張立棟，楊 梓，李偉偉，武 超，于婷俐，邵天成（.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林 0；.華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽巢湖 80；.國電雙鴨山發(fā)電有限公司，黑龍江雙鴨山 6；.國電哈爾濱平南熱電廠，黑龍江哈爾濱 0066；.煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東煙臺 6006）

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低溫省煤器入口聯(lián)箱工質(zhì)流動分析

張立棟1，楊 梓1，李偉偉2，武 超3，于婷俐4，邵天成5
（1.東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林吉林 132012；2.華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽巢湖 238015；3.國電雙鴨山發(fā)電有限公司，黑龍江雙鴨山 155136；4.國電哈爾濱平南熱電廠，黑龍江哈爾濱 150066；5.煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司，山東煙臺 264006）

摘 要：不同結(jié)構(gòu)來流管對聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)流動影響較大，對運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備安全意義重大。利用Fluent軟件對直管來流與彎管來流的流動對聯(lián)箱內(nèi)部流動的影響進(jìn)行研究，在不同入口工況0.60，0.66，0.72，0.78 m/s下，采用k－ε RNG湍流模型，對比聯(lián)箱中心截面速度分布，根據(jù)各支管平均出口速度Vi、支管壓降Δpi分布和軸線X方向分速度Vx大小進(jìn)行分析。結(jié)果表明，彎管來流的流動較為單一，主流沖擊聯(lián)箱壁面情況較少，在不同的工況下，彎管來流的支管速度不均勻性僅為直管的44%左右，采用彎管來流能夠明顯提高聯(lián)箱流量分配的效果。

關(guān)鍵詞：聯(lián)箱；流動；不均勻性；壓降；數(shù)值模擬

0　引言

聯(lián)箱是工業(yè)過程中的常用設(shè)備，也是壓力容器的一種，主要用于匯聚和分配工質(zhì)，其內(nèi)部流動狀態(tài)決定匯聚的效果和分配的均勻程度。它在火電站鍋爐的過熱器、尾部省煤器、脫硫后低溫省煤器等都有應(yīng)用［1］，而實(shí)際使用中由于聯(lián)箱實(shí)際運(yùn)行效果難以達(dá)到理想狀態(tài)，導(dǎo)致諸多問題，如換熱效率下降、聯(lián)箱應(yīng)力不均、焊縫裂紋等［2］。目前關(guān)于聯(lián)箱在電站應(yīng)用的研究較多，如朱玉琴等［3］在對超臨界壓力水冷壁聯(lián)箱的流量分配研究中，提出了水冷壁聯(lián)箱流量分配不均直接影響電站鍋爐運(yùn)行安全的觀點(diǎn)；郭文仙等［4］在研究聯(lián)箱內(nèi)氣液兩相流動時發(fā)現(xiàn)，在一定的工況下多孔板能夠提高出口氣相分配均勻性；龐力平等［5］關(guān)于聯(lián)箱并聯(lián)引入方式下支管流量分配問題提出一種流量分配方法，同時在對于汽包鍋爐過熱器頂棚爆管的機(jī)構(gòu)優(yōu)化研究中發(fā)現(xiàn)，過熱器聯(lián)箱流量分配不均直接導(dǎo)致過熱器管道頻繁爆管［6］。關(guān)于聯(lián)箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)研究中，采用改動支管位置的較多，但由于來流管道引起的內(nèi)部流動特性更加明顯，對來流管進(jìn)行研究的較少。Gandhi等［7］研究蒸汽聯(lián)箱中蒸汽流動與其壓力分布的關(guān)系，得出出口管徑、數(shù)量及出口管的位置等，對聯(lián)箱內(nèi)的流量及壓力分布產(chǎn)生重要影響的結(jié)論。核電站中高溫氣冷堆應(yīng)用聯(lián)箱作為分配熱氣及進(jìn)行高低溫氣體的混合的重要部件，以達(dá)高效的熱量傳遞［8］，曲新鶴等［9］對并聯(lián)管組換熱器分配聯(lián)箱和匯流聯(lián)箱進(jìn)行分析，得出截面比對流量分配均勻程度影響明顯的結(jié)論。

