论文部分内容阅读
摘要： 为解决过热器超温爆管问题，根据电站锅炉过热器带三通集箱的结构特点，采用数值模拟方法对采用径向引入方式的过热器进口集箱三通区域的静压分布和流动规律进行了研究，并在此基础上对三通区域结构进行了改进.结果表明：三通区域集箱中存在涡流区，使该区域的静压变低，导致布置在该区域的支管蒸汽流量减少；适当增大三通区域集箱内径可提高集箱涡流区的静压，但当三通区域集箱内径增大到一定程度后，继续增大三通区域集箱内径，集箱涡流区的静压已不再有明显升高.
关键词：
带三通集箱； 数值模拟； 静压分布； 涡流区； 改进
中图分类号： TK 22文献标志码： A
目前大容量电站锅炉过热器大多采用带三通结构的径向引入、引出集箱系统，当蒸汽引入集箱后会在三通区域附近产生涡流区，使得布置在该区域的管屏中蒸汽流量减小.若该部分管屏也正好处于锅炉烟温较高的区域，就很容易发生超温爆管事故.由于三通区域集箱内流动状况复杂，静压分布规律与轴向引入、引出方式的集箱差别很大，运用于轴向引入、引出集箱系统压力分布规律的水动力计算方法[1]已不再适用，美国CE公司的计算标准中关于径向引入、引出集箱系统的计算方法也被证实是错误的[2].因此，研究并掌握径向引入方式过热器集箱三通区域的压力分布和流动规律，对过热器的设计和锅炉的安全运行具有重要的意义.
Kreid等[3]研究发现，与充分发展的直管中流速呈抛物线分布的情况相比，三通区域流体速度分布曲线发生了严重的扭曲.陆方等[2]和罗永浩等[4]对进口集箱三通区域压力分布规律进行了冷态模化试验研究，找到了一些影响三通区域静压分布的因素，并得到了用于计算三通区域静压分布的经验公式.匡江红等[5]、刘进等[6]、张润卿等[7]和周云龙等[8]采用数值模拟方法对进口集箱三通区域进行了研究，得到了集箱三通区域的静压分布规律、流动特性及相对应的支管流量分配情况.其中，周云龙等[8]还对三通涡流区的支管入口形状进行了改进，改进后支管流量明显增大.
从以上分析可以看出，国内外学者通过试验和数值模拟方法，对过热器进口集箱三通区域的静压分布和流动特性进行了研究，也取得了一些成果，但并没有根据这些研究成果对三通区域结构的改进提出具体方案.本文将通过数值模拟方法研究三通区域静压分布规律，在此基础上对三通区域结构提出改进方案，以期为工程实际提供参考.
1数值模拟
1.1研究对象
本文研究对象为有支管等径三通模型，等径三通内径D=200 mm，1～15号支管从集箱正母线和右下40°方向引出，支管直径为Φ 63.5×12.5 mm，支管间距112 mm.由于涡流区主要集中在距离三通径向引入管中心线±（2～3）D范围内[2，6-7]，所以本文选择距离三通径向引入管中心线-4D～4D范围内布置支管，模型如图1所示，集箱支管位置如图2所示.
1.2湍流模型
由于过热器进口集箱内的流动为湍流流动，所
以本文采用标准k-ε方程进行数值计算.其湍流
动能k方程为
x（ρuk）+y（ρvk）+z（ρwk）=xμσkkx+
yμσkky+zμσkkz+Gk-ρε
（1）
湍流動能耗散率ε方程为
x（ρuε） +y（ρvε） +z（ρwε）=
xμσε εx+yμσεεy+
zμσεεz + εk（C1Gk-C2ρε）
（2）
式中：u、v、w分别为x、y、z方向的速度；ρ为密度；μ为动力黏度；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；σk为对于k的湍流普朗特数；σε为对于ε的湍流普朗特数；C1、C2为常数.
方程的离散选择二阶迎风差分格式；压力与速度的耦合选择SIMPLE算法.
1.3边界条件
壁面边界条件：
集箱壁面采用无速度滑移和无质量渗透边界条件，即假定相对于固体壁面的气流切向分速度和法向分速度均为零.
入口边界为集箱径向引入管的入口横截面，入口处采用速度入口条件；密度设置为常数.
出口边界条件设置为自由出流边界条件.
