鍋爐過熱器進口集箱三通區域靜壓分布的數值模擬及三通的結構改進

徐國鵬++袁益超++曾憲鈺

摘要： 為解決過熱器超溫爆管問題，根據電站鍋爐過熱器帶三通集箱的結構特點，采用數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域的靜壓分布和流動規律進行了研究，并在此基礎上對三通區域結構進行了改進.結果表明：三通區域集箱中存在渦流區，使該區域的靜壓變低，導致布置在該區域的支管蒸汽流量減少；適當增大三通區域集箱內徑可提高集箱渦流區的靜壓，但當三通區域集箱內徑增大到一定程度后，繼續增大三通區域集箱內徑，集箱渦流區的靜壓已不再有明顯升高.

關鍵詞：

帶三通集箱； 數值模擬； 靜壓分布； 渦流區； 改進

中圖分類號： TK 22文獻標志碼： A

目前大容量電站鍋爐過熱器大多采用帶三通結構的徑向引入、引出集箱系統，當蒸汽引入集箱后會在三通區域附近產生渦流區，使得布置在該區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域，就很容易發生超溫爆管事故.由于三通區域集箱內流動狀況復雜，靜壓分布規律與軸向引入、引出方式的集箱差別很大，運用于軸向引入、引出集箱系統壓力分布規律的水動力計算方法[1]已不再適用，美國CE公司的計算標準中關于徑向引入、引出集箱系統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域的壓力分布和流動規律，對過熱器的設計和鍋爐的安全運行具有重要的意義.

Kreid等[3]研究發現，與充分發展的直管中流速呈拋物線分布的情況相比，三通區域流體速度分布曲線發生了嚴重的扭曲.陸方等[2]和羅永浩等[4]對進口集箱三通區域壓力分布規律進行了冷態模化試驗研究，找到了一些影響三通區域靜壓分布的因素，并得到了用于計算三通區域靜壓分布的經驗公式.匡江紅等[5]、劉進等[6]、張潤卿等[7]和周云龍等[8]采用數值模擬方法對進口集箱三通區域進行了研究，得到了集箱三通區域的靜壓分布規律、流動特性及相對應的支管流量分配情況.其中，周云龍等[8]還對三通渦流區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，國內外學者通過試驗和數值模擬方法，對過熱器進口集箱三通區域的靜壓分布和流動特性進行了研究，也取得了一些成果，但并沒有根據這些研究成果對三通區域結構的改進提出具體方案.本文將通過數值模擬方法研究三通區域靜壓分布規律，在此基礎上對三通區域結構提出改進方案，以期為工程實際提供參考.

1數值模擬

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.由于渦流區主要集中在距離三通徑向引入管中心線±（2～3）D范圍內[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的流動為湍流流動，所

以本文采用標準k-ε方程進行數值計算.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生項；σk為對于k的湍流普朗特數；σε為對于ε的湍流普朗特數；C1、C2為常數.

方程的離散選擇二階迎風差分格式；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；密度設置為常數.

出口邊界條件設置為自由出流邊界條件.

1.4計算結果及分析

本文數值模擬工況：流動介質為空氣，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Re=7.81×105，該工況已進入第二自模區.

為了達到通用性的目的，對數值模擬中集箱三通區域的靜壓進行無量綱化處理，將靜壓分布規律轉變成歐拉數Eu的分布規律，即

Eu=pi-p0ρω2

（3）

式中：pi為數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內壁產生滯止，氣流的動壓轉化成靜壓，且從其歐拉數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90°轉彎，在靠近集箱背母線區域流體質點轉彎半徑要小于靠近集箱正母線區域的流體質點轉彎半徑，從而使背母線區域流體質點流動阻力相對更大，根據伯努利方程，在靠近背母線的流體質點到集箱中心區域流體質點間便產生了一個速度梯度，在剪切力和黏性力的共同作用下導致

氣流分層，從而使徑向引入管兩側靠近背母線區域產生兩個渦流區（由圖4中的集箱三通區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，由于渦流區的影響逐漸減弱并消失，集箱內壓力分布趨于平穩，基本和軸向引入、引出方式壓力分布規律一致.