低溫省煤器的聯(lián)箱結(jié)構(gòu)決定省煤器管內(nèi)的流量分配，省煤器內(nèi)不同位置的管內(nèi)流量差異較大。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，煙氣經(jīng)低溫省煤器后，其溫度分布不均性的情況較為突出，靠近中心位置的煙氣溫度較高，而靠近煙道壁面位置的煙氣溫度較低；但聯(lián)箱流量分配與溫度分布并不對應(yīng)，存在低溫省煤器局部區(qū)域煙氣溫度較高、但支管內(nèi)流量較低的現(xiàn)象，此類問題導(dǎo)致在經(jīng)過煙氣換熱之后各支管的出口工質(zhì)溫度存在較大的差異，嚴(yán)重制約換熱器的整體換熱效果，造成出口煙氣溫度較高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差。同時長期運(yùn)行時，部分流速較低位置的支管易發(fā)生嚴(yán)重的氧腐蝕，影響安全運(yùn)行。

本文對電站低溫省煤器入口聯(lián)箱彎管與直管兩種入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，對比分析聯(lián)箱內(nèi)不同位置的速度分布，并定量計(jì)算速度不均勻性，進(jìn)而分析聯(lián)箱入口結(jié)構(gòu)形式對聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)流動的影響。

1　物理模型與數(shù)值方案

研究對象為與某300 MW四角切圓鍋爐配套使用的低溫省煤器入口聯(lián)箱，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。箱體管徑219 mm，兩排支管管束對稱布置，管徑38 mm，間距90 mm，單側(cè)22根，垂直間距95.5 mm；直管管徑與聯(lián)箱管徑相同，垂直布置，高度2172 mm。直管段長度165 mm；彎管角度90°，彎曲半徑100 mm。

圖1　聯(lián)箱結(jié)構(gòu)示意

聯(lián)箱網(wǎng)格如圖2所示。聯(lián)箱內(nèi)的流動十分復(fù)雜，對網(wǎng)格要求較高，將整個結(jié)構(gòu)分為3個部分，分別對入口管與出口支管的部分進(jìn)行局部加密，合理減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度［10－11］，并采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)變化。

圖2　網(wǎng)格示意

采用加權(quán)平均數(shù)的形式對出口支管的速度分布離散程度進(jìn)行量化，得出速度不均勻性，并用其進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。速度不均勻性公式為：式中 λ——速度不均勻性

i——支管數(shù)

vi——i支管的速度，m/s

vp——測點(diǎn)平均速度，m/s

圖3中，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到6.7×105之后，速度不均勻性基本處于穩(wěn)定，考慮計(jì)算效率，選取網(wǎng)格數(shù)為6.7×105。低溫省煤器運(yùn)行時根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，設(shè)置不同入口速度進(jìn)行分析，工況見表1。

圖3　不同網(wǎng)格數(shù)下的不均勻性變化

表1　模擬方案

入口采用速度入口，出口采用壓力出口，工質(zhì)溫度恒定為369.68 K，計(jì)算采用SIMPLE算法，二階精度，湍流模型選取精度較高的k－ε RNG型。

2　結(jié)果分析

2.1 彎管來流與直管來流速度對比

來流方向?qū)β?lián)箱內(nèi)部流動影響較大，直管來流的聯(lián)箱，y＝0截面速度分布如圖4所示。在入口處來流直接沖擊該位置對應(yīng)聯(lián)箱內(nèi)壁，再向聯(lián)箱中段流動，聯(lián)箱的兩端存在明顯的渦流，在工質(zhì)向中部流動的過程中，聯(lián)箱上部壁面區(qū)域出現(xiàn)較大渦流，在向中部區(qū)域流動過程中，流動逐漸轉(zhuǎn)向，從與支管方向一致逐漸轉(zhuǎn)向、直至在中部與支管方向垂直。在速度分布上，由于渦流的存在，聯(lián)箱兩端和聯(lián)箱上部壁面區(qū)域的流速明顯較低，工質(zhì)流入聯(lián)箱之后沖擊壁面同時沿兩側(cè)管壁向上流動，但由于兩側(cè)支管是中間軸線對稱布置，軸線位置沒有支管，導(dǎo)致來流對應(yīng)的聯(lián)箱下側(cè)管壁出現(xiàn)低速區(qū)。工質(zhì)受聯(lián)箱結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)入聯(lián)箱后開始轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向過程中出現(xiàn)明顯的速度分界面，分界面上下的流向相反，底部由入口流向，中間區(qū)域，分界面上部，流動方向與下部相反。由于慣性作用，靠近分界面附近的主流速度較高。速度衰減較快，速度分界面在17，28支管與27，28支管附近結(jié)束。

