球体联箱内水蒸汽流动的数值研究

2021-11-12侯春江

应用能源技术 2021年10期

侯春江

(国能双鸭山发电有限公司，双鸭山 155136)

0 引言

联箱作为流量分配的重要结构，在多个工业领域内发挥重要的作用，作为将流体切分和汇集的结构，如果联箱设计时存在流动不均等问题，则会引发一系列的严重后果，特别在火电行业，高温受热面的入口联箱如果流量分配不均，将导致局部换热效果差，部分管壁超温，甚至爆管停机,如王春昌[1]提出水冷壁管道因为流量分配问题引起的爆管，胡志宏[2]等对流化床锅炉的屏过爆管进行研究发现流量分配不均，对此相关学者也进行了研究，罗云[3]等对蒸发联箱的流量分配特性进行研究，曲新鹤[4]等，对联箱影响U型布置并联管流量分配情况进行研究，张立栋[5]等对联箱入口结构对流量分配的影响进行了优化，赵晴川[6]等对联箱流量分配的计算方法进行了研究，联箱作为流量分配的主要结构，对于现有结构的优化较多，并未提出一种新型联箱结构，均匀将工质分配至各个出口，随着目前材料工艺的提升，球体联箱的制造难度降低，新型球体结构联箱对流量进行均匀分配优势逐渐显著。

1 研究对象结构

提出一种新型蒸汽分配联箱，其结构主要由入口，球体和出口组成，其中入口为管状，直径432 mm，长度1 000 mm，球体半径R为1 000 mm，在球体的两侧对称布置30个出口管，每侧为上、中、下三层，每曾5个。其编号方式为：由正向至反向左侧上层依次为1～5号，左侧中层为6～10号，左侧下层为11～15号，由反向至正向，右侧上层为16～20号，中层为21～25号，下层为26～30号，出口其结构同样为圆管，直径76 mm，长度180 mm。单侧出口管的中层与入口方向垂直，上、中层之间和中、下层之间的夹角都为20°，每层5个出口管之间夹角为22.5°。对球体联箱结构进行网格划分，在球体和出口区域进行加密，采用非结构化四面体网格进行划分，便于研究球体内的流向偏转，不断加大网格数以提高精度，当网格数目增加至475021时，出口平均速度计算结果不发生变化，考虑计算时间，选择网格数目为475021。

图1 新型球体联箱结构

2 计算方法和设计思路

由于设备在运行中，不断变化的负荷影响入口速度，在不考虑蒸汽温度变化的情况下，采用LES大涡模拟，对水蒸汽在球体联箱内的可压缩流动进行研究，边界条件设置，入口为速度入口，出口为压力出口，二阶精度，simple算法。计算时长为水蒸气进入球体联箱31 s时刻。

表1 入口参数设计

在为将联箱内的工质均匀的分配给各个位置的出口，在设计联箱时，需将工质的流动路径区别缩减至一定范围，区别于传统的柱体联箱，考虑各出口的布置和管材耗费情况，对联箱结构内，入口至各出口的流程设计不足。新型联箱的设计，如工质从两侧流出，则结构对称时，流动差异将明显减少，而球体空间内流场，如果出口流向角度与入口夹角相同时，周向上的流动路径不存在差异。此时考虑出口结构的布置便宜程度，在球体的两侧设置出口。

3 模拟结果分析

新型球体联箱内的流动，可以被分为两个部分：(1)入口射流进入球体内，未接触底部壁面；(2)入流与底部壁面接触，向周向散开，形成数个涡流。从结构上，入口管道与各出口之间的流动路径不存在明显的差异，仅因为便于布置多个出口管，在不同层出口角度存在较小的不同。但出口管道都指向球体联箱的中心位置。联箱内流体沿壁面流动，水蒸气进入出口时，在每个出口管道与壁面都是垂直角度，流场结构阻力基本相同。

