熱力管網(wǎng)管損原因數(shù)值模擬分析

李曉紅，杜一慶，李朝輝，龔 箭

（1.湖北能源綜合能源投資有限公司，湖北武漢 430073；2.華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

引言

目前，國(guó)內(nèi)外輸蒸汽供熱管網(wǎng)管損方面的研究與發(fā)展包括：保溫研究、管網(wǎng)熱量損失計(jì)算分析、管網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等。現(xiàn)有的研究指出［1］，熱網(wǎng)損失不僅包含管道保溫散熱損失，還包括管內(nèi)蒸汽流動(dòng)阻力損失和管件散熱，這些仍是不夠全面的，需要對(duì)熱網(wǎng)熱損進(jìn)行更加系統(tǒng)的評(píng)估。王娟［2］研究了蒸汽過(guò)熱度與供熱管道質(zhì)量損失的關(guān)系，其研究結(jié)論如下：蒸汽過(guò)熱度是影響供熱管網(wǎng)質(zhì)量損失的主要原因；過(guò)熱度降低，蒸汽凝結(jié)，管內(nèi)質(zhì)量損失增加；蒸汽攜帶凝結(jié)水，造成質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量偏小，管損進(jìn)一步加大。趙建法［3］利用焓降法測(cè)量蒸汽熱網(wǎng)散熱損失特性，充分考慮蒸汽過(guò)熱度和運(yùn)行工況的影響，試圖考慮實(shí)際供熱蒸汽存在一定的濕度來(lái)完善熱網(wǎng)能量平衡模型中實(shí)際管損的質(zhì)量損失計(jì)量與散熱損失平衡的關(guān)系，指出：由于實(shí)際的供熱蒸汽存在一定的含水率，熱網(wǎng)管損與散熱損失之間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，存在的復(fù)雜關(guān)聯(lián)機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究；當(dāng)管內(nèi)蒸汽為濕蒸汽狀態(tài)時(shí)，焓降法的計(jì)算結(jié)果受到測(cè)量溫度波動(dòng)的影響，甚至?xí)霈F(xiàn)負(fù)值。相關(guān)文獻(xiàn)研究說(shuō)明了，長(zhǎng)距離蒸汽管道容易出現(xiàn)蒸汽飽和冷凝，需要加以重點(diǎn)關(guān)注。另外，焓降法的計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明所測(cè)試的溫度出現(xiàn)升溫，簡(jiǎn)單歸因到溫度波動(dòng)并不是科學(xué)的解釋。

湖北某熱力有限公司開(kāi)發(fā)區(qū)熱力管網(wǎng)由原“高參數(shù)”改“低參數(shù)”運(yùn)行后管損過(guò)大，已無(wú)法滿足用戶供熱要求，熱用戶有投訴。為了滿足安全和經(jīng)濟(jì)供汽的要求，需要對(duì)現(xiàn)有管網(wǎng)管損過(guò)大的原因進(jìn)行模擬計(jì)算分析。

1 CFD模擬對(duì)象與方法

1.1 模擬對(duì)象

開(kāi)發(fā)區(qū)某熱力管網(wǎng)為熱電有限公司從西向東的蒸汽管道，三個(gè)終端熱用戶依次為行政中心、核心商業(yè)區(qū)和產(chǎn)業(yè)區(qū)，見(jiàn)圖1。蒸汽管線原設(shè)計(jì)操作參數(shù)為：壓力 1.3 MPa（G，表壓，下同），溫度300 ℃（高參數(shù)）。熱電有限公司總裝機(jī)容量為35 萬(wàn)kW（2×9E 型）的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，投產(chǎn)運(yùn)行后，由于考慮近端用戶的用戶安全，實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，實(shí)際參數(shù)為：0.71 MPa（G），171 ℃（低參數(shù)）。近些年單獨(dú)使用熱電有限公司燃?xì)鈾C(jī)組供汽“低參數(shù)”方式導(dǎo)致管損過(guò)大，已無(wú)法滿足行政中心點(diǎn)用戶（對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)B）供熱要求。

圖1 供熱管網(wǎng)終端流量分配及走向示意圖

供熱管網(wǎng)幾何參數(shù)和原設(shè)計(jì)操作參數(shù)條件下管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的蒸汽壓力、溫度計(jì)算值，見(jiàn)表1。

由于受到計(jì)算機(jī)資源限制，目前還少有針對(duì)長(zhǎng)距離蒸汽管道進(jìn)行3D模擬計(jì)算的文獻(xiàn)供借鑒，因此提出以下面向長(zhǎng)距離蒸汽管道變工況運(yùn)行的CFD計(jì)算機(jī)模擬。