圖4　直管y＝0截面處速度分布

彎管來流的聯(lián)箱內(nèi)工質(zhì)流動明顯區(qū)別于直管，其y＝0截面的速度分布如圖5所示。工質(zhì)流過彎管之后，由于在彎管內(nèi)的轉(zhuǎn)向好于直管，產(chǎn)生的渦流較少，兩端無渦流產(chǎn)生，流動沖擊壁面時，由于傾斜沖擊，產(chǎn)生的渦流也較少，聯(lián)箱管壁上部區(qū)域的低速區(qū)面積減少，速度從入口沿聯(lián)箱下壁面向中間區(qū)域逐漸衰減，由于轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的流速較高區(qū)域位置明顯區(qū)別于直管，發(fā)生在聯(lián)箱下壁面。在流動轉(zhuǎn)向過程中沒有平滑的速度分界面，速度向上傳遞較多。中間區(qū)域速度衰減低于直管，速度分界面在支管19，20與支管25，26附近結(jié)束。

圖5　彎管y＝0截面處速度分布

入口速度為0.66 m/s時，支管的平均速度分布如圖6所示（圖中，Z為支管來流，W為彎管）。直管來流的支管出口速度分布較為分散，沿軸線分布呈現(xiàn)W狀，支管10，11和29，30附近雖然該位置的速度在整個聯(lián)箱內(nèi)較高，但由于流向基本沿軸向，而x方向上的速度較低，導(dǎo)致進(jìn)入該位置支管的工質(zhì)速度最低。彎管來流的聯(lián)箱出口支管的平均速度沿軸向分布較為均勻，中間部分速度較高。

圖6　支管速度軸向分布

2.2 彎管來流與直管來流對支管壓差影響

由于聯(lián)箱支管并非均勻布置，相同的入口壓力下，經(jīng)過不同的衰減，導(dǎo)致在中間位置兩側(cè)，各支管的壓力關(guān)于中間線不對稱，忽略對側(cè)的流動對一側(cè)支管壓力的影響，各支管與對應(yīng)側(cè)入口的壓差可以表示為：當(dāng)i為1～22時：當(dāng)i為23～44時，則：式中 i——支管數(shù)

Δpi——各側(cè)來流管截面與支管的出口截

面平均壓力的差值，Pa

pl，pr——左側(cè)及右側(cè)來流管的入口平均壓

力，Pa

支管壓差反映了各位置支管的流動阻力和射流的壓力，以及在兩側(cè)由于布置不均引起的流動差異大小。以入口速度0.66 m/s為例，研究各支管的壓差分布如圖7所示（圖中，Z為直管，W為彎管）。直管來流的壓力較為分散，且在靠近兩端的位置明顯較低，整個支管壓差分布區(qū)間較大，在450～900 Pa范圍之間；聯(lián)箱內(nèi)的流動，支管出口壓力分布均勻度較低，聯(lián)箱內(nèi)的流動較為不均；而彎管來流的壓差有所波動，但較為集中，各支管的壓差分布在700～800 Pa之間。

圖7　支管壓差分布

2.3 支管流量差異分析

分析在流量分配過程中各支管的差異，其原因?yàn)閮?nèi)部的流動狀態(tài)不同，具有分配性質(zhì)的流動設(shè)備中，內(nèi)部工質(zhì)的流動方向?qū)Ψ峙涞男Ч绊戄^大，但在聯(lián)箱內(nèi)流動較為復(fù)雜，渦流較多，在多數(shù)情況下工質(zhì)并非直接流入支管，而是經(jīng)過多次轉(zhuǎn)向，最終流向與支管方向一致，流入支管內(nèi)部。

圖8，9示出聯(lián)箱Z方向軸線位置X方向分速度Vx變化趨勢。

圖8　不同工況下直管來流軸線X方向分速度Vx變化趨勢

圖8示出在不同工況下直管來流軸線X方向分速度Vx變化趨勢，可以看出波動較大。由于直管來流位置并非從端部，在兩端位置的流動主要為渦流，向上卷席，導(dǎo)致Vx較大，在0.2～0.5 m以及1.7～2.0 m處Vx明顯較低，該位置的主要流動為工質(zhì)進(jìn)入聯(lián)箱，但出現(xiàn)上凸的趨勢，主要是因?yàn)榱鲃拥臎_擊內(nèi)壁反彈導(dǎo)致工質(zhì)向上流動，在其他位置Vx大小基本處于0 m/s左右，且隨不同的入口工況、出現(xiàn)不同分布，主要原因?yàn)椋涸诓煌r下，充滿度不同，導(dǎo)致在聯(lián)箱內(nèi)部的主流形狀有所改變，主流進(jìn)入聯(lián)箱后，沖擊壁面折返，位置發(fā)生改變，導(dǎo)致后續(xù)流動變化，以及不同的充滿度導(dǎo)致在聯(lián)箱內(nèi)的壓力梯度發(fā)生改變。

