高压加热器疏冷段出口流量分配影响因素分析*

余雏麟 任志文 邓 科 季敏东 杨 威

(1.西安交通大学能源与动力工程学院；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司 清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室)

高压加热器疏冷段出口流量分配影响因素分析*

余雏麟1,2任志文1邓 科2季敏东2杨 威2

(1.西安交通大学能源与动力工程学院；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司 清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室)

采用CFD方法对高压加热器疏冷段出口流量的分配特性进行分析，探讨进口流速、出口压力、底面出口位置、底面出口与侧面出口面积比和换热管数量对流量分配特性的影响。

高压加热器 疏冷段出口 影响因素 流量分配

大型火电站或核电站中广泛采用的三段式卧式高压加热器(下文简称卧式高加)是一种典型的U形管式换热器[1]。它利用高温蒸汽加热管内温度较低的水，对提高电站运行经济性具有重要的作用[2]。

近年来，随着计算流体力学(简称CFD)的发展和计算机硬件水平的不断提高，采用计算流体力学的方法对换热器进行模拟已被越来越多的学者所采用[3～6]。为此，笔者采用CFD方法，以采用双弓形折流板的三段式卧式高加的疏冷段为分析对象，通过建立疏冷段的三维CFD数值模型，探讨进口流速、出口压力、底面出口位置、底面出口与侧面出口面积比和换热管数量对疏冷段出口流量分配特性的影响，为高压加热器疏冷段的结构和性能优化提供参考。

1 疏冷段结构分析

典型的卧式高加壳程结构如图1所示。壳程根据介质的传热特点分为过热段、饱和段和疏冷段。过热段是利用高温蒸汽的显热来加热管内低温水；饱和段是利用高温蒸汽的凝结潜热来加热管内低温水；疏冷段则是利用饱和水来加热管内低温水。

图1 卧式高加壳程结构示意图

为满足机组疏水大流量的要求，大型卧式高加的疏冷段往往采用双弓形折流板布置。典型的采用双弓形折流板布置的卧式高加的疏冷段结构如图2所示。

图2 双弓形折流板卧式高加疏冷段结构简图

一般情况下，疏冷段疏水出口仅采用侧面开口的形式(图2a虚线所示)，但是对于流量较大的情况，侧面开口的流通面积往往较小，这会使得疏水流速较高，导致侧面出口附近的管束容易发生振动破坏。为增加流通面积，通常采用的做法是在疏冷段的底板上开口，且底板上开口有两种方式，一种是底部中心开口，另一种是底部两侧开口，两种底部开口方式如图2b虚线所示。疏水从底部开口和侧面开口到达高加疏水出口管在流体力学上属于典型的并联管路问题。根据并联管路各条支路压力降相等的关系，必然导致各支路的流量不相等。

2 数值模型简化和试验方案

2.1 几何模型和物理模型简化

笔者以工程中实际设计的一台600MW机组的卧式高加疏冷段为例，采用CFD方法对疏冷段出口的流量分配影响因素进行分析。该疏冷段的主要结构尺寸如下：

疏水进口尺寸 400mm×600mm

出口管内径 404mm

侧面开口面积 0.153m2

底口开口宽度 100mm

折流板厚度 10mm

折流板间距 360mm

换热管排列方式 三角形

在对高加疏冷段进行CFD建模时，鉴于模型的复杂性，同时考虑疏冷段的结构特点和实际模拟时的硬件条件限制，对疏冷段的计算模型进行如下简化：

a.仅研究疏冷段壳程流体的流动特性，而不研究壳程流体与管程流体之间的传热；

b.假设流体为各向同性、不可压缩的牛顿流体且不考虑疏水在流动过程中物性的变化，疏水密度为853kg/m3，动力粘度为0.127 6mPa·s；

c.目前多数的高压加热器一块管板上有多达几千根的换热管，且换热管直径均较小，但考虑到计算机硬件条件的限制，在建立模型时选取具有代表性的几根外径为57mm的换热管；

d.实际高加的疏冷段可能被折流板分成多达10段以上，但是由于疏冷段沿流体流动方向除进口段和出口段外，其余各段可划分为周期性发展段，受限于计算硬件条件，笔者仅建立包含进出口的5段模型；

e.人为增加进出口直管段的长度，以保证流体稳态流动，忽略折流板上开孔与换热管之间和折流板与壳体之间的间隙，并利用对称性建立一半模型。

2.2 数值试验方案

根据研究目的，采用表1中所列的15个模型进行计算。表1开口位置一列中，底中心代表在底部中心开口、底两侧代表在底部两侧开口、侧口表示没有在疏冷段底部开口仅在疏冷段圆弧包壳上开口。底部开口面积的变化通过保持开口宽度100mm不变而长度变化的方式来实现。换热管根数的减少通过整排递减的方式，即20根对应4排，14根对应3排，9根对应2排。