對(duì)現(xiàn)有熱力管網(wǎng)采用分段模擬方法，相同管徑的蒸汽管分成150 m 一段構(gòu)建幾何模型。維持質(zhì)量流率不變，相鄰段的上游段出口參數(shù)計(jì)算值作為下游段入口的邊界條件。采用商用ANSYS FLUENT模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用CFD 對(duì)原設(shè)計(jì)值進(jìn)行了校核，主要校核了表1 中B 節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。為了提高模擬精度和計(jì)算機(jī)資源，采用分段模擬的方式，將A、B 之間約6 000 m 的管道分成40 節(jié)，每節(jié)150 m。從上游往下，各節(jié)依次編號(hào)為A1、A2、A3、……、A40。模擬計(jì)算的A1 出口參數(shù)作為A2 的入口邊界條件，以此類(lèi)推，最終算出A40的出口參數(shù)（即B點(diǎn)參數(shù)）。

幾何模型及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖2。使用四邊形網(wǎng)格，共111 723節(jié)點(diǎn)，106 500單元，324 213面。采用Scalable Wall Function 處理壁面，壁面網(wǎng)格適度加密。

圖2 網(wǎng)格示意圖

1.3 邊界條件

出口邊界條件：表壓，抑制回流；入口邊界條件：質(zhì)量流入口，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑為0.61 m。初始化表壓，入口總溫度，液體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位體積液滴（按上段出口平均值）。

壁面邊界條件：無(wú)滑移靜止壁面，標(biāo)準(zhǔn)粗糙度，粗糙高度0.2 mm，粗糙度常數(shù)0.5。由于各段進(jìn)出口溫差不大，壁面按入口溫度給定熱通量q（W/m2）是合適的。熱通量依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱管道保溫結(jié)構(gòu)散熱損失測(cè)試與保溫效果評(píng)定方法》（GB/T 28638-2023）的測(cè)試結(jié)果，換算成管道內(nèi)壁熱流q后擬合成溫度的公式q=0.800 5t-25.338，根據(jù)入口溫度值t（℃）計(jì)算給出。

1.4 模型選擇

湍流模型等基本設(shè)置為3d，double precision，pressure-based，dynamic mesh，realizable k-epsilon。本次模擬計(jì)算是模擬蒸汽冷凝過(guò)程，關(guān)鍵點(diǎn)是多相流模型的選擇。

FLUENT 提供了四種多相流模型：VOF（Volume of Fluid）模型、Mixture（混合）模型、Eulerian（歐拉）模型和Wet Steam（濕蒸汽）模型。VOF模型、混合物模型和歐拉模型這三種模型都屬于用歐拉觀點(diǎn)處理多相流的計(jì)算方法，其中VOF 模型適合于求解分層流和需要追蹤自由表面的問(wèn)題，比如水面的波動(dòng)、容器內(nèi)液體的填充等；混合物模型和歐拉模型則適合計(jì)算體積濃度大于10%的流動(dòng)問(wèn)題。

早期FLUENT 濕蒸汽模型在求解類(lèi)型是Density-Based 時(shí)，才能被激活。入口與出口的邊界條件用壓力入口、流量入口和壓力出口。在蒸汽的快速膨脹過(guò)程中，經(jīng)過(guò)飽和狀態(tài)后不久將發(fā)生冷凝過(guò)程，路徑越過(guò)氣相飽和線。膨脹過(guò)程使過(guò)熱的干蒸汽首先過(guò)冷，然后成核，形成飽和蒸汽和細(xì)液滴的兩相混合物，稱為濕蒸汽。濕蒸汽模型在蒸汽管道的分析和設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。Ansys Fluent采用歐拉-歐拉方法對(duì)濕蒸汽流動(dòng)進(jìn)行建模。流動(dòng)混合物模型使用可壓縮的Navier-Stokes 方程，以及兩個(gè)液相質(zhì)量分?jǐn)?shù)和每單位體積液滴數(shù)的輸運(yùn)方程。

相變模型以經(jīng)典的非等溫成核理論為基礎(chǔ)，涉及液滴在均勻非平衡凝結(jié)過(guò)程中的形成。在蒸汽膨脹時(shí)，隨著壓力減低就可能出現(xiàn)冷凝。按照成核機(jī)制，蒸汽膨脹引起液滴的形成。液滴形成的相變模型是基于該成核理論。

