直接空冷系统排汽管道特性研究

２６　应用能源技术　２００８年第２期（总第１２２期）　直接空冷系统排汽管道特性研究　王松岭　。刘阳　。李声强　（１．华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定０７１００３；　２．浙江天禄能源发展有限公司，浙江舟山３１６０００）　摘要：为了研究直接空冷机组排汽管道内水蒸汽的流动特性，采用ＣＦＤ技术，对某台　２００ＭＷ直接空冷机组排汽管道内的水蒸汽流场进行了三维数值模拟。根据数值计算结果，在　直接空冷大直径排汽管道内的弯头和三通等处安装导流叶，不仅有利于减小工质在管道内的流　动阻力和实现管道内工质的均匀分布，而且有利于提高直接空冷系统的整体热效率。　关键词：排汽管道；数值模拟；导流叶；压损；热效率　中图分类号：ＴＵ８３１．３．６　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００９—３２３０｛２００８）０２—００２６—０３　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｐｉｐｉｎｇ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｓｏｎｇ—ｌｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙａｎｇ　，ＬＩ　Ｓｈｅｎｇ—ｑｉ　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　Ｍｏｎｉｏｔｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｚｈｅｊｉｎａｇ　ＴＹＩ．ＡＭ）Ｅｎｅｒｇｙ—ｓｏｕｒｃｅｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｚｈｏｕｓｈａｎ　３１６０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｌｆｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ—－ｖａｐｏｒ　ｉｎ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｉｐｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｉｒ—－ｃｏｏｌｅｄ　ｕｎｉｔ，ｕｓｉｇｎ　ＣＦＤ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ—ｖａｐｏｒ　ｌｆｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｉｐｉｎｇ　ｏｆ　ａ　２００　ＭＷ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ　ｕｎｉｔ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　３一Ｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｇｕｉｄｅ　ｐｌａｔｅｓ　ｗｅｒｅ　ａｓｓｅｍｂｌｅｄ　Ｏｎ　ｅｌｂｏｗ　ａｎｄ　ｔｅｅ　ｊｏｉｎｔ　ｅｔｃ　ｉｎ　ｌｒａｇｅ—ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｉｐｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｉｒ—ｃｏｏｌｅｄ　ｕｎｉｔ，　ｗｈｉｃｈ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｃｏｎｄｕｃｅ　ｔｏ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ—ｖａｐｏｒ’Ｓ　ｆｌｏｗ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆｌｕｉｄ　ｉｎ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｉｐｉｎｇ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｅｎｈａｎｃｅ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｉｒ—－ｃｏｏｌｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｉｐｉｎｇ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｇｕｉｄｅ　ｐｌａｔｅ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏｓｓ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　０　引言　动空气使蒸汽凝结成水，使水资源得以循环利用。　为了缓解我国铁路运输压力及合理利用资　排汽管道是从低压缸排汽装置出口至空冷凝汽器　源，近年来，我国在山西、内蒙古等富煤少水地区　蒸汽分配联箱人口的管道，其作用是在机组的各　兴建了大批空冷机组，其中直接空冷机组占到了　种工况下，将汽轮机排汽从排汽装置排人空冷凝　８０％以上。直接空冷机组最为明显的特征就是汽　汽器内　。　