在L/D=-1.5～1.5區域，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，而在側母線處，氣流流動方向與集箱內壁平行，因此正母線和右下40°線處靜壓要高于側母線靜壓；其次，由于在L/D=-1.5～1.5區域存在一個沿集箱圓周方向自正母線至側母線的壓力梯度，使氣流形成了一個環形流動趨勢，這一環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，使側母線靜壓更低，因此在L/D=-1.5～1.5區域，正母線和右下40°線靜壓明顯高于側母線.

2改進方案

對于從三通渦流區靜壓較低區域引出的支管，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上對三通區域的結構進行改進，減小渦流區的影響范圍，使集箱內的靜壓分布更加均勻.

2.1改進方案模型

根據前文研究所得出的渦流區位置，本文改進方案為在距離徑向引入管中心線-2.4D～2.4D范圍內增大集箱內徑.改進后的三通結構如圖5所示，其中：L1=300 mm；L2=480 mm，D′為改進的后集經三通內徑.由于改進后集箱存在兩段變徑區域，這兩區域不適合引出支管，所以將因改進而處于集箱變徑區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.改進方案主要結構參數如表1所示.

2.2改進方案結果及分析

選擇改進方案入口速度與原結構入口速度相同，圖6為按不同方案改進后集箱三通區域靜壓分

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.而在三通中心兩側隨著三通區域集箱內徑增大，集箱三通區域靜壓逐漸升高.這是因為在相同的進口流量下，三通區域集箱內徑增大使流體在三通區域的流速降低，靜壓升高；同時，由于三通區域集箱內徑增大，流體質點在三通轉彎處的轉彎半徑增大，流動損失降低，靠近背母線區域的流體質點和靠近正母線區域的流體質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；側母線靜壓也隨著集箱內徑增大而升高.這是由于集箱內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母線的壓力梯度減小，從而使二次渦流減弱，側母線靜壓升高.三通區域集箱內徑增大使集箱內渦流區范圍縮小，靜壓升高，同時集箱三通區域靜壓分布也更趨均勻.

由圖6、7可知，當三通區域集箱內徑為280 mm時，三通區域的渦流區已基本消失，繼續增大三通區域集箱內徑，集箱三通區域渦流區靜壓升高已不明顯.同時，隨著三通區域集箱內徑的增大，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為最優的改進方案.

3結論

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

（2） 適當增大過熱器進口集箱三通區域集箱內徑，可以減小渦流區范圍，使集箱該區域靜壓升高.但當三通區域集箱內徑增大到一定程度后，繼續增大三通區域集箱內徑，集箱渦流區的靜壓已不再有明顯升高.當三通區域集箱內徑增大至280 mm時，繼續增大三通區域集箱內徑，集箱渦流區的靜壓升高已不明顯.

參考文獻：

[1]上海發電設備成套設計研究所.JB/Z 201—1983電站鍋爐水動力計算方法[S].北京：機械工業出版社，1983.

[2]陸方，王孟浩，李道林，等.大容量電站鍋爐過熱器再熱器帶三通集箱流量分布的試驗研究[J].動力工程，1996，16（3）：13-19.

[3]KREID D K，CHUNG C J，CROWE C T.Measurements of the flow of water in a “T” junction by the LDV technique[J].Journal of Applied Mechanics，1975，42（2）：498-499.

[4]羅永浩，楊世銘，王孟浩.T型進口三通對分配集箱流量分配的影響[J].動力工程，1998，18（3）：29-33.

[5]匡江紅，劉平元，陳朝松，等.電站鍋爐過熱器、再熱器集箱靜壓分布的數值研究[J].動力工程，2004，24（2）：166-169.

[6]劉進，劉平元，陳朝松，等.電站鍋爐三通集箱系統流量分配的數值模擬[J].動力工程，2009，29（6）：528-533.

[7]張潤卿，袁益超.電站鍋爐再熱器帶“三通”集箱靜壓分布的數值模擬及受熱面熱偏差計算[J].動力工程學報，2011，31（6）：403-409.

[8]周云龍，劉袖.三通集箱過熱器壓力分布與流量分配的數值模擬[J].動力工程學報，2013，33（1）：6-10.