歐拉-歐拉方法里兩相分開(kāi)處理，這意味各相有自己所占的時(shí)間和空間，因而各相用各自的守恒方程。換句話說(shuō)，純蒸汽獨(dú)立于液滴分開(kāi)求解，但蒸汽冷凝形成液滴采用經(jīng)典的成核理論。

多相階段的蒸汽冷凝機(jī)制比較復(fù)雜，開(kāi)始時(shí)在流場(chǎng)中出現(xiàn)非常小的液滴。成核分為同性或異性兩類(lèi)，這里同性成核意味流場(chǎng)中沒(méi)有外界可溶鹽或者其他懸浮顆粒物。

在管道中隨著蒸汽流動(dòng)壓力和溫度下降開(kāi)始發(fā)生冷凝，出現(xiàn)非常小的液滴。當(dāng)小液滴形成時(shí)，出現(xiàn)兩種類(lèi)型。一種是經(jīng)典成核理論，成核后液滴尺寸不斷增大，形成較大的液滴群；另一種是液滴生長(zhǎng)理論，這些液滴會(huì)重新蒸發(fā)，主要看液滴的分壓和溫度，無(wú)論液滴溫度高于分壓下的沸點(diǎn)與否。

基于以上分析及大量的前期試算經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)下蒸汽的模擬采用Wet Steam（濕蒸汽）模型。

2 CFD模擬分析

2.1 “高參數(shù)”模擬校核

圖3 給出蒸汽管內(nèi)的速度矢量，符合管道流動(dòng)的流場(chǎng)分布規(guī)律。

圖3 管內(nèi)速度矢量示意圖

A1～A40 段的模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)分別取各段進(jìn)出口截面的平均值。首先按“高參數(shù)”對(duì)AB 管段進(jìn)行了校核，模擬中未出現(xiàn)蒸汽冷凝現(xiàn)象，計(jì)算A40出口參數(shù)（B點(diǎn)參數(shù)）為1.08 MPa（G），260 ℃，原設(shè)計(jì)B點(diǎn)計(jì)算值為1.04 MPa（G），264 ℃，說(shuō)明原設(shè)計(jì)的參數(shù)計(jì)算是可靠的。

2.2 “低參數(shù)”模擬分析

按A 點(diǎn)“低參數(shù)”最大負(fù)荷（120 t/h，0.71 MPa，171 ℃）對(duì)AB 段進(jìn)行了模擬計(jì)算。CFD 模擬結(jié)果顯示，A1～A21 段并未出現(xiàn)蒸汽冷凝，段號(hào)A22 開(kāi)始蒸汽出現(xiàn)凝結(jié)，參見(jiàn)圖4 中濕度（出口截面平均值）變化，其中x=0 m 對(duì)應(yīng)A21 出口，顯示A、B 之間干管在A 點(diǎn)下游3 150 m 就開(kāi)始出現(xiàn)蒸汽凝結(jié)，說(shuō)明“低參數(shù)”干管在最大負(fù)荷時(shí)也出現(xiàn)蒸汽冷凝，造成疏水損失。圖5 給出A21～A40 段出口濕度變化趨勢(shì)，同樣圖中橫坐標(biāo)x=0 m 與A21 出口對(duì)應(yīng)，從左到右各點(diǎn)依次對(duì)應(yīng)A21～A40 出口值，以下同。圖4 是圖5中頭3點(diǎn)（A21，A22，A23）的局部放大。

圖4 A21～A23段濕度變化趨勢(shì)

圖5 蒸汽管道A21～A40段濕度變化趨勢(shì)

圖6 給出A40 段出口處濕度（圖例：Liquid mass fraction，液態(tài)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分布，靠近壁面處由于壁面散熱損失出現(xiàn)冷凝，使局部濕度增大。

圖6 A40出口段處濕度分布

改用燃?xì)鈾C(jī)組“低參數(shù)”供汽后，A1～A40 段模擬計(jì)算的阻力明顯增加，模擬的阻力比原設(shè)計(jì)的“高參數(shù)”阻力增加了25%左右，主要原因是“高參數(shù)”改“低參數(shù)”后蒸汽比體積增加，同樣負(fù)荷下流速增加引起阻力升高。圖7給出A21～A40段蒸汽冷凝后出口平均壓力變化趨勢(shì)。

圖7 蒸汽管道A21～A40段出口平均壓力P變化趨勢(shì)