1.4计算结果及分析
本文数值模拟工况：流动介质为空气，温度T=303 K，入口流速ω=62.5 m·s-1，密度ρ=1.165 kg·m-3，动力黏度μ=1.86×10-5 Pa·s.此时入口雷诺数Re=7.81×105，该工况已进入第二自模区.
为了达到通用性的目的，对数值模拟中集箱三通区域的静压进行无量纲化处理，将静压分布规律转变成欧拉数Eu的分布规律，即
Eu=pi-p0ρω2
（3）
式中：pi为数值模拟得到的集箱上任一点的静压，Pa；p0为三通径向引入管入口静压，Pa.
图3为集箱三通区域静压分布.由图中可以看出，正母线与右下40°线静压分布大致相同.在L/D=-1.5～1.5（L为集箱上各测点所在截面与三通径向引入管中心线之间的距离）区域，沿集箱轴向方向，正母线和右下40°线静压分布极不均匀，三通径向引入管中心线正对的区域压力最高，这是由于三通径向引入气流进入集箱后在集箱正母线侧内壁产生滞止，气流的动压转化成静压，且从其欧拉数Eu接近0.5也可以看出.而在L/D=±2处附近，正母线和右下40°线均出现了静压的最低点，这是由于三通径向引入气流进入集箱后向两侧90°转弯，在靠近集箱背母线区域流体质点转弯半径要小于靠近集箱正母线区域的流体质点转弯半径，从而使背母线区域流体质点流动阻力相对更大，根据伯努利方程，在靠近背母线的流体质点到集箱中心区域流体质点间便产生了一个速度梯度，在剪切力和黏性力的共同作用下导致 气流分层，从而使径向引入管两侧靠近背母线区域产生两个涡流区（由图4中的集箱三通区域速度分布可以明显看出），称为一次涡流.一次涡流的存在使集箱内流通截面积减小，气流速度增大，静压变低.在L/D>2.5和L/D<-2.5时，由于涡流区的影响逐渐减弱并消失，集箱内压力分布趋于平稳，基本和轴向引入、引出方式压力分布规律一致.
在L/D=-1.5～1.5区域，沿圆周方向集箱静压不相等，正母线和右下40°线静压明显高于侧母线静压.首先，由于动压的不对称，正母线和右下40°线处气流有不同程度的滞止，而在侧母线处，气流流动方向与集箱内壁平行，因此正母线和右下40°线处静压要高于侧母线静压；其次，由于在L/D=-1.5～1.5区域存在一个沿集箱圆周方向自正母线至侧母线的压力梯度，使气流形成了一个环形流动趋势，这一环形流动趋势称为二次涡流.二次涡流加剧了流体的能量损失，使侧母线静压更低，因此在L/D=-1.5～1.5区域，正母线和右下40°线静压明显高于侧母线.
2改进方案
对于从三通涡流区静压较低区域引出的支管，由于入口静压低，支管流量会偏低，存在超温爆管的危险，所以本文将在以上研究的基础上对三通区域的结构进行改进，减小涡流区的影响范围，使集箱内的静压分布更加均匀.
2.1改进方案模型
根据前文研究所得出的涡流区位置，本文改进方案为在距离径向引入管中心线-2.4D～2.4D范围内增大集箱内径.改进后的三通结构如图5所示，其中：L1=300 mm；L2=480 mm，D′为改进的后集经三通内径.由于改进后集箱存在两段变径区域，这两区域不适合引出支管，所以将因改进而处于集箱变径区域的支管改为从与其相邻的支管截面引出即将4号、5号、11号和12号支管分别改为从3号、6号、10号和13号支管截面左下40°线方向引出，如图5所示.改进方案主要结构参数如表1所示.
2.2改进方案结果及分析
选择改进方案入口速度与原结构入口速度相同，图6为按不同方案改进后集箱三通区域静压分
布，图7为按不同方案改进后A-A截面（三通中截面）集箱速度分布.由图4、6、7可以看出，由于气流的滞止，正母线和右下40°线在三通径向引入管中心线正对位置各方案的静压基本相同，Eu均在0.5左右.而在三通中心两侧随着三通区域集箱内径增大，集箱三通区域静压逐渐升高.这是因为在相同的进口流量下，三通区域集箱内径增大使流体在三通区域的流速降低，静压升高；同时，由于三通区域集箱内径增大，流体质点在三通转弯处的转弯半径增大，流动损失降低，靠近背母线区域的流体质点和靠近正母线区域的流体质点流动速度的不均匀性减小，从而使剪切力的作用减小，边界层分离状况减弱，一次涡流范围缩小；侧母线静压也随着集箱内径增大而升高.这是由于集箱内径增大使三通引入管气流速度降低，沿圆周方向自正母线至侧母线的压力梯度减小，从而使二次涡流减弱，侧母线静压升高.三通区域集箱内径增大使集箱内涡流区范围缩小，静压升高，同时集箱三通区域静压分布也更趋均匀.