轮机乏汽经大直径的排汽管道从低压排汽缸下引　排汽管道系统设计的关键在于优化各蒸汽分　出送到厂房外约３０ｍ的空冷岛内，再利用风机吹　配管的流量和压降，在保证实现水蒸汽流量均匀　分配的同时降低水蒸汽的压损，提高电厂的热效　收稿日期：２ｏｏ７—０１—１８　修订稿日期：２ｏｏ７—０１—２５　率　】。目前国内对直接空冷排汽管道方面的研究　作者简介：王松岭（１９５４～），男，河北博野人，华北电力大学　较少，而且主要集中在对大直径排汽管道结构稳　能源与动力工程学院教授，博士生导师，主要从　事热力设备及大型回转机械安全及经济运行、能　定性的分析曲　］。本文利用计算流体力学软件　源清洁利用等研究工作。　（ＣＦＤ），通过对直接空冷机组排汽管道系统三通　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年第２期（总第１２２期）　应用能源技术　２７　和弯头部位安装导流叶前后几种不同布置结构情　况的流场进行了反复模拟、对比和研究，确定导流　叶片的尺寸和数量，实现了直接空冷排汽管道系　统的优化设计。　根据工程实际，考虑到流动和传热的复杂性，　对实际问题进行了简化，在计算的过程中作如下　假设：　（１）认为汽轮机排汽为对应背压下的饱和水　蒸汽，不考虑水蒸汽的压缩性。　１　ＣＦＤ数值计算方法　１．１物理模型和数值模拟方法　（２）由于流动过程中蒸汽和外界来不及换　热，所以假设整个流场温度不变。　（３）不考虑水蒸汽通过管道壁面的传热及流　动的汽液两相流。　（４）忽略重力的影响。　根据空冷岛排汽管道的布置图，综合考虑各种　因素，确定排汽管道的物理模型采用对称布置，参　看图１（单位Ｉｎｌｎ）。排汽管道在弯头处设置导流　叶，主排汽管道直径为４８００ｒａｍ，蒸汽分配管的管径　为２０００ｒａｍ。为了便于分析，主排汽入口称为ｉｎｌｅｔ；　蒸汽分配管出口共六个，从左至右分别为ｏｕｔｌ，　ｏｕｔ２，ｏｕｔ３，ｏｕｔ４，ｏｕｔ５，ｏｕｔ６，各出口间距为１０４００ｒａｍ。　按照空冷夏季工况进行模拟，入口边界条件　为质量流量入口，初始值为１３１．９ｋ　ｓ，六个出口　边界条件为压力出口，初始值为３７．２７ｋＰａ。　图１直接空冷排汽管道示意图　１．２数学模型和控制方程　式中Ｐ为水蒸汽密度，ｕ为速度，ｕ　为脉动速度，　　．本文基于ＳＩＭＰＬＥ算法，采用标准的ｋ一￡两　方程湍流模型　引，所用的控制方程组为：　连续性方程：　ｇｕｊ，ａ　：—　指标取值范围是１，２，３，Ｐ为压力，　为水蒸汽　的动力粘性系数，　为湍流粘性系数，其他参数　值的选用详见文献［７］。　０　２计算结果的分析与优化　基于上述的模型和假设，采用ＣＦＤ技术，对　直接空冷排汽管道内的流场进行了三维数值模　ｉ湍流动能ｋ方程：　ｃ＇３ｔ：＋　。　１０　一菇＋塞＋　５ｘ　－Ｔｇ，　＋　一１毒（一１０　）（“　ｚ２　）　拟，通过对三通和弯头部位安装导流叶前后的流　场的模拟、对比分析和调整，基本确定了导流叶片　１０　＝一Ｏ　ｕｉ的尺寸和数量，得到管道内的水蒸汽压损和平均　＝　一　【＼　＋　。　，　Ｊ　，流量的偏差情况，参见图２，图３。图中工况１为　（３）　＋　一　所有三通和弯头处均不安装导流叶，工况２为分　别在等径三通，异径三通１，异径三通２，弯头处安　装６片，２片，３片，７片导流叶。　由图中看出，在大直径排汽管道内安装导流　湍流动能耗散率￡方程：　ｃ＇３ｔ：＋　Ｌ＋－＝Ｏ　一　ｘ　＼　＋　／　Ｊ　ｖ　－ｃ￣一　１０　２　（４）　叶和不安装导流叶的流量和压损分布情况有较大　的差异，在排汽管道内加设导流叶能够很好的优　维普资讯 http://www.cqvip.com ２８　应用能源技术　２００８年第２期（总第１２２期）　化工质的流动，并且能够有效的减小管道内的流　动阻力，进而能提高管道的输送能力。图中还可　以看出，管道内的导流叶布置情况不同，对管道内　拟软件反复多次的模拟和调整得到：在工况２的　情况下，排汽管道的压降相对较小，质量流量分布　较均匀。　的工质流动的影响也是不同的，经过ＣＦＤ数值模　—．＿工　．—　／＼０　０　∞　　＼０　／／　ｃ口　０　０　０　幽　图２排汽管道压降与结构的关系　２５　２４．５　２４　９．３・５　２３　２２．５　摹　量　ｌ　薯誊　／　＼　．　删田ｌｊ　２０　９．１．５　２１　２０．５　２Ｏ　１９．５　１９　董≥量≥　≥　图３排汽管道质量流量与结构的关系　３　结语　采用ＣＦＤ技术，通过对直接空冷机组排汽管　［２］谢滨，雷平和．大型直接空冷电站的设计和运行情　况［Ｊ］．电力设备，２０ｏ６（３）：８—１３．　［３］　包旭．直接空冷系统管道梁单元分析研究［Ｊ］．应用　能源技术，２００７（１）：３４—３５．　道内水蒸汽流动特性的三维数值模拟，分析和研　究了水蒸汽在排汽管道内的压力损失和流量分配　情况。根据数值计算结果，在直接空冷大直径排　汽管道内的弯头和三通等处应当安装导流叶，不　仅有利于减小工质在管道内的流动阻力和实现管　［４］李会利，包旭，陈小环．直接空冷系统管道应力分析　［Ｊ］．发电设备，２００６（５）：５７—５９．　［５］　陶文铨．数值传热学［Ｍ］．西安：西安交通大学出版　社．２００１．　道内工质的均匀分布，而且有利于提高直接空冷　系统的整体热效率，从而实现了直接空冷排汽管　道的优化设计。　参考文献　［６］　曹丽华，郭婷婷，李勇．３００ＭＷ汽轮机凝汽器喉部出　口流场的三维数值模拟［Ｊ］．中国电机工程学报，　２００６（１１）：５６—５９．　［７］王福军．计算流体动力学分析一ＣＦＤ软件原理与应　用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．　［１］邱丽霞，郝艳红，李润林，等．直接空冷汽轮机及其热　力系统［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６．