宋 杰，劉 杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

帶有內(nèi)置疏水冷卻器的低壓加熱器內(nèi)部流場分析

宋 杰，劉 杰

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

介紹了電站項(xiàng)目帶有內(nèi)置疏水冷卻器的低壓加熱器，重點(diǎn)討論了此種類型低壓加熱器內(nèi)部流場分析。通過對低壓加熱器進(jìn)行三維建模，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對低壓加熱器內(nèi)部蒸汽流場的靜壓分布規(guī)律、速度分布規(guī)律和溫度場分布進(jìn)行分析。

內(nèi)置疏水冷卻器；低壓加熱器；流場分析

低壓加熱器是電站設(shè)備汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備之一，它的作用是利用在汽輪機(jī)內(nèi)做過部分功的蒸氣，抽至加熱器內(nèi)加熱給水，提高水的溫度。這樣不但減少了汽輪機(jī)排往凝汽器中的蒸汽量，降低了能源損失，也提高了熱力系統(tǒng)的循環(huán)效率。目前部分項(xiàng)目為了增加回?zé)嵯到y(tǒng)效率，在回?zé)嵯到y(tǒng)中增加了疏水泵，將某級低壓加熱器疏水通過疏水泵打入凝結(jié)水管道，同時(shí)在疏水泵前設(shè)置一臺(tái)疏水冷卻器。設(shè)置單獨(dú)的疏水冷卻器需要額外布置空間以及相應(yīng)管道，會(huì)增加回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及施工成本，而將疏水冷卻器與本級低加合體將會(huì)簡化此處設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及施工等工作，對設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)以及檢修也帶來了便利[1－2]。

土耳其速馬項(xiàng)目為255 MW容量燃煤電站項(xiàng)目，由于廠房布置空間有限，無法布置外置式疏水冷卻器，該項(xiàng)目采用了3號低壓加熱器內(nèi)置疏水冷卻器結(jié)構(gòu)。3號低壓加熱器增加了內(nèi)置疏水冷卻器后，低壓加熱器殼側(cè)增加了錐殼，低壓加熱器內(nèi)部管束也相應(yīng)做了調(diào)整。以上改動(dòng)會(huì)引起低壓加熱器內(nèi)部蒸汽流場變化，低壓加熱器的熱力計(jì)算是建立在蒸汽流場均勻分布的條件下，蒸汽流場改變會(huì)對低壓加熱器的換熱性能帶來影響，所以需要對這種新結(jié)構(gòu)的低壓加熱器做內(nèi)部蒸汽流場分析，以便觀察此種新型結(jié)構(gòu)內(nèi)蒸汽流場分布是否合理[3]。

圖1 低壓加熱器殼體以及管束圖

本文應(yīng)用UG三維軟件對帶有內(nèi)置疏水冷卻器的低壓加熱器進(jìn)行三維幾何建模，應(yīng)用Ansys Icem專業(yè)軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，得出蒸汽流場的靜壓分布規(guī)律，速度分布規(guī)律和溫度場分布。

1 模型建立

1.1 三維模型的建立

據(jù)CAD設(shè)計(jì)圖紙建立三維模型，低壓加熱器錐殼小端直徑φ1 300 mm，錐殼長度550 mm，殼體直徑φ1 600 mm，殼體總長度11 425 mm；蒸汽入口接管尺寸φ 630 mm；冷卻管直徑為φ16，數(shù)量656根U型管。對管系冷卻管分布進(jìn)行簡化處理，按照冷卻水流速一致，保證布管圓直徑不變，換熱管根數(shù)替換為86根φ62.5 mm直管，簡化后86根冷卻管均勻分布，應(yīng)用UG建立的模型。

1.2 邊界條件設(shè)置

入口條件為速度入口，設(shè)置入口速度為44 m3/s，入口蒸汽的溫度為426 K，凝結(jié)溫度為412 K.出口條件為壓力出口，設(shè)置出口壓力為0.349 5 MPa，出口工質(zhì)為水蒸汽。壁面為速度無滑移、無穿透邊界，工質(zhì)為定常物性的水蒸汽和水的混合物質(zhì)，水蒸汽凝結(jié)為飽和水。假設(shè)冷卻水為恒溫，溫度設(shè)定為405 K.

