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，湖北武漢 430074）

引言

目前，國內(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)熱量損失計算分析、管網(wǎng)現(xiàn)狀調(diào)查與現(xiàn)場測試等?，F(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)蒸汽流動阻力損失和管件散熱，這些仍是不夠全面的，需要對熱網(wǎng)熱損進行更加系統(tǒng)的評估。王娟［2］研究了蒸汽過熱度與供熱管道質(zhì)量損失的關(guān)系，其研究結(jié)論如下：蒸汽過熱度是影響供熱管網(wǎng)質(zhì)量損失的主要原因；過熱度降低，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)量流量計計量偏小，管損進一步加大。趙建法［3］利用焓降法測量蒸汽熱網(wǎng)散熱損失特性，充分考慮蒸汽過熱度和運行工況的影響，試圖考慮實際供熱蒸汽存在一定的濕度來完善熱網(wǎng)能量平衡模型中實際管損的質(zhì)量損失計量與散熱損失平衡的關(guān)系，指出：由于實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單的線性關(guān)系，存在的復雜關(guān)聯(lián)機理有待進一步深入研究；當管內(nèi)蒸汽為濕蒸汽狀態(tài)時，焓降法的計算結(jié)果受到測量溫度波動的影響，甚至會出現(xiàn)負值。相關(guān)文獻研究說明了，長距離蒸汽管道容易出現(xiàn)蒸汽飽和冷凝，需要加以重點關(guān)注。另外，焓降法的計算結(jié)果出現(xiàn)負值，說明所測試的溫度出現(xiàn)升溫，簡單歸因到溫度波動并不是科學的解釋。

湖北某熱力有限公司開發(fā)區(qū)熱力管網(wǎng)由原“高參數(shù)”改“低參數(shù)”運行后管損過大，已無法滿足用戶供熱要求，熱用戶有投訴。為了滿足安全和經(jīng)濟供汽的要求，需要對現(xiàn)有管網(wǎng)管損過大的原因進行模擬計算分析。

1 CFD模擬對象與方法

1.1 模擬對象

開發(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)，見圖1。蒸汽管線原設(shè)計操作參數(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容量為35 萬kW（2×9E 型）的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，投產(chǎn)運行后，由于考慮近端用戶的用戶安全，實際的運行參數(shù)進行了調(diào)整，實際參數(shù)為：0.71 MPa（G），171 ℃（低參數(shù)）。近些年單獨使用熱電有限公司燃氣機組供汽“低參數(shù)”方式導致管損過大，已無法滿足行政中心點用戶（對應(yīng)節(jié)點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)計操作參數(shù)條件下管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點的蒸汽壓力、溫度計算值，見表1。

由于受到計算機資源限制，目前還少有針對長距離蒸汽管道進行3D模擬計算的文獻供借鑒，因此提出以下面向長距離蒸汽管道變工況運行的CFD計算機模擬。

對現(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模擬軟件進行數(shù)值模擬。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用CFD 對原設(shè)計值進行了校核，主要校核了表1 中B 節(jié)點的設(shè)計參數(shù)。為了提高模擬精度和計算機資源，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)依次編號為A1、A2、A3、……、A40。模擬計算的A1 出口參數(shù)作為A2 的入口邊界條件，以此類推，最終算出A40的出口參數(shù)（即B點參數(shù)）。

幾何模型及網(wǎng)格劃分情況見圖2。使用四邊形網(wǎng)格，共111 723節(jié)點，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)量分數(shù)，單位體積液滴（按上段出口平均值）。

壁面邊界條件：無滑移靜止壁面，標準粗糙度，粗糙高度0.2 mm，粗糙度常數(shù)0.5。由于各段進出口溫差不大，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)散熱損失測試與保溫效果評定方法》（GB/T 28638-2023）的測試結(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。本次模擬計算是模擬蒸汽冷凝過程，關(guān)鍵點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處理多相流的計算方法，其中VOF 模型適合于求解分層流和需要追蹤自由表面的問題，比如水面的波動、容器內(nèi)液體的填充等；混合物模型和歐拉模型則適合計算體積濃度大于10%的流動問題。

早期FLUENT 濕蒸汽模型在求解類型是Density-Based 時，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程中，經(jīng)過飽和狀態(tài)后不久將發(fā)生冷凝過程，路徑越過氣相飽和線。膨脹過程使過熱的干蒸汽首先過冷，然后成核，形成飽和蒸汽和細液滴的兩相混合物，稱為濕蒸汽。濕蒸汽模型在蒸汽管道的分析和設(shè)計中具有十分重要的意義。Ansys Fluent采用歐拉-歐拉方法對濕蒸汽流動進行建模。流動混合物模型使用可壓縮的Navier-Stokes 方程，以及兩個液相質(zhì)量分數(shù)和每單位體積液滴數(shù)的輸運方程。