表1 计算模型参数列表

2.3 边界条件设置与求解

采用流体力学计算软件Ansys Fluent version 6.3进行稳态模拟计算。根据表1的计算工况，可见流动为湍流。湍流模型采用realizablek-ε湍流模型。模型求解基于压力求解器，并且使用SIMPLE方法对速度和压力进行耦合。在近壁面采用标准壁面函数来进行处理。动量方程和压力方程均采用二阶迎风格式。边界条件为速度进口和压力出口。

采用六面体结构化网格技术对疏冷段进行网格划分，在壁面处进行加密处理以满足近壁面函数法对低雷诺数求解准确性的要求，网格单元数约为150 万。表1中计算模型2的几何模型如图3所示。数值计算在一台工作站上进行，CPU为Intel XeonW55903.33GHz，内存256GB，硬盘2TB。

3 计算结果与分析

计算模型2的最大速度云图如图4所示，流线图如图5所示。各计算模型的计算结果见表2。从表2中的结果可以看出：无论是底部中心开口还是底部两侧开口，最大流速都较仅侧面开口时的小，说明底部中心开口和底部侧面开口对降低流速的效果是明显的；当开口位置变化，而其他条件不变的情况下，通过底部中心开口的流量略较通过底部两侧开口的流量大；在其他条件不变的情况下，随着底部开口面积和侧面开口面积比的增加，底口流量和总流量之比也不断增加，且这种变化是非线性的；在其他条件不变的情况下，进口流速变化时，开口流量和总流量之比基本保持不变；当在底部中心开口，而其他条件不变的情况下，随着出口压力的增大，底口流量和总流量之比呈非线性递减趋势，最大流速增加明显；在其他条件不变的情况下，换热管数量对流量分配的影响并无明显规律。

图3 计算模型2的几何模型

图4 计算模型2的最大速度云图

图5 计算模型2流线图

表2 各计算模型的计算结果

根据上述几点，在对采用双弓形折流板的高加疏冷段出口进行结构设计时，底部中心开口与底部两侧开口相比，一方面通过底部中心开口的流速较高，且底部中心开口附近的换热管无支撑跨距较大，容易发生流体诱发振动失效，另一方面底部中心开口时，较多的流体会直接从底部开口流出，导致横掠管束的流体减少，使得疏水未充分与管内给水进行热交换，可能导致疏水出口水温偏高，因此推荐采用底部两侧开口的形式来降低流速。

值得说明的是，限于计算机硬件条件，笔者虽然就换热管数量对流量分配的影响进行了初步分析，但是由于计算模型采用的换热管数量远比实际卧式高加的数量少，关于换热管数量对流量分配的影响仍有待进一步研究。

4 结束语

针对特定的双弓形折流板布置的卧式高加疏冷段出口结构，采用CFD方法对疏水出口的流量分配影响因素进行了分析，初步得出就底部开口位置来说，宜采用底面两侧开口的结构形式；底部开口流量和侧面开口流量比与出口压力成非线性反比关系、与底部开口面积和侧面开口面积比成非线性正比关系；在其他条件不变时，流速变化对底部开口流量和总流量的分配比影响较小。

[1] 季敏东.超临界600MW高加自主开发设计[J].东方锅炉，2009，(4)：1～5.

[2] 季敏东，余雏麟，李长胜.1000MW蛇形管集箱式高压加热器的自主开发设计[J].电站辅机，2016，37(1)：1～3.

[3] 余雏麟，邓科，季敏东.加热器及除氧器接管许用外力和外力矩的计算[J].电站辅机，2015，36(1)：1～4.

[4] 余雏麟，邓科，季敏东.多约束条件下三段式高压加热器传热面积优化[J].东方电气评论，2015，29(1)：29～31.

[5] 谢洪虎，江楠.管壳式换热器壳程流体流动与换热的数值模拟[J].化学工程，2009，37(9)：9～12.

[6] 王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004：2～3.

AnalysisofOutletFlowDistributionInfluenceFactorsofSubcoolingZoneinHigh-pressureFeedWaterHeater

YU Chu-lin1,2,REN Zhi-wen1,DENG Ke2,JI Min-dong2,YANG Wei2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity;2.KeyLaboratoryofSichuanProvinceforCleanCombustionandFlueGasPurification,DongfangGroupBoilerCo.,Ltd.)

The CFD method was used to analyze outlet flow distribution characteristics of subcooling zone in the high-pressure feed water heater,and the effect of inlet velocity,outlet pressure,bottom outlet location and the side outlet location and side outlet area to bottom outlet area ratio and the number of tubes on the flow distribution characteristics were discussed.

high-pressure feed water heater,subcooling zone outlet,influence factor,flow distribution

余雏麟(1986-)，高级工程师，主要从事强化传热和承压设备安全研究，yuchulin_007@163.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)04-0437-05

2016-10-10，

2017-01-15)