1 000MW超超临界火电机组空冷排汽管道流场模拟分析

王春青 卞彩侠

(吉林建筑大学市政与环境工程学院,长春 130118)

0 引言

大型空冷机组以其降低机组平均发电煤耗﹑减少污染物排放﹑改善环境﹑节约水资源等特点将成为我国未来空冷机组建设的优选,尤其在我国“富煤缺水”的三北地区,发展直接空冷技术更具有深远的意义.直接空冷系统的关键技术长期被国外公司所垄断,空冷国产化面临着诸多技术难题,排汽管道设计要求平衡各蒸汽分配管的流量,降低通道压降,在保证空冷系统实现水蒸气流量均匀分配的同时防止水蒸气压降过高,过冷面积过大,造成换热量减少[1].排气管道的设计直接影响着电厂的热效率.

图1 空冷排气管道的几何模型(单位:mm)

1 物理模型及几何模型

1.1 物理模型

由于空冷机组的背压变化范围较大,不可能对所有工况进行模拟和研究,所以，本文选取空冷汽轮机的典型工况进行模拟,工况为THA工况(背压P=12kp,质量流量G=0.370 22kg/s).

1.2 几何模型

综合考虑各种因素,初步确定排气管道基本几何模型,如图1和表1所示,排气管道是一种偏心变径、上部齐平、支管侧移且带有45°导角的结构,上升合流三通采用的是等径三通,60°夹角.

表1 各管段直径 (mm)

2 数学模型

排汽通道内蒸汽的流动属于具有复杂流动区域的高雷诺数湍流运动,对流场进行以下合理的假设以忽略次要因素,简化计算:

(1) 假设整个排汽通道与外部环境的自然对流热交换量非常少,相应产生的液量很少,可以忽略[2]；

(2) 由于实际工程中汽轮机出口的蒸汽为湿蒸汽,含液率大于8%,一般不会超过10%,其冷凝量小,而且汽相流速高,液膜易被撕破﹑卷吸和夹带到主流中去,因此忽略液膜存在对整体的影响；

(3) 认为排汽通道内的蒸汽为可压缩气体,其物性参数是压力与温度的函数.

对排气通道内流场进行物理简化之后,进一步从数学的角度建立控制方程组,并将其离散化、线性化以进行迭代求解.汽相湍流的模拟,从雷诺时均方程组出发,选用标准湍流模型加以封闭.

2.1 基本方程

(1) 质量守恒方程

(1)

(2) 动量守恒方程

(2)

式中,ρ为流体密度;t为时间;u为流体速度矢量;τ为应力张量;up为离散相颗粒速度;FD(u-up)为离散相颗粒的单位质量曳力.

(3) 能量守恒方程

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,φ为求解物理量;Dφ,Sφ分别为扩散系数及源项.

2.2 边界条件

(1) 选择质量流量为入口边界条件,入口温度由入口处压力确定,紊流强度I=10%,紊流黏性比取10,介质为饱和水蒸汽；

(2) 十个出口都选压力为边界条件,按12kPa进行模拟,回流温度根据出口压力确定.回流紊流强度I=10%,紊流黏性比为5；

(3) 四周壁面都选择墙壁面为边界条件,选择无滑移边界条件,并与外界保持绝热.

2.3 求解方法

对方程(1)～(6)和进出口及壁面的边界条件联立进行数值求解.采用二阶精度的有限体积法(FVM)对控制方程进行空间离散,时间离散则采用隐式格式进行迭代,定常稳态运算,对流项采用一阶迎风格式便于计算,SIMPLEC算法来耦合压力速度,加快收敛速度,节省运算量.

3 模拟结果分析

3.1 流场分析

利用CFD软件对某1 000MW直接空冷汽轮机典型工况(THA)进行数值模拟[3],模拟结果如图2～图5所示.

图2 整体结构在THA下压力云图

图3 合流三通在THA下速度矢量图

图4 合流三通在THA下压力云图

图5 整体结构在THA下速度矢量图

由图2可见,排气管道出口的速度不是很均匀,蒸汽在靠近三通处的内壁上产生了比较严重的正压冲边,蒸汽在进入各支管时的滞留区域也比较明显,很大程度上增加了阻力损失.从图3可以看出,整个管道的压力分布不够均匀,在靠近三通的出口内壁上出现了局部区域压力升高的现象,只有蒸汽支管与水平主管连接处的压力变化比较缓和.由图4可知,管道最末端的速度较小,随着饱和水蒸气的上升流速逐渐增大,基本保持在2.5-3.5之间.根据图5可以看出,管道末端的压力分布很不均匀,越往上压力越小,在两者汇合之后压力趋于一致.综上所述,在偏心变径侧移结构中,蒸汽流动先经过变径后再进入垂直支管,然后进入等径合流三通,有利于后部形成稳定的紊流流场,且对减小压降有一定的作用.

3.2 流量分配及总压降分析

在典型工况(THA)下,对某1 000MW直接空冷汽轮机的排气管道进行数值模拟,流量分配及总压降见表2.

表2 流量分配及总压降

从表2中能够发现,支管2﹑支管9和支管10分配到的流量较多,支管1和支管5分配到的流量较少,其中,支管10分配到的流量最大,支管1分配到的流量最小,两者流量分配百分比之差为14.56%,除第10支管流量较大之外其余各个支管的流量分配最大相差不到5%,总压降减小为162.565Pa.通过在10支管处加装导流片来优化流场,使得流量分配均匀,压降降低.

4 结语

通过对1 000MW超超临界火电机组空冷排汽管道流场模拟分析与研究,初步确定1 000MW超超临界空冷系统排气管道形式,为直接空冷排气管道的优化设计提供了技术参考.下一步将在实验室建立实验装置,进行试验,进一步验证模拟结果,设计出最佳的管道布置形式,确保发电机组的安全稳定运行.

参 考 文 献

[1] 刘 学,王忠会,石 磊,李 星．超临界直接空冷排汽管道系统内流场的数值模拟[J]．汽轮机技术,2008,50(6):428-430.

[2] 周振起,赵 海.直接空冷机组排汽管道内加装导流片的流场的数值模拟[J].流体机械,2011,39(9):82-85.

[3] 韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004:201-235.