低温省煤器入口联箱工质流动分析

张立栋，杨 梓，李伟伟，武 超，于婷俐，邵天成（.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 0；.华能巢湖发电有限责任公司，安徽巢湖 80；.国电双鸭山发电有限公司，黑龙江双鸭山 6；.国电哈尔滨平南热电厂，黑龙江哈尔滨 0066；.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 6006）



低温省煤器入口联箱工质流动分析

张立栋1，杨 梓1，李伟伟2，武 超3，于婷俐4，邵天成5
（1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林 132012；2.华能巢湖发电有限责任公司，安徽巢湖 238015；3.国电双鸭山发电有限公司，黑龙江双鸭山 155136；4.国电哈尔滨平南热电厂，黑龙江哈尔滨 150066；5.烟台龙源电力技术股份有限公司，山东烟台 264006）

摘 要：不同结构来流管对联箱内工质流动影响较大，对运行经济性及设备安全意义重大。利用Fluent软件对直管来流与弯管来流的流动对联箱内部流动的影响进行研究，在不同入口工况0.60，0.66，0.72，0.78 m/s下，采用k－ε RNG湍流模型，对比联箱中心截面速度分布，根据各支管平均出口速度Vi、支管压降Δpi分布和轴线X方向分速度Vx大小进行分析。结果表明，弯管来流的流动较为单一，主流冲击联箱壁面情况较少，在不同的工况下，弯管来流的支管速度不均匀性仅为直管的44%左右，采用弯管来流能够明显提高联箱流量分配的效果。

关键词：联箱；流动；不均匀性；压降；数值模拟

0　引言

联箱是工业过程中的常用设备，也是压力容器的一种，主要用于汇聚和分配工质，其内部流动状态决定汇聚的效果和分配的均匀程度。它在火电站锅炉的过热器、尾部省煤器、脱硫后低温省煤器等都有应用［1］，而实际使用中由于联箱实际运行效果难以达到理想状态，导致诸多问题，如换热效率下降、联箱应力不均、焊缝裂纹等［2］。目前关于联箱在电站应用的研究较多，如朱玉琴等［3］在对超临界压力水冷壁联箱的流量分配研究中，提出了水冷壁联箱流量分配不均直接影响电站锅炉运行安全的观点；郭文仙等［4］在研究联箱内气液两相流动时发现，在一定的工况下多孔板能够提高出口气相分配均匀性；庞力平等［5］关于联箱并联引入方式下支管流量分配问题提出一种流量分配方法，同时在对于汽包锅炉过热器顶棚爆管的机构优化研究中发现，过热器联箱流量分配不均直接导致过热器管道频繁爆管［6］。关于联箱结构优化的相关研究中，采用改动支管位置的较多，但由于来流管道引起的内部流动特性更加明显，对来流管进行研究的较少。Gandhi等［7］研究蒸汽联箱中蒸汽流动与其压力分布的关系，得出出口管径、数量及出口管的位置等，对联箱内的流量及压力分布产生重要影响的结论。核电站中高温气冷堆应用联箱作为分配热气及进行高低温气体的混合的重要部件，以达高效的热量传递［8］，曲新鹤等［9］对并联管组换热器分配联箱和汇流联箱进行分析，得出截面比对流量分配均匀程度影响明显的结论。

低温省煤器的联箱结构决定省煤器管内的流量分配，省煤器内不同位置的管内流量差异较大。在实际运行中发现，烟气经低温省煤器后，其温度分布不均性的情况较为突出，靠近中心位置的烟气温度较高，而靠近烟道壁面位置的烟气温度较低；但联箱流量分配与温度分布并不对应，存在低温省煤器局部区域烟气温度较高、但支管内流量较低的现象，此类问题导致在经过烟气换热之后各支管的出口工质温度存在较大的差异，严重制约换热器的整体换热效果，造成出口烟气温度较高，运行经济性较差。同时长期运行时，部分流速较低位置的支管易发生严重的氧腐蚀，影响安全运行。

本文对电站低温省煤器入口联箱弯管与直管两种入口结构进行比较，对比分析联箱内不同位置的速度分布，并定量计算速度不均匀性，进而分析联箱入口结构形式对联箱内工质流动的影响。