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)過程中的形成。在蒸汽膨脹時，隨著壓力減低就可能出現(xiàn)冷凝。按照成核機制，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處理，這意味各相有自己所占的時間和空間，因而各相用各自的守恒方程。換句話說，純蒸汽獨立于液滴分開求解，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制比較復雜，開始時在流場中出現(xiàn)非常小的液滴。成核分為同性或異性兩類，這里同性成核意味流場中沒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壓力和溫度下降開始發(fā)生冷凝，出現(xiàn)非常小的液滴。當小液滴形成時，出現(xiàn)兩種類型。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；另一種是液滴生長理論，這些液滴會重新蒸發(fā)，主要看液滴的分壓和溫度，無論液滴溫度高于分壓下的沸點與否。

基于以上分析及大量的前期試算經(jīng)驗，實際運行參數(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，符合管道流動的流場分布規(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)計分別取各段進出口截面的平均值。首先按“高參數(shù)”對AB 管段進行了校核，模擬中未出現(xiàn)蒸汽冷凝現(xiàn)象，計算A40出口參數(shù)（B點參數(shù)）為1.08 MPa（G），260 ℃，原設(shè)計B點計算值為1.04 MPa（G），264 ℃，說明原設(shè)計的參數(shù)計算是可靠的。

2.2 “低參數(shù)”模擬分析

按A 點“低參數(shù)”最大負荷（120 t/h，0.71 MPa，171 ℃）對AB 段進行了模擬計算。CFD 模擬結(jié)果顯示，A1～A21 段并未出現(xiàn)蒸汽冷凝，段號A22 開始蒸汽出現(xiàn)凝結(jié)，參見圖4 中濕度（出口截面平均值）變化，其中x=0 m 對應(yīng)A21 出口，顯示A、B 之間干管在A 點下游3 150 m 就開始出現(xiàn)蒸汽凝結(jié)，說明“低參數(shù)”干管在最大負荷時也出現(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，同樣圖中橫坐標x=0 m 與A21 出口對應(yīng)，從左到右各點依次對應(yīng)A21～A40 出口值，以下同。圖4 是圖5中頭3點（A21，A22，A23）的局部放大。

圖4 A21～A23段濕度變化趨勢

圖5 蒸汽管道A21～A40段濕度變化趨勢

圖6 給出A40 段出口處濕度（圖例：Liquid mass fraction，液態(tài)水質(zhì)量分數(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

改用燃氣機組“低參數(shù)”供汽后，A1～A40 段模擬計算的阻力明顯增加，模擬的阻力比原設(shè)計的“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。

圖7 蒸汽管道A21～A40段出口平均壓力P變化趨勢

圖8給出A21～A40段蒸汽冷凝后出口平均溫度變化趨勢，顯示隨著冷凝過程發(fā)展，剛開始在A21～A29 段溫度下降，在A30～A39 段出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，溫升恢復到溫降的轉(zhuǎn)折點位于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。水滴成核過程中釋放的凝結(jié)潛熱對流動蒸汽起到加熱作用，使得蒸汽冷凝后的流動出現(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［3］的測試結(jié)果，這從實際測量上側(cè)面驗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（見圖6）的凝結(jié)潛熱對流動蒸汽加熱作用占主導地位。徑向焓值（見圖10）與徑向溫度分布（見圖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地位時會出現(xiàn)邊界層升溫現(xiàn)象。升溫現(xiàn)象并不違反散熱過程能量方程，此時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，此時焓值主要受濕度影響，相對較低。

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

通過對現(xiàn)有開發(fā)區(qū)管網(wǎng)調(diào)研、資料收集，利用CFD 對管損進行綜合分析，找出管損過大的主要原因，并提出改進方案。主要研究結(jié)論如下：

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

（2）原蒸汽管道按“高參數(shù)”設(shè)計。通過CFD 數(shù)值模擬驗證了原設(shè)計給出重要節(jié)點的溫度和壓力推算值是合理的，原有蒸汽管道的原始設(shè)計按“高參數(shù)”運行時并不存在蒸汽冷凝現(xiàn)象。模擬值與原設(shè)計預測吻合，同時也說明研究所采用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)”運行后阻力增加25%，這是管損過大的原因之一。

（4）“低參數(shù)”運行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。這個研究結(jié)果也與有關(guān)文獻公布的實際測試吻合。

（5）CFD 數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：蒸汽干管過早出現(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蒸汽參數(shù)偏低的第二個根本原因。

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)改造后能解決開發(fā)區(qū)蒸汽管網(wǎng)管損過大問題，實現(xiàn)安全經(jīng)濟供汽，解決熱用戶投訴問題，避免經(jīng)濟糾紛造成損失，而且為熱電有限公司進一步拓展低碳校園、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)項目奠定基礎(chǔ)。