由图6、7可知，当三通区域集箱内径为280 mm时，三通区域的涡流区已基本消失，继续增大三通区域集箱内径，集箱三通区域涡流区静压升高已不明显.同时，随着三通区域集箱内径的增大，三通的制造更加困难，同时成本也将提高.从多方面因素综合考虑，方案4为最优的改进方案.
3结论
（1） 径向引入方式的过热器进口集箱在L/D=-2.5～2.5区域存在使集箱静压降低的涡流区，会对布置在这一区域的支管流量造成一定的影响，所以在该区域布置支管时需特别注意.
（2） 适当增大过热器进口集箱三通区域集箱内径，可以减小涡流区范围，使集箱该区域静压升高.但当三通区域集箱内径增大到一定程度后，继续增大三通区域集箱内径，集箱涡流区的静压已不再有明显升高.当三通区域集箱内径增大至280 mm时，继续增大三通区域集箱内径，集箱涡流区的静压升高已不明显.
参考文献：
[1]上海发电设备成套设计研究所.JB/Z 201—1983电站锅炉水动力计算方法[S].北京：机械工业出版社，1983.
[2]陆方，王孟浩，李道林，等.大容量电站锅炉过热器再热器带三通集箱流量分布的试验研究[J].动力工程，1996，16（3）：13-19.
[3]KREID D K，CHUNG C J，CROWE C T.Measurements of the flow of water in a “T” junction by the LDV technique[J].Journal of Applied Mechanics，1975，42（2）：498-499.
[4]罗永浩，杨世铭，王孟浩.T型进口三通对分配集箱流量分配的影响[J].动力工程，1998，18（3）：29-33.
[5]匡江红，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉过热器、再热器集箱静压分布的数值研究[J].动力工程，2004，24（2）：166-169.
[6]刘进，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模擬[J].动力工程，2009，29（6）：528-533.
[7]张润卿，袁益超.电站锅炉再热器带“三通”集箱静压分布的数值模拟及受热面热偏差计算[J].动力工程学报，2011，31（6）：403-409.
[8]周云龙，刘袖.三通集箱过热器压力分布与流量分配的数值模拟[J].动力工程学报，2013，33（1）：6-10.
关键词：
带三通集箱； 数值模拟； 静压分布； 涡流区； 改进
中图分类号： TK 22文献标志码： A
目前大容量电站锅炉过热器大多采用带三通结构的径向引入、引出集箱系统，当蒸汽引入集箱后会在三通区域附近产生涡流区，使得布置在该区域的管屏中蒸汽流量减小.若该部分管屏也正好处于锅炉烟温较高的区域，就很容易发生超温爆管事故.由于三通区域集箱内流动状况复杂，静压分布规律与轴向引入、引出方式的集箱差别很大，运用于轴向引入、引出集箱系统压力分布规律的水动力计算方法[1]已不再适用，美国CE公司的计算标准中关于径向引入、引出集箱系统的计算方法也被证实是错误的[2].因此，研究并掌握径向引入方式过热器集箱三通区域的压力分布和流动规律，对过热器的设计和锅炉的安全运行具有重要的意义.
Kreid等[3]研究发现，与充分发展的直管中流速呈抛物线分布的情况相比，三通区域流体速度分布曲线发生了严重的扭曲.陆方等[2]和罗永浩等[4]对进口集箱三通区域压力分布规律进行了冷态模化试验研究，找到了一些影响三通区域静压分布的因素，并得到了用于计算三通区域静压分布的经验公式.匡江红等[5]、刘进等[6]、张润卿等[7]和周云龙等[8]采用数值模拟方法对进口集箱三通区域进行了研究，得到了集箱三通区域的静压分布规律、流动特性及相对应的支管流量分配情况.其中，周云龙等[8]还对三通涡流区的支管入口形状进行了改进，改进后支管流量明显增大.
从以上分析可以看出，国内外学者通过试验和数值模拟方法，对过热器进口集箱三通区域的静压分布和流动特性进行了研究，也取得了一些成果，但并没有根据这些研究成果对三通区域结构的改进提出具体方案.本文将通过数值模拟方法研究三通区域静压分布规律，在此基础上对三通区域结构提出改进方案，以期为工程实际提供参考.
