三通集箱过热器压力分布与流量分配的数值模拟

周云龙， 刘 袖

（东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林132012）

根据我国能源结构的特点，火电在电力工业中一直起着十分重要的作用.据统计，过热器爆管事故占锅炉非计划停运事故30%左右，因此过热器的稳定运行直接影响锅炉的经济性和安全性.近年来三通集箱的过热器和再热器在大容量电站中得到广泛运用，然而在运行中爆管事故时常发生.因此，研究三通系统流量的分配规律对锅炉的设计和运行有着重要意义，找到合理的方法来解决这个问题对电站锅炉的经济性和安全性非常重要.

虽然美国和前苏联的学者对三通结构集箱的研究比较早，但是仍然存在不足的地方［1］.国内，陆方［1］和卫飞飞等［2］对三通集箱进行了冷态模化试验，研究了“三通效应”对三通集箱静压分布及流量分配的影响.随着CFD软件的发展及广泛应用，匡江红［3］、刘进［4］和张润卿［5］等利用数值计算的方法对三通结构集箱进行了深入研究，得到了三通集箱系统的静压分布、流动特性和三通两侧的回流情况并提出了相关的建议.

目前，利用CFD软件对三通集箱过热器进行的数值模拟局限于无支管和短支管的简化模型，没有针对有支管和汇集集箱的模型方面的模拟.根据文献［2］，笔者建立了由分配集箱、支管和汇集集箱构成的模型并对其进行数值模拟，研究了集箱和支管内流体的压力分布、速度分布和流量分布，并提出了过热器的改进方法，为三通集箱过热器的优化提供了新思路.

1 湍流模型及边界条件

1.1 模型的创建及网格划分

由于过热器的实际结构非常复杂，划分网格和计算难度都很大，而本文研究的重点是“三通效应”对流动特性的影响，因此根据文献［2］和文献［5］，对过热器进行了合理的简化，分别建立了无支管集箱模型和有支管过热器模型（图1）.无支管模型是内径D为450mm的等径三通，集箱长度为10D即4 500mm.选取正对三通入口的0°正母线、90°侧目线和180°背母线进行研究.

图1 无支管集箱模型和有支管过热器模型Fig.1 Without－branch header model and with－branch superheater model

有支管过热器模型在三通分配集箱上－60°、－30°、0°、30°和60°母线位置上分别引出17排支管，共17×5＝85根支管，支管内径为50mm，相邻2排支管间距为250mm.汇集集箱与分配集箱结构相同.这样，该过热器就可以简化为89根圆管组成的模型，实践证明这样简化既反映了分配集箱结构对流动的影响，又简化了计算.

1.2 湍流模型及边界条件的设定

由于标准k－ε湍流模型具有较好的经济性、稳定性和较高的计算精度，所以本次模拟采用的模型为标准k－ε湍流模型［4］.

模型壁面选用无质量渗透和无速度滑移的边界条件；模型入口采用速度入口边界条件；模型出口选取出流边界条件.

2 模拟结果及分析

模拟的工质为570℃过热蒸汽，密度ρ＝82.284kg／m3，动力黏度μ＝33.607 7×10－6Pa·s［4］.为了保证流动在自模区内进行［5］，入口流速u＝10m／s，Re＝1.102×107.

2.1 无支管集箱模型

图2为无支管集箱模型中截面的速度矢量图.由图2可以看到，正对入口处有汽流停滞，而入口两边有明显的涡流，该涡流主要是由于边界层的分离现象而产生的，涡流下面是主汽流.涡流占截面流通面积的4／7，而主汽流仅占截面流通面积的3／7，由于主汽流的通流面积较小，所以速度较大，而涡流的速度较小.由图2可知，涡流和主汽流有一个清晰的分界面，该分界面上的速度非常小，从涡流中心一直延伸到壁面，终止在3D位置上，在3D～5D内，主汽流的流动比较稳定.

图2 无支管集箱模型中截面的速度矢量图Fig.2 Velocity vector distribution in axial middle section of without－branch model

图3给出了正母线、侧母线和背母线的蒸汽速度分布.由图3可知，与侧母线和背母线相比，正母线的蒸汽速度变化较大，其最大速度最大，vmax＝11.402 9m／s，比入口流速大，而最小速度也最小，vmin＝0.正母线的速度最小处为正对入口的速度停滞区，速度最大处在L／D＝±1.28处，其中L为与集箱中心的距离，当L／D的范围为±（0～1.28）时速度变化非常快.侧母线的速度变化趋势与正母线相同，但是其速度变化没有正母线的速度变化剧烈，出现最大速度的位置也不同，当L／D＝1.19时，最大速度为10.437m／s，该值比入口速度略大.背母线的速度变化趋势与正母线、侧母线的变化趋势不同，L／D＝±（0.5～3）范围是涡流的速度变化区间，涡流速度在L／D＝±0.5位置处开始增大，增大到L／D＝±0.989 4位置处再减小，最后在L／D＝3位置处减小至接近0，当L／D的范围为±（3，5）时，主汽流的速度增大程度变快.

图3 正母线、侧母线和背母线的蒸汽速度分布Fig.3 Steam velocity distribution along main，side and back generating line

图4和图5分别为无支管三通集箱模型壁面静压分布和正母线、侧母线、背母线的Eu分布图.由图4可知，正对入口处的压力最高，主要是由汽流停滞引起的；由于受到涡流作用的影响，三通结构两边的压力较低.各母线静压分布的规律类似，只是Eu最小值的位置不同，但均在±（D～1.5D）内.