圖8給出A21～A40段蒸汽冷凝后出口平均溫度變化趨勢(shì)，顯示隨著冷凝過(guò)程發(fā)展，剛開(kāi)始在A21～A29 段溫度下降，在A30～A39 段出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，溫升恢復(fù)到溫降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于A40 段。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸汽管道冷凝是典型的非平衡冷凝。水滴成核過(guò)程中釋放的凝結(jié)潛熱對(duì)流動(dòng)蒸汽起到加熱作用，使得蒸汽冷凝后的流動(dòng)出現(xiàn)“回溫”現(xiàn)象。這種蒸汽管道非平衡冷凝“回溫”現(xiàn)象能解釋文獻(xiàn)［3］的測(cè)試結(jié)果，這從實(shí)際測(cè)量上側(cè)面驗(yàn)證了蒸汽管道冷凝是典型的非平衡冷凝。

圖8 蒸汽管道非平衡冷凝“回溫”現(xiàn)象

圖9 給出A40 出口段溫度分布，可以看出蒸汽在壁面邊界附近溫度較高，這是由于邊界層效應(yīng)和非平衡冷凝，邊界層發(fā)生冷凝后（見(jiàn)圖6）的凝結(jié)潛熱對(duì)流動(dòng)蒸汽加熱作用占主導(dǎo)地位。徑向焓值（見(jiàn)圖10）與徑向溫度分布（見(jiàn)圖9）并不一致，焓值分布遵從蒸汽冷凝和散熱規(guī)律，而溫度分布則出現(xiàn)異常，這需要非平衡冷凝理論解釋這一現(xiàn)象。通常情況下，壁面散熱，邊界層蒸汽出現(xiàn)冷凝，濕度增高，焓值低，溫度低，熱量從管中心向四周管壁傳熱。但凝結(jié)潛熱加熱作用占主導(dǎo)地位時(shí)會(huì)出現(xiàn)邊界層升溫現(xiàn)象。升溫現(xiàn)象并不違反散熱過(guò)程能量方程，此時(shí)熱量從冷凝邊界層向管中心和管壁傳熱。蒸汽焓值不單與溫度相關(guān)，還與濕度等參數(shù)相關(guān)，邊界層溫度雖然比中心溫度略高，但邊界層濕度大，此時(shí)焓值主要受濕度影響，相對(duì)較低。

圖9 A40出口段溫度云圖

圖10 A40出口段焓值云圖

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有開(kāi)發(fā)區(qū)管網(wǎng)調(diào)研、資料收集，利用CFD 對(duì)管損進(jìn)行綜合分析，找出管損過(guò)大的主要原因，并提出改進(jìn)方案。主要研究結(jié)論如下：

（1）采用分段方法構(gòu)建蒸汽流動(dòng)的幾何模型，同時(shí)參考蒸汽溫度給出各段熱流密度邊界條件，節(jié)約計(jì)算資源的同時(shí)提高了計(jì)算精度。

（2）原蒸汽管道按“高參數(shù)”設(shè)計(jì)。通過(guò)CFD 數(shù)值模擬驗(yàn)證了原設(shè)計(jì)給出重要節(jié)點(diǎn)的溫度和壓力推算值是合理的，原有蒸汽管道的原始設(shè)計(jì)按“高參數(shù)”運(yùn)行時(shí)并不存在蒸汽冷凝現(xiàn)象。模擬值與原設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)吻合，同時(shí)也說(shuō)明研究所采用CFD 數(shù)值模擬方法是可信的。

（3）CFD 數(shù)值模擬顯示，“低參數(shù)”運(yùn)行后阻力增加25%，這是管損過(guò)大的原因之一。

（4）“低參數(shù)”運(yùn)行CFD 數(shù)值模擬還顯示，在干管3 km 后就發(fā)生蒸汽冷凝。模擬首次發(fā)現(xiàn)了蒸汽管道非平衡冷凝“回溫”現(xiàn)象。這個(gè)研究結(jié)果也與有關(guān)文獻(xiàn)公布的實(shí)際測(cè)試吻合。

（5）CFD 數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒸汽干管過(guò)早出現(xiàn)冷凝，增加了疏水損失，這是現(xiàn)有行政中心管線蒸汽耗量不低而用戶點(diǎn)蒸汽參數(shù)偏低的第二個(gè)根本原因。

根據(jù)研究結(jié)論，建議管網(wǎng)改造采用“高參數(shù)”供汽方案，管網(wǎng)改造后能解決開(kāi)發(fā)區(qū)蒸汽管網(wǎng)管損過(guò)大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)供汽，解決熱用戶投訴問(wèn)題，避免經(jīng)濟(jì)糾紛造成損失，而且為熱電有限公司進(jìn)一步拓展低碳校園、低碳園區(qū)等以蒸汽供熱為主線的冷熱電三聯(lián)供、綜合能源系統(tǒng)項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。