1数值模拟
1.1研究对象
本文研究对象为有支管等径三通模型，等径三通内径D=200 mm，1～15号支管从集箱正母线和右下40°方向引出，支管直径为Φ 63.5×12.5 mm，支管间距112 mm.由于涡流区主要集中在距离三通径向引入管中心线±（2～3）D范围内[2，6-7]，所以本文选择距离三通径向引入管中心线-4D～4D范围内布置支管，模型如图1所示，集箱支管位置如图2所示.
1.2湍流模型
由于过热器进口集箱内的流动为湍流流动，所
以本文采用标准k-ε方程进行数值计算.其湍流
动能k方程为
x（ρuk）+y（ρvk）+z（ρwk）=xμσkkx+
yμσkky+zμσkkz+Gk-ρε
（1）
湍流動能耗散率ε方程为
x（ρuε） +y（ρvε） +z（ρwε）=
xμσε εx+yμσεεy+
zμσεεz + εk（C1Gk-C2ρε）
（2）
式中：u、v、w分别为x、y、z方向的速度；ρ为密度；μ为动力黏度；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；σk为对于k的湍流普朗特数；σε为对于ε的湍流普朗特数；C1、C2为常数.
方程的离散选择二阶迎风差分格式；压力与速度的耦合选择SIMPLE算法.
1.3边界条件
壁面边界条件：
集箱壁面采用无速度滑移和无质量渗透边界条件，即假定相对于固体壁面的气流切向分速度和法向分速度均为零.
入口边界为集箱径向引入管的入口横截面，入口处采用速度入口条件；密度设置为常数.
出口边界条件设置为自由出流边界条件.
1.4计算结果及分析
本文数值模拟工况：流动介质为空气，温度T=303 K，入口流速ω=62.5 m·s-1，密度ρ=1.165 kg·m-3，动力黏度μ=1.86×10-5 Pa·s.此时入口雷诺数Re=7.81×105，该工况已进入第二自模区.
为了达到通用性的目的，对数值模拟中集箱三通区域的静压进行无量纲化处理，将静压分布规律转变成欧拉数Eu的分布规律，即
Eu=pi-p0ρω2
（3）
式中：pi为数值模拟得到的集箱上任一点的静压，Pa；p0为三通径向引入管入口静压，Pa.
图3为集箱三通区域静压分布.由图中可以看出，正母线与右下40°线静压分布大致相同.在L/D=-1.5～1.5（L为集箱上各测点所在截面与三通径向引入管中心线之间的距离）区域，沿集箱轴向方向，正母线和右下40°线静压分布极不均匀，三通径向引入管中心线正对的区域压力最高，这是由于三通径向引入气流进入集箱后在集箱正母线侧内壁产生滞止，气流的动压转化成静压，且从其欧拉数Eu接近0.5也可以看出.而在L/D=±2处附近，正母线和右下40°线均出现了静压的最低点，这是由于三通径向引入气流进入集箱后向两侧90°转弯，在靠近集箱背母线区域流体质点转弯半径要小于靠近集箱正母线区域的流体质点转弯半径，从而使背母线区域流体质点流动阻力相对更大，根据伯努利方程，在靠近背母线的流体质点到集箱中心区域流体质点间便产生了一个速度梯度，在剪切力和黏性力的共同作用下导致 气流分层，从而使径向引入管两侧靠近背母线区域产生两个涡流区（由图4中的集箱三通区域速度分布可以明显看出），称为一次涡流.一次涡流的存在使集箱内流通截面积减小，气流速度增大，静压变低.在L/D>2.5和L/D<-2.5时，由于涡流区的影响逐渐减弱并消失，集箱内压力分布趋于平稳，基本和轴向引入、引出方式压力分布规律一致.
在L/D=-1.5～1.5区域，沿圆周方向集箱静压不相等，正母线和右下40°线静压明显高于侧母线静压.首先，由于动压的不对称，正母线和右下40°线处气流有不同程度的滞止，而在侧母线处，气流流动方向与集箱内壁平行，因此正母线和右下40°线处静压要高于侧母线静压；其次，由于在L/D=-1.5～1.5区域存在一个沿集箱圆周方向自正母线至侧母线的压力梯度，使气流形成了一个环形流动趋势，这一环形流动趋势称为二次涡流.二次涡流加剧了流体的能量损失，使侧母线静压更低，因此在L/D=-1.5～1.5区域，正母线和右下40°线静压明显高于侧母线.
