng)量守恒方程

ρgi+Fi。

(2)

能量守恒方程

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；ui為速度，m/s；p為壓力，Pa；g為重力加速度，9.8 m/s2；E為內(nèi)能與動(dòng)能之和，J；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；J為擴(kuò)散通量；F，S為源項(xiàng)；τ為粘性耗散帶來(lái)的傳遞能量。

2.3計(jì)算工況

經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào)取的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取典型工況和大流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。同時(shí)，對(duì)加熱器蒸汽入口進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的加熱器蒸汽入口方案進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比，數(shù)值模擬工況見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬工況

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1典型工況入口速度分布

為研究加熱器入口流態(tài)分布，分別選取入口位置水平截面和豎直截面進(jìn)行分析。圖2給出了加熱器入口蒸汽溫度320 ℃，壓力0.45 MPa，流量170 t/h時(shí)加熱器原模型及2種優(yōu)化方案入口水平截面的速度分布圖。從圖2中可以看出，入口位置蒸汽流速在加熱器中心兩側(cè)對(duì)稱分布，中間流速較兩側(cè)流速偏高。對(duì)比3種模型入口水平截面流速分布情況可知，入口加裝蝸殼、大小頭2種優(yōu)化方案均可降低入口蒸汽流速。其中，原模型入口水平截面最大流速達(dá)到100 m/s，加裝蝸殼、大小頭后，最大流速分別降至70，45 m/s。

圖2 不同形式入口水平截面(y)速度分布

不同模型入口豎直截面的速度分布如圖3所示。由圖3可知，豎直截面速度分布情況與水平截面類似，在入口加裝蝸殼、大小頭后蒸汽流速明顯降低。防沖板處最大流速?gòu)?00 m/s分別降至80，50 m/s。從圖3中還可看出，原模型進(jìn)汽管道與筒體連接處存在明顯的高速、低速?gòu)?fù)合區(qū)域，在加熱器運(yùn)行過(guò)程中易產(chǎn)生旋渦，造成沖刷。高速蒸汽進(jìn)入加熱器筒體后，沿防沖板兩側(cè)直接沖刷換熱管，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成換熱管腐蝕、破裂現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，高速蒸汽經(jīng)蝸殼或大小頭后進(jìn)入筒體，流態(tài)得到明顯改善，蒸汽流速降低，對(duì)換熱管的沖刷也明顯減小。

圖3 不同形式入口豎直截面(x)速度分布

3.2大流量工況入口速度分布

為了驗(yàn)證2種優(yōu)化方案在大流量工況下的效果，圖4給出了入口蒸汽溫度320 ℃，壓力0.28 MPa，流量250 t/h時(shí)2種優(yōu)化方案入口豎直截面的速度分布圖。從圖4中可以看出，加裝蝸殼、大小頭對(duì)加熱器入口流態(tài)均有一定的改善作用，加熱器入口流速分布較均勻。進(jìn)一步對(duì)比2種優(yōu)化方案入口截面流速分布，加裝大小頭的方案蒸汽流速更加均勻，防沖板兩側(cè)末端蒸汽流速比加裝蝸殼方案低40%。綜合本節(jié)分析可知，熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管道入口加裝大小頭的方案優(yōu)化效果更好。

圖4 大流量工況入口豎直截面速度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

熱網(wǎng)加熱器入口蒸汽流態(tài)對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性有重要影響，高速蒸汽的持續(xù)沖刷造成換熱管破裂。在蒸汽入口加裝蝸殼、大小頭可使蒸汽流速降低20%～50%，改善蒸汽入口流態(tài)，進(jìn)一步減少高速蒸汽對(duì)換熱管的沖刷損害。進(jìn)一步的研究表明，在入口加裝大小頭的方案優(yōu)化效果更好，該研究成果可以為以后的設(shè)備制造和工程實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

[1]林振嫻,楊勇平,何堅(jiān)忍.熱網(wǎng)加熱器在熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中的全工況分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(23):14-18.

[2]郭霄,高革超,莊海濤.熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽管高頻振動(dòng)原因分析及治理[J].區(qū)域供熱,2012(2):44-48.

[3]祝志剛.淺析熱網(wǎng)加熱器泄漏原因[J].鍋爐制造,2011(4):61-62.

[4]周家瑞.熱網(wǎng)加熱器泄漏原因分析及防止措施[J].應(yīng)用能源技術(shù),2014(2):44-45.

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TK 172

A

1674-1951(2017)10-0014-03

2017-06-14；

2017-08-16

(本文責(zé)編：白銀雷)

李娜(1982—)，女，河南濮陽(yáng)人，工程師，工學(xué)碩士，從事火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)與研究方面的工作(E-mail:lina@chec.com.cn)。