热网加热器入口流态优化数值模拟研究

李娜

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

热网加热器入口流态优化数值模拟研究

李娜

(华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450046)

热网加热器是电厂供热系统的核心设备，蒸汽入口流态对热网加热器的安全运行有重要影响。以某电厂在运热网加热器为研究对象，针对加热器换热管破裂事故进行分析，提出了不同优化方案，建立1∶1物理模型，采用k-ε湍流模型，基于计算流体动力学(CFD)方法在不同压力和流量工况下对热网加热器入口流态进行数值模拟研究。分析了不同形式的热网加热器入口流速分布，对比了不同方案的优化性能。研究结果表明：热网加热器入口流态分布对其运行稳定性有一定影响；优化入口形式可以有效改善入口流态，使流速分布均匀；在加热器入口加装大小头的方案对流态的改善效果最佳。

火电厂；供热系统；热网加热器；入口流态；数值模拟；计算流体动力学(CFD)

0 引言

热网加热器是电厂对外供热系统的核心设备，利用汽轮机抽汽来加热热网回水，达到一定参数后对外供热进行循环。热网加热器的性能优劣直接影响到机组对外供热质量和热经济性[1]。加热器进汽条件对加热器运行稳定性起决定性作用，蒸汽入口流态的好坏对加热器换热性能和换热管的振动有重要影响[2]。近年来，随着热电联产机组的建设和供热改造工程的开展，针对热网加热器换热管泄漏、爆管等问题的研究工作得到广泛开展。研究人员对各种类型换热管泄漏的原因进行了分析并提出了相应的防止措施[3-5]。

某电厂热网加热器在运行过程中多次出现换热管破裂泄漏现象，甚至导致加热器停运事故，给电厂对外供热造成严重影响。为探索换热管泄漏原因，以该热网加热器为研究对象，采用GAMBIT软件建立加热器1∶1三维模型，基于计算流体动力学CFD(computational fluid dynamics)方法对加热器入口流态进行数值模拟研究，对加热器进行优化，以改善蒸汽入口流态。

1 计算模型

本文以某电厂热网加热器为研究对象，对加热器蒸汽入口流速分布及均匀性进行研究。加热器三维模型如图1所示，其中：X轴正方向为加热器前水室看向后水室。汽轮机抽汽沿进汽管道至加热器筒体，经过入口蜗壳后进入加热器进行换热。

采用GAMBIT软件按照1∶1的比例还原加热器，建立三维几何模型，计算流体域包括蒸汽进汽管道、加热器筒体、支撑板和入口蜗壳。为了使流场模拟更加精确，考虑采用六面体结构化网格进行全场划分，对于弯道拐角处等采用四面体划分网格来降低伪扩散，网格划分在GAMBIT软件中完成。在流动边界层区域进行局部网格加密处理，在计算过程中逐步增加网格数量，当计算结果不随网格数量变化时得到网格独立解，网格数量为2.5×106。

图1 热网加热器物理模型

2 数值计算方法

2.1数值方法

为便于计算分析，对模拟计算进行以下简化：(1)流体为不可压缩、定常充分发展湍流；(2)研究目标为入口流态分布，暂不考虑流传热；(3)参考入口过热蒸汽区域结果进行分析。

数值计算采用雷诺时均N-S控制方程，基于有限体积法对控制方程进行离散，湍流模型采用k-ε模型，控制方程对流项的差分格式采用一阶迎风格

李娜：热网加热器入口流态优化数值模拟研究

式，离散后的方程组采用SIMPLE方法进行求解，近壁面采用标准壁面函数处理，收敛标准为控制方程残差均小于10-5。

边界条件设置：入口设定为速度入口，给定入口流速及湍流强度；出口设置为自由出流；壁面设定为无滑移、无热传递边界。

2.2控制方程

计算流体流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，满足相应的控制方程。

连续方程

(1)

动量守恒方程

ρgi+Fi。

(2)

能量守恒方程

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3；t为时间，s；ui为速度，m/s；p为压力，Pa；g为重力加速度，9.8 m/s2；E为内能与动能之和，J；k为热传导系数，W/(m·K)；J为扩散通量；F，S为源项；τ为粘性耗散带来的传递能量。