2改进方案
对于从三通涡流区静压较低区域引出的支管，由于入口静压低，支管流量会偏低，存在超温爆管的危险，所以本文将在以上研究的基础上对三通区域的结构进行改进，减小涡流区的影响范围，使集箱内的静压分布更加均匀.
2.1改进方案模型
根据前文研究所得出的涡流区位置，本文改进方案为在距离径向引入管中心线-2.4D～2.4D范围内增大集箱内径.改进后的三通结构如图5所示，其中：L1=300 mm；L2=480 mm，D′为改进的后集经三通内径.由于改进后集箱存在两段变径区域，这两区域不适合引出支管，所以将因改进而处于集箱变径区域的支管改为从与其相邻的支管截面引出即将4号、5号、11号和12号支管分别改为从3号、6号、10号和13号支管截面左下40°线方向引出，如图5所示.改进方案主要结构参数如表1所示.
2.2改进方案结果及分析
选择改进方案入口速度与原结构入口速度相同，图6为按不同方案改进后集箱三通区域静压分
布，图7为按不同方案改进后A-A截面（三通中截面）集箱速度分布.由图4、6、7可以看出，由于气流的滞止，正母线和右下40°线在三通径向引入管中心线正对位置各方案的静压基本相同，Eu均在0.5左右.而在三通中心两侧随着三通区域集箱内径增大，集箱三通区域静压逐渐升高.这是因为在相同的进口流量下，三通区域集箱内径增大使流体在三通区域的流速降低，静压升高；同时，由于三通区域集箱内径增大，流体质点在三通转弯处的转弯半径增大，流动损失降低，靠近背母线区域的流体质点和靠近正母线区域的流体质点流动速度的不均匀性减小，从而使剪切力的作用减小，边界层分离状况减弱，一次涡流范围缩小；侧母线静压也随着集箱内径增大而升高.这是由于集箱内径增大使三通引入管气流速度降低，沿圆周方向自正母线至侧母线的压力梯度减小，从而使二次涡流减弱，侧母线静压升高.三通区域集箱内径增大使集箱内涡流区范围缩小，静压升高，同时集箱三通区域静压分布也更趋均匀.
由图6、7可知，当三通区域集箱内径为280 mm时，三通区域的涡流区已基本消失，继续增大三通区域集箱内径，集箱三通区域涡流区静压升高已不明显.同时，随着三通区域集箱内径的增大，三通的制造更加困难，同时成本也将提高.从多方面因素综合考虑，方案4为最优的改进方案.
3结论
（1） 径向引入方式的过热器进口集箱在L/D=-2.5～2.5区域存在使集箱静压降低的涡流区，会对布置在这一区域的支管流量造成一定的影响，所以在该区域布置支管时需特别注意.
（2） 适当增大过热器进口集箱三通区域集箱内径，可以减小涡流区范围，使集箱该区域静压升高.但当三通区域集箱内径增大到一定程度后，继续增大三通区域集箱内径，集箱涡流区的静压已不再有明显升高.当三通区域集箱内径增大至280 mm时，继续增大三通区域集箱内径，集箱涡流区的静压升高已不明显.
参考文献：
[1]上海发电设备成套设计研究所.JB/Z 201—1983电站锅炉水动力计算方法[S].北京：机械工业出版社，1983.
[2]陆方，王孟浩，李道林，等.大容量电站锅炉过热器再热器带三通集箱流量分布的试验研究[J].动力工程，1996，16（3）：13-19.
[3]KREID D K，CHUNG C J，CROWE C T.Measurements of the flow of water in a “T” junction by the LDV technique[J].Journal of Applied Mechanics，1975，42（2）：498-499.
[4]罗永浩，杨世铭，王孟浩.T型进口三通对分配集箱流量分配的影响[J].动力工程，1998，18（3）：29-33.
[5]匡江红，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉过热器、再热器集箱静压分布的数值研究[J].动力工程，2004，24（2）：166-169.
[6]刘进，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模擬[J].动力工程，2009，29（6）：528-533.
[7]张润卿，袁益超.电站锅炉再热器带“三通”集箱静压分布的数值模拟及受热面热偏差计算[J].动力工程学报，2011，31（6）：403-409.
[8]周云龙，刘袖.三通集箱过热器压力分布与流量分配的数值模拟[J].动力工程学报，2013，33（1）：6-10.