圖9示出在不同工況下彎管來流軸線X方向分速度Vx變化趨勢。彎管來流的兩端Vx，在兩端彎管作用，使工質(zhì)流向斜向中部，在軸線的多數(shù)位置Vx大小在－0.1～0 m/s波動，不同工況下的中間1.0 m位置附近發(fā)生的波動較大，其主要原因是彎管減少了內(nèi)部的渦流，流動朝向較為集中，朝向中間位置，不同速度的動量大小不同，主流在中間位置發(fā)生的碰撞混合程度差別較大，總體分布較為集中。

圖10為不同截面處聯(lián)箱速度分布云圖。可以看出，在靠近支管壁面位置直管來流的聯(lián)箱速度分布較為明顯，在主流衰減之后，多數(shù)位置的速度高于0.60 m/s的區(qū)域靠近壁面，且由于慣性，均集中在聯(lián)箱下部，在彎管來流的聯(lián)箱內(nèi)，無明顯的流動貼壁現(xiàn)象。而靠近壁面區(qū)域的流動較高、引起流動阻力較大，且速度衰減加快，進(jìn)出口壓力差增大。

圖9　不同工況下彎管來流軸線X方向分速度Vx變化趨勢

圖10　聯(lián)箱內(nèi)部不同垂直截面速度分布

在不同入口工況下，支管出口速度不均勻性如圖11所示。直管與彎管來流的支管速度均勻性存在明顯差異，直管來流的速度不均勻程度明顯大于彎管，且隨入口工況的不同，波動程度較大，彎管來流的聯(lián)箱支管速度分布較為均勻，在各工況的出口，各支管速度不均勻性平均值僅為0.048，約為直管來流的44.6%。其流動較為均勻，在實(shí)際使用中能夠明顯減少不同支管之間的換熱不均，減少管道氧化程度，提高設(shè)備的安全和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

圖11　不同來流方式支管速度不均勻性變化

3　結(jié)論

對不同來流方式的聯(lián)箱內(nèi)部流動進(jìn)行研究，通過對比聯(lián)箱內(nèi)不同位置的速度分布以及出口壓差等，得出如下結(jié)論：

（1）直管來流的聯(lián)箱支管內(nèi)的流動較為紊亂，工質(zhì)存在明顯的沖擊聯(lián)箱壁面現(xiàn)象；彎管來流的聯(lián)箱內(nèi)部流動較為順暢，軸線的X方向的速度明顯較為集中；

（2）直管來流的聯(lián)箱各出口支管的阻力差別較大；

（3）彎管來流的各支管速度不均勻性明顯低于直管，約為直管的44.6%。

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修稿日期：2015－10－14

Analysis on Flow in Influent Header of Low-temperature Economizer

ZHANG Li－dong1，YANG Zi1，LI Wei－wei2，WU Chao3，YU Ting－li4，SHAO Tian－cheng5（1.Institute of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Hua-neng Chaohu Power Generation Co.，Ltd.，Chaohu 238015，China；3.Shuangyashan Generating Power Co.，Ltd.，Shuangyashan 155136，China；4.Guodian Harbin Pingnan Thermal Power Generation Co.，Ltd.，Harbin 150066，China；5.Yantai Longyuan Power Technology Co.，Ltd.，Yantai 264006，China）

Abstract：The structure of inlet pipe has a great influence on the flow inside the header，which could cause an economy and safety drop of the whole equipment.The Fluent software was used to study headers of vertical inlet and curved inlet pipes，with the different flow rates of 0.60 m/s、0.66 m/s、0.72 m/s and 0.78 m/s set and the turbulence model of k－ε RNG was used.By studying the distributions differences of velocity in centre section，average outlet velocities of branch pipes Vi，pressure drop Δpiand the velocity along axis X Vx.The conclusion was made that flow in the header of vertical inlet was more complicated，and the flow impacted against the wall more.All of flow rates，branch pipe velocity nonuniformity of verti-cal was only 44%of the curved，it could better the flow rate distribution of the header.

Key words：header；flow；nonuniformity；pressure drop；numerical simulation

通訊作者：李偉偉（1993－），男，研究方向?yàn)榱鲌鼋Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，

作者簡介：張立棟（1980－），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榱黧w管內(nèi)流動，

通信地址：132012吉林省吉林市東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，E－mail：nedu1015＠aliyun.com。 238015安徽省巢湖市華能巢湖電廠，E－mail：623793829＠qq.com。

收稿日期：2015－07－23

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20140204049SF）

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.005

文章編號：1001－4837（2015）10－0030－07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號：TH49；TK229.6