球體聯箱內水蒸汽流動的數值研究

侯春江

(國能雙鴨山發電有限公司，雙鴨山 155136)

0 引 言

聯箱作為流量分配的重要結構，在多個工業領域內發揮重要的作用，作為將流體切分和匯集的結構，如果聯箱設計時存在流動不均等問題，則會引發一系列的嚴重后果，特別在火電行業，高溫受熱面的入口聯箱如果流量分配不均，將導致局部換熱效果差，部分管壁超溫，甚至爆管停機,如王春昌[1]提出水冷壁管道因為流量分配問題引起的爆管，胡志宏[2]等對流化床鍋爐的屏過爆管進行研究發現流量分配不均，對此相關學者也進行了研究，羅云[3]等對蒸發聯箱的流量分配特性進行研究，曲新鶴[4]等，對聯箱影響U型布置并聯管流量分配情況進行研究，張立棟[5]等對聯箱入口結構對流量分配的影響進行了優化，趙晴川[6]等對聯箱流量分配的計算方法進行了研究，聯箱作為流量分配的主要結構，對于現有結構的優化較多，并未提出一種新型聯箱結構，均勻將工質分配至各個出口，隨著目前材料工藝的提升，球體聯箱的制造難度降低，新型球體結構聯箱對流量進行均勻分配優勢逐漸顯著。

1 研究對象結構

提出一種新型蒸汽分配聯箱，其結構主要由入口，球體和出口組成，其中入口為管狀，直徑432 mm，長度1 000 mm，球體半徑R為1 000 mm，在球體的兩側對稱布置30個出口管，每側為上、中、下三層，每曾5個。其編號方式為：由正向至反向左側上層依次為1～5號，左側中層為6～10號，左側下層為11～15號，由反向至正向，右側上層為16～20號，中層為21～25號，下層為26～30號，出口其結構同樣為圓管，直徑76 mm，長度180 mm。單側出口管的中層與入口方向垂直，上、中層之間和中、下層之間的夾角都為20°，每層5個出口管之間夾角為22.5°。對球體聯箱結構進行網格劃分，在球體和出口區域進行加密，采用非結構化四面體網格進行劃分，便于研究球體內的流向偏轉，不斷加大網格數以提高精度，當網格數目增加至475021時，出口平均速度計算結果不發生變化，考慮計算時間，選擇網格數目為475021。

圖1 新型球體聯箱結構

2 計算方法和設計思路

由于設備在運行中，不斷變化的負荷影響入口速度，在不考慮蒸汽溫度變化的情況下，采用LES大渦模擬，對水蒸汽在球體聯箱內的可壓縮流動進行研究，邊界條件設置，入口為速度入口，出口為壓力出口，二階精度，simple算法。計算時長為水蒸氣進入球體聯箱31 s時刻。

表1 入口參數設計

在為將聯箱內的工質均勻的分配給各個位置的出口，在設計聯箱時，需將工質的流動路徑區別縮減至一定范圍，區別于傳統的柱體聯箱，考慮各出口的布置和管材耗費情況，對聯箱結構內，入口至各出口的流程設計不足。新型聯箱的設計，如工質從兩側流出，則結構對稱時，流動差異將明顯減少，而球體空間內流場，如果出口流向角度與入口夾角相同時，周向上的流動路徑不存在差異。此時考慮出口結構的布置便宜程度，在球體的兩側設置出口。

3 模擬結果分析

新型球體聯箱內的流動，可以被分為兩個部分：(1)入口射流進入球體內，未接觸底部壁面；(2)入流與底部壁面接觸，向周向散開，形成數個渦流。從結構上，入口管道與各出口之間的流動路徑不存在明顯的差異，僅因為便于布置多個出口管，在不同層出口角度存在較小的不同。但出口管道都指向球體聯箱的中心位置。聯箱內流體沿壁面流動，水蒸氣進入出口時，在每個出口管道與壁面都是垂直角度，流場結構阻力基本相同。

從流線分布圖2上可以分辨，入口射流的周圍是大量的渦流和向上流動的水蒸氣，并在上部形成較大的渦流，再向下流動，形成一個循環，在結構上由于入口和出口之間不在一條直線上，不存在個別出口速度較高的情況，水蒸氣從入口至出口經過至少一次折流過程。

圖2 球體聯箱內的流線(80 m/s)