1　物理模型与数值方案

研究对象为与某300 MW四角切圆锅炉配套使用的低温省煤器入口联箱，其结构如图1所示。箱体管径219 mm，两排支管管束对称布置，管径38 mm，间距90 mm，单侧22根，垂直间距95.5 mm；直管管径与联箱管径相同，垂直布置，高度2172 mm。直管段长度165 mm；弯管角度90°，弯曲半径100 mm。

图1　联箱结构示意

联箱网格如图2所示。联箱内的流动十分复杂，对网格要求较高，将整个结构分为3个部分，分别对入口管与出口支管的部分进行局部加密，合理减少计算量，提高计算精度［10－11］，并采用非结构化四面体网格，以适应结构变化。

图2　网格示意

采用加权平均数的形式对出口支管的速度分布离散程度进行量化，得出速度不均匀性，并用其进行网格无关性验证。速度不均匀性公式为：式中 λ——速度不均匀性

i——支管数

vi——i支管的速度，m/s

vp——测点平均速度，m/s

图3中，当网格数量达到6.7×105之后，速度不均匀性基本处于稳定，考虑计算效率，选取网格数为6.7×105。低温省煤器运行时根据实际需求进行负荷调整，设置不同入口速度进行分析，工况见表1。

图3　不同网格数下的不均匀性变化

表1　模拟方案

入口采用速度入口，出口采用压力出口，工质温度恒定为369.68 K，计算采用SIMPLE算法，二阶精度，湍流模型选取精度较高的k－ε RNG型。

2　结果分析

2.1 弯管来流与直管来流速度对比

来流方向对联箱内部流动影响较大，直管来流的联箱，y＝0截面速度分布如图4所示。在入口处来流直接冲击该位置对应联箱内壁，再向联箱中段流动，联箱的两端存在明显的涡流，在工质向中部流动的过程中，联箱上部壁面区域出现较大涡流，在向中部区域流动过程中，流动逐渐转向，从与支管方向一致逐渐转向、直至在中部与支管方向垂直。在速度分布上，由于涡流的存在，联箱两端和联箱上部壁面区域的流速明显较低，工质流入联箱之后冲击壁面同时沿两侧管壁向上流动，但由于两侧支管是中间轴线对称布置，轴线位置没有支管，导致来流对应的联箱下侧管壁出现低速区。工质受联箱结构的影响进入联箱后开始转向，转向过程中出现明显的速度分界面，分界面上下的流向相反，底部由入口流向，中间区域，分界面上部，流动方向与下部相反。由于惯性作用，靠近分界面附近的主流速度较高。速度衰减较快，速度分界面在17，28支管与27，28支管附近结束。

图4　直管y＝0截面处速度分布

弯管来流的联箱内工质流动明显区别于直管，其y＝0截面的速度分布如图5所示。工质流过弯管之后，由于在弯管内的转向好于直管，产生的涡流较少，两端无涡流产生，流动冲击壁面时，由于倾斜冲击，产生的涡流也较少，联箱管壁上部区域的低速区面积减少，速度从入口沿联箱下壁面向中间区域逐渐衰减，由于转向产生的流速较高区域位置明显区别于直管，发生在联箱下壁面。在流动转向过程中没有平滑的速度分界面，速度向上传递较多。中间区域速度衰减低于直管，速度分界面在支管19，20与支管25，26附近结束。

图5　弯管y＝0截面处速度分布

入口速度为0.66 m/s时，支管的平均速度分布如图6所示（图中，Z为支管来流，W为弯管）。直管来流的支管出口速度分布较为分散，沿轴线分布呈现W状，支管10，11和29，30附近虽然该位置的速度在整个联箱内较高，但由于流向基本沿轴向，而x方向上的速度较低，导致进入该位置支管的工质速度最低。弯管来流的联箱出口支管的平均速度沿轴向分布较为均匀，中间部分速度较高。

图6　支管速度轴向分布

2.2 弯管来流与直管来流对支管压差影响

由于联箱支管并非均匀布置，相同的入口压力下，经过不同的衰减，导致在中间位置两侧，各支管的压力关于中间线不对称，忽略对侧的流动对一侧支管压力的影响，各支管与对应侧入口的压差可以表示为：当i为1～22时：当i为23～44时，则：式中 i——支管数