从流线分布图2上可以分辨，入口射流的周围是大量的涡流和向上流动的水蒸气，并在上部形成较大的涡流，再向下流动，形成一个循环，在结构上由于入口和出口之间不在一条直线上，不存在个别出口速度较高的情况，水蒸气从入口至出口经过至少一次折流过程。

图2 球体联箱内的流线(80 m/s)

在不同速度下，球体联箱内的左、右侧方向中间截面速度分布如图3，随着入口速度的增长，球体联箱内的流动复杂程度明显增加，涡流数量和尺度同样有所增加，在第一部分流动中，入口射流在流向底部时，发生散开的现象并非是直接冲击底部向四周散开，而是在接近底部的位置即发生散开现象，随着入口速度的增长，在LES计算结果下，流动并非完全对称，且从中间截面图上，入口射流两侧的差异随着速度增加，两侧速度分布差异逐渐增加，该现象主要由两侧涡流位置不对称引起。在第二部分流动中在散开发生后，水蒸气沿壁面向上运动，首先进入左右侧的下层出口，再是中层出口，最后为上层出口，从出口区域的速度分布上，中间截面内并未出现明显的速度较高或者速度较低现象，在流过出口管道布置的区域后，水蒸气接着向上流动，并汇聚在入口射流周围向下流动。

图3 左右侧反向中间截面速度分布

从图4不同工况下的出口速度分布，对出口各个出口管道的速度进行分析，可以明显看出在入口速度增长时，出口的各出口速度分布曲线波动增加。整体上工况1、2和3在2、4、9、17、21和26号位置都发生速度下降的波动，3、7、22、和27号出口管道速度出现上升波动。从位置上，出现速波动下降的出口管道，其位置相对位于同层边缘。而出现速度上升的出口管道，在位置上处于同层的中间位置，由于入口管道截面为对称的圆形，排除入口结构影响，发生该现象的主要原因主要是在相同水平高度上，一部分从正面或者反面壁面附近向未布置出口管区域的水蒸气，进入同层的出口管道，存在速度矢量角度的差异问题，向左右两侧布置出口管道的区域流动时，该区域的水蒸气速度矢量同每层的边缘区域的出口管角度较大，而与每层中间部分的出口管角度较小，其进入中间部分管道较为顺畅。但整体上各工况下，速度分布整体仍较为集中。而工况2和3的整体波动趋势相似度较高，工况3曲线波动程度明显上升。

图4 不同工况下的出口速度

为更清楚对新型球体联想的流量分配性能进行研究，提出一种考虑个别管流量过低或过高成都的公式，为联箱分配性能，其具体为：

(1)

以一个直径为联箱200 mm，出口和入口管径与球体联箱相同，出口管数目相同的柱体的联箱进行对比。总体上新型出口联想的分配性较好，各出口管之间速度差异小，各工况下都大于柱体联箱。随着入口速度上升，分配性基本不变。

表2 联箱分配性

与此同时，在机组负荷变化时，流量时刻处于变化状态下，处于稳定流量的情况较少，对负荷波动时的联箱分配情况进行研究，选取6和16号出口，对入口速度上升60～80 m/s和入口速度下降100～80 m/s过程中，速度波动进行模拟，当出口速度波动小于1%时停止计算。入口速度上升和下降时出口速度变化如图5和图6。入口速度上升时波动时间较长，为0.08 s，为下降的4倍，同时，下降时速度变化比较平缓，而上升出现波动，同时，6号和16号出口速度在大部分时候存在差异，6号高于16号约5 m/s，但在入口速度上升时差异缩小，计算结束时两者基本持平，同时入口速度下降时两者差异性增大，差值增加至10 m/s。该现象说明了，在机组运行中，联箱设备随负荷波动，其分配性能时刻处于变化状态，随着负荷下降，联箱入口速度下降个别管道的出口速度差异将扩大，导致换热性能发生较大的改变，威胁设备运行安全。而负荷上升时此类危险因素较小。