在不同速度下，球體聯箱內的左、右側方向中間截面速度分布如圖3，隨著入口速度的增長，球體聯箱內的流動復雜程度明顯增加，渦流數量和尺度同樣有所增加，在第一部分流動中，入口射流在流向底部時，發生散開的現象并非是直接沖擊底部向四周散開，而是在接近底部的位置即發生散開現象，隨著入口速度的增長，在LES計算結果下，流動并非完全對稱，且從中間截面圖上，入口射流兩側的差異隨著速度增加，兩側速度分布差異逐漸增加，該現象主要由兩側渦流位置不對稱引起。在第二部分流動中在散開發生后，水蒸氣沿壁面向上運動，首先進入左右側的下層出口，再是中層出口，最后為上層出口，從出口區域的速度分布上，中間截面內并未出現明顯的速度較高或者速度較低現象，在流過出口管道布置的區域后，水蒸氣接著向上流動，并匯聚在入口射流周圍向下流動。

圖3 左右側反向中間截面速度分布

從圖4不同工況下的出口速度分布，對出口各個出口管道的速度進行分析，可以明顯看出在入口速度增長時，出口的各出口速度分布曲線波動增加。整體上工況1、2和3在2、4、9、17、21和26號位置都發生速度下降的波動，3、7、22、和27號出口管道速度出現上升波動。從位置上，出現速波動下降的出口管道，其位置相對位于同層邊緣。而出現速度上升的出口管道，在位置上處于同層的中間位置，由于入口管道截面為對稱的圓形，排除入口結構影響，發生該現象的主要原因主要是在相同水平高度上，一部分從正面或者反面壁面附近向未布置出口管區域的水蒸氣，進入同層的出口管道，存在速度矢量角度的差異問題，向左右兩側布置出口管道的區域流動時，該區域的水蒸氣速度矢量同每層的邊緣區域的出口管角度較大，而與每層中間部分的出口管角度較小，其進入中間部分管道較為順暢。但整體上各工況下，速度分布整體仍較為集中。而工況2和3的整體波動趨勢相似度較高，工況3曲線波動程度明顯上升。

圖4 不同工況下的出口速度

為更清楚對新型球體聯想的流量分配性能進行研究，提出一種考慮個別管流量過低或過高成都的公式，為聯箱分配性能，其具體為：

(1)

以一個直徑為聯箱200 mm，出口和入口管徑與球體聯箱相同，出口管數目相同的柱體的聯箱進行對比。總體上新型出口聯想的分配性較好，各出口管之間速度差異小，各工況下都大于柱體聯箱。隨著入口速度上升，分配性基本不變。

表2 聯箱分配性

與此同時，在機組負荷變化時，流量時刻處于變化狀態下，處于穩定流量的情況較少，對負荷波動時的聯箱分配情況進行研究，選取6和16號出口，對入口速度上升60～80 m/s和入口速度下降100～80 m/s過程中，速度波動進行模擬，當出口速度波動小于1%時停止計算。入口速度上升和下降時出口速度變化如圖5和圖6。入口速度上升時波動時間較長，為0.08 s，為下降的4倍，同時，下降時速度變化比較平緩，而上升出現波動，同時，6號和16號出口速度在大部分時候存在差異，6號高于16號約5 m/s，但在入口速度上升時差異縮小，計算結束時兩者基本持平，同時入口速度下降時兩者差異性增大，差值增加至10 m/s。該現象說明了，在機組運行中，聯箱設備隨負荷波動，其分配性能時刻處于變化狀態，隨著負荷下降，聯箱入口速度下降個別管道的出口速度差異將擴大，導致換熱性能發生較大的改變，威脅設備運行安全。而負荷上升時此類危險因素較小。

圖5 速度下降時出口6和16速度變化

圖6 負荷上升時出口6和16速度變化

4 結束語

(1)新型球體聯箱為內結構對稱性高，水蒸氣從入口流入之后向四周擴散并流入出口，流程差異小。相同層的出口管道，靠近邊緣速度較低，靠近中心位置出口速度較高。

(2)新型球體聯箱的不同入口速度適應性好，各工況分配性下都大于柱體聯箱，最大提高1.46倍。

(3)入口速度上升時聯箱出口速度反應長，為入口速度下降的4倍。負荷波動時管道出口速度差異處于波動狀態，并非固定。

(4)入口速度下降時，易引起個別管道流量分配差異增大，影響換熱，威脅運行安全。