2.3计算工况

经过对调取的现场运行数据进行分析，选取典型工况和大流量工况进行数值模拟计算。同时，对加热器蒸汽入口进行优化，并对优化后的加热器蒸汽入口方案进行数值模拟对比，数值模拟工况见表1。

表1 数值模拟工况

3 计算结果与分析

3.1典型工况入口速度分布

为研究加热器入口流态分布，分别选取入口位置水平截面和竖直截面进行分析。图2给出了加热器入口蒸汽温度320 ℃，压力0.45 MPa，流量170 t/h时加热器原模型及2种优化方案入口水平截面的速度分布图。从图2中可以看出，入口位置蒸汽流速在加热器中心两侧对称分布，中间流速较两侧流速偏高。对比3种模型入口水平截面流速分布情况可知，入口加装蜗壳、大小头2种优化方案均可降低入口蒸汽流速。其中，原模型入口水平截面最大流速达到100 m/s，加装蜗壳、大小头后，最大流速分别降至70，45 m/s。

图2 不同形式入口水平截面(y)速度分布

不同模型入口竖直截面的速度分布如图3所示。由图3可知，竖直截面速度分布情况与水平截面类似，在入口加装蜗壳、大小头后蒸汽流速明显降低。防冲板处最大流速从100 m/s分别降至80，50 m/s。从图3中还可看出，原模型进汽管道与筒体连接处存在明显的高速、低速复合区域，在加热器运行过程中易产生旋涡，造成冲刷。高速蒸汽进入加热器筒体后，沿防冲板两侧直接冲刷换热管，长期运行会造成换热管腐蚀、破裂现象。经过优化后，高速蒸汽经蜗壳或大小头后进入筒体，流态得到明显改善，蒸汽流速降低，对换热管的冲刷也明显减小。

图3 不同形式入口竖直截面(x)速度分布

3.2大流量工况入口速度分布

为了验证2种优化方案在大流量工况下的效果，图4给出了入口蒸汽温度320 ℃，压力0.28 MPa，流量250 t/h时2种优化方案入口竖直截面的速度分布图。从图4中可以看出，加装蜗壳、大小头对加热器入口流态均有一定的改善作用，加热器入口流速分布较均匀。进一步对比2种优化方案入口截面流速分布，加装大小头的方案蒸汽流速更加均匀，防冲板两侧末端蒸汽流速比加装蜗壳方案低40%。综合本节分析可知，热网加热器进汽管道入口加装大小头的方案优化效果更好。

图4 大流量工况入口竖直截面速度分布

4 结束语

热网加热器入口蒸汽流态对运行稳定性有重要影响，高速蒸汽的持续冲刷造成换热管破裂。在蒸汽入口加装蜗壳、大小头可使蒸汽流速降低20%～50%，改善蒸汽入口流态，进一步减少高速蒸汽对换热管的冲刷损害。进一步的研究表明，在入口加装大小头的方案优化效果更好，该研究成果可以为以后的设备制造和工程实施提供科学依据。

[1]林振娴,杨勇平,何坚忍.热网加热器在热电联产系统中的全工况分析[J].中国电机工程学报,2010,30(23):14-18.

[2]郭霄,高革超,庄海涛.热网加热器进汽管高频振动原因分析及治理[J].区域供热,2012(2):44-48.

[3]祝志刚.浅析热网加热器泄漏原因[J].锅炉制造,2011(4):61-62.

[4]周家瑞.热网加热器泄漏原因分析及防止措施[J].应用能源技术,2014(2):44-45.

[5]林秋宇,张晨,郭可斌,等.热网加热器换热管腐蚀原因分析[J].机械设计与制造,2011(7):110-112.

TK 172

A

1674-1951(2017)10-0014-03

2017-06-14；

2017-08-16

(本文责编：白银雷)

李娜(1982—)，女，河南濮阳人，工程师，工学硕士，从事火力发电厂设计与研究方面的工作(E-mail:lina@chec.com.cn)。