图4 无支管三通集箱模型壁面静压分布Fig.4 Static pressure distribution in without－branch header model

图5 正母线、侧母线和背母线的Eu分布Fig.5 Eudistribution along main，side and back generating line

2.2 有支管过热器模型

图6和图7分别为有支管过热器模型中截面的速度矢量图和静压分布.由图6和图7可知，分配集箱中工质的流动特性和静压分布与无支管模型的分布规律相似，三通附近均有涡流区而且压力也最低，不同的是有支管模型分配集箱两端的流体呈现涡流流动，与三通接通区域的涡流相互影响.汇集集箱正对出口处压力较低，两边的压力较高.

图6 有支管过热器模型中截面的速度矢量图Fig.6 Velocity vector distribution in axial middle section of with－branch superheater model

图7 有支管过热器模型中截面的静压分布Fig.7 Static pressure distribution in axial middle section of with－branch superheater model

图8和图9分别为有支管过热器各支管入口的Eu分布和速度分布图，其变化趋势和无支管模型正母线、侧母线的变化趋势相似.有支管模型中正母线上各支管入口的蒸汽流速最大而压力最低，±60°母线上各支管入口的蒸汽流速最小而压力最高.管屏7和管屏11支管入口的蒸汽流速最大，静压最低，这一区域也是受涡流影响最大的地方.涡流区域支管的静压均较低.

图10为各管屏和各支管的质量流量分布图，正对入口区域的支管流量较大，涡流区域下方的支管流量较小，逐渐远离涡流区域各支管的流量增大.本文模拟所得流量分布趋势与文献［2］所得的结果相同，这也说明了本文模拟的正确性.

2.3 改进措施

图8 各支管入口的Eu分布Fig.8 Eudistribution at each branch inlet

图9 各支管入口的速度分布Fig.9 Velocity distribution at each branch inlet

图10 各管屏和各支管的质量流量分布Fig.10 Mass flow distribution in each tube panel and branch tube

在模拟中发现涡流区域下面的支管入口出现小涡流（图11），文献［5］中也发现了同样的涡流.大涡流中心附近的支管入口处的小涡流最明显，而这些支管也是受“涡流效应”影响最严重的地方，流量也最小.逐渐远离大涡流中心，支管入口处的小涡流区域变小，最后消除.这种小涡流形成的原因和三通结构附近大涡流的形成原因相同.大涡流附近的蒸汽流速大、压力低，逐渐形成小涡流，由于小涡流的支管通流面积变小，因此流量变小.针对这种现象，对支管入口进行了改造，将第7管屏和第11管屏的入口形状改为圆形，这2个管屏是蒸汽流速最大和Eu最小的管屏.图12为改造后第7管屏和第11管屏入口处蒸汽的速度矢量图，由图12可以看出在流型变圆润之后，小涡流彻底消除了.图13为改造后各管屏和各支管的蒸汽质量流量分布图.图14为改造后各支管入口的Eu分布图.结果表明在Eu变化较小的情况下，第7管屏和第11管屏的流量明显增加，这说明支管流量的分布不仅与Eu有关，还与入口处的小涡流有关.综上所述，三通结构的特点导致三通结构附近流体流动呈涡流状，涡流的存在使集箱通流面积减小，速度增大而压力降低，这些因素使“涡流”下面的支管入口出现小涡流而且导致支管流量偏小，改变支管入口形状可以有效增大支管流量.

图11 涡流区域支管入口的速度矢量图Fig.11 Velocity vector distribution at branch tube inlet near eddy region

图12 改造后支管入口的速度矢量图Fig.12 Velocity vector distribution at branch tube inlet after retrofit

图13 改造后各支管的质量流量分布Fig.13 Mass flow distribution of each branch tube after retrofit

图14 改造后各支管入口的Eu分布Fig.14 Eudistribution at each branch tube inlet after retrofit

3 结 论

（1）无支管三通模型±（0.5D～3D）范围是受涡流影响的区域，涡流下方流体的流速大、压力低.

（2）有支管过热器模型涡流区域的支管入口处流体速度大且压力低，涡流中心附近的支管入口出现了明显的小涡流，支管流量偏小.

（3）改造支管入口形状可以有效地增大支管流量，但会影响后面支管的流量，使后面支管的流量比改造前小.正对入口的支管流量始终偏大，解决流量不均匀的问题应从选择管径和改造支管两方面综合考虑，在实际工况中还要考虑烟气温度的分布特性.

［1］ 陆方，王孟浩，李道林，等.大容量电站锅炉过热器、再热器三通集箱流量分布试验研究［J］.动力工程，1996，16（3）：13－19.LU Fang，WANG Menghao，LI Daolin，etal.Flow distribution studies of superheaters and reheaters of large utility boilers with Tee－junction headers ［J］.Journal of Power Engineering，1996，16（3）：13－19.

［2］ 卫飞飞，缪正清，黄国荣，等.三通锅炉集箱的数值模拟和实验研究［J］.锅炉技术，2010，41（6）：19－23.WEI Feifei，MIAO Zhengqing，HUANG Guorong，et al.Numerical simulation and experimental research of flow problems of headers with T－type three－way pipe and parallel tube platen system of utility boiler［J］.Boiler Technology，2010，41（6）：19－23.

［3］ 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.KUANG Jianghong，LIU Pingyuan，CHEN Chaosong，etal.Numerical study of static pressure distribution in steam headers of station boiler＇s superheater and reheater［J］.Journal of Power Engineering，2004，24（2）：166－169.

［4］ 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拟［J］.动力工程，2009，29（6）：528－533.LIU Jin，LIU Pingyuan，CHEN Chaosong，etal.Numerical simulation on flow distribution in Tee－junction header system of utility boilers［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（6）：528－533.

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