2 結(jié)果分析

本文分別從以下截面分許低壓加熱器內(nèi)殼側(cè)流動(dòng)性能。截面在殼側(cè)的位置如圖2所示。

圖2 截面位置圖

2.1 流場分布

圖3、4分別為1和4截面的殼側(cè)流速分布。第一個(gè)截面為與殼體前部，是抽空氣口的位置，從此圖上可以看出在此位置管束去內(nèi)蒸汽流速<1.24 m/s，抽空氣口的氣體流速約為9 m/s，流量約為0.42 kg/s.第二個(gè)截面為抽空氣入口，在此截面上由于擋氣板的作用和支撐板的作用，在入口位置和殼體與支撐板交匯的位置，蒸汽流速略高，約為7 m/s左右。第三個(gè)截面為疏水出口位置，在此截面上整體流速均比第一、二截面流速大。第四截面為蒸汽入口截面，在此截面上擋氣板周圍的流速較高，而且由于擋氣板布置在兩個(gè)支撐板上方，使得第四截面處蒸汽的流速相對略低。通過對以上截面流速的分析可知，蒸汽在殼側(cè)流場中分布趨勢是靠近蒸汽入口的位置蒸汽的流速較高，邊緣區(qū)域蒸汽的流速相對較低，蒸汽在沿殼體流動(dòng)到支撐板的位置時(shí)折流流向管束區(qū)，因此在支撐板和殼體的連接處有漩渦。

圖3 截面1流場分布

圖4 截面4流場分布

2.2 溫度場分布

圖5、6為殼側(cè)1和4截面的溫度場分布，從溫度場分布可知，管束的的正下方支撐板與殼體圍成的區(qū)域中工質(zhì)的溫度較低，因?yàn)檫@是經(jīng)冷卻管換熱后凝結(jié)水的形成區(qū)域。每一個(gè)截面上的溫度分布均不相同，但是有支撐板存在的截面上溫度分布的趨勢相同，均是在支撐板和殼體相交處的溫度較高。

圖5 截面1溫度場分布

圖6 截面4溫度場分布

2.3 壓力場分布

從圖7、8所示1和3截面可以看出壓力分布分層較為明顯，綜合計(jì)算平均壓降為500 Pa，在空氣出口處截面上（截面一）抽空氣口處和疏水出口出的壓力最低。管束下方的支撐板與殼體圍成的區(qū)域，形成了渦流，壓力變化劇烈。

圖7 截面1壓力場分布

圖8 截面3壓力場分布

3 結(jié)論

通過使用Fluent模擬低壓加熱器殼側(cè)的流動(dòng)，蒸汽從入口進(jìn)入管束區(qū)凝結(jié)成水后從疏水出口出去，不凝結(jié)的氣體從抽空氣口出去，通過模擬分析可知，在管束下方的兩個(gè)支撐板處蒸汽形成了渦流造成了壓力損失，但是同時(shí)這兩個(gè)支撐板的存在避免了殼側(cè)內(nèi)蒸汽的短路。此次模擬結(jié)果看著較為理想，該結(jié)構(gòu)完全能滿足帶有內(nèi)置疏水冷卻器低壓加熱器熱交換效率。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB_150.1～150.4-2011.壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2012.

[2]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB_151-2014.熱交換器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2015.

[3]劉亞昆，肖增弘．300MW機(jī)組低壓加熱器疏水系統(tǒng)優(yōu)化[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，9（3）：235-237.

Internal Flow Field Analysis of Low Pressure Heater With Built-in Drain Cooler

SONG Jie，LIU Jie
（Harbin Turbine Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150046，China）

This paper introduces the low pressure heater with built– in drain cooler，and focuses on the internal flow field analysis of this type of low-pressure heater.Through the three-dimensional modeling of the low-pressure heater，the numerical simulation was carried out by Fluent software，and the static pressure distribution，velocity distribution and temperature field distribution of the internal steam flow field of the low-pressure heater were analyzed.

built-in hydrophobic cooler；low pressure heater；flow field analysis

TK262

A

1672-545X（2017）08-0128-03

2017-05-12

宋 杰（1981－），男，黑龍江北安人，工程師，本科，主要從事電站輔機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究工作。