Δpi——各侧来流管截面与支管的出口截

面平均压力的差值，Pa

pl，pr——左侧及右侧来流管的入口平均压

力，Pa

支管压差反映了各位置支管的流动阻力和射流的压力，以及在两侧由于布置不均引起的流动差异大小。以入口速度0.66 m/s为例，研究各支管的压差分布如图7所示（图中，Z为直管，W为弯管）。直管来流的压力较为分散，且在靠近两端的位置明显较低，整个支管压差分布区间较大，在450～900 Pa范围之间；联箱内的流动，支管出口压力分布均匀度较低，联箱内的流动较为不均；而弯管来流的压差有所波动，但较为集中，各支管的压差分布在700～800 Pa之间。

图7　支管压差分布

2.3 支管流量差异分析

分析在流量分配过程中各支管的差异，其原因为内部的流动状态不同，具有分配性质的流动设备中，内部工质的流动方向对分配的效果影响较大，但在联箱内流动较为复杂，涡流较多，在多数情况下工质并非直接流入支管，而是经过多次转向，最终流向与支管方向一致，流入支管内部。

图8，9示出联箱Z方向轴线位置X方向分速度Vx变化趋势。

图8　不同工况下直管来流轴线X方向分速度Vx变化趋势

图8示出在不同工况下直管来流轴线X方向分速度Vx变化趋势，可以看出波动较大。由于直管来流位置并非从端部，在两端位置的流动主要为涡流，向上卷席，导致Vx较大，在0.2～0.5 m以及1.7～2.0 m处Vx明显较低，该位置的主要流动为工质进入联箱，但出现上凸的趋势，主要是因为流动的冲击内壁反弹导致工质向上流动，在其他位置Vx大小基本处于0 m/s左右，且随不同的入口工况、出现不同分布，主要原因为：在不同工况下，充满度不同，导致在联箱内部的主流形状有所改变，主流进入联箱后，冲击壁面折返，位置发生改变，导致后续流动变化，以及不同的充满度导致在联箱内的压力梯度发生改变。

图9示出在不同工况下弯管来流轴线X方向分速度Vx变化趋势。弯管来流的两端Vx，在两端弯管作用，使工质流向斜向中部，在轴线的多数位置Vx大小在－0.1～0 m/s波动，不同工况下的中间1.0 m位置附近发生的波动较大，其主要原因是弯管减少了内部的涡流，流动朝向较为集中，朝向中间位置，不同速度的动量大小不同，主流在中间位置发生的碰撞混合程度差别较大，总体分布较为集中。

图10为不同截面处联箱速度分布云图。可以看出，在靠近支管壁面位置直管来流的联箱速度分布较为明显，在主流衰减之后，多数位置的速度高于0.60 m/s的区域靠近壁面，且由于惯性，均集中在联箱下部，在弯管来流的联箱内，无明显的流动贴壁现象。而靠近壁面区域的流动较高、引起流动阻力较大，且速度衰减加快，进出口压力差增大。

图9　不同工况下弯管来流轴线X方向分速度Vx变化趋势

图10　联箱内部不同垂直截面速度分布

在不同入口工况下，支管出口速度不均匀性如图11所示。直管与弯管来流的支管速度均匀性存在明显差异，直管来流的速度不均匀程度明显大于弯管，且随入口工况的不同，波动程度较大，弯管来流的联箱支管速度分布较为均匀，在各工况的出口，各支管速度不均匀性平均值仅为0.048，约为直管来流的44.6%。其流动较为均匀，在实际使用中能够明显减少不同支管之间的换热不均，减少管道氧化程度，提高设备的安全和运行经济性。

图11　不同来流方式支管速度不均匀性变化

3　结论

对不同来流方式的联箱内部流动进行研究，通过对比联箱内不同位置的速度分布以及出口压差等，得出如下结论：

（1）直管来流的联箱支管内的流动较为紊乱，工质存在明显的冲击联箱壁面现象；弯管来流的联箱内部流动较为顺畅，轴线的X方向的速度明显较为集中；

（2）直管来流的联箱各出口支管的阻力差别较大；

（3）弯管来流的各支管速度不均匀性明显低于直管，约为直管的44.6%。

参考文献：

［1］ Zhu Xiaojing，Wang Weishu，Xu Weihui.A study of the hydrodynamic characteristics of a vertical water wall in a 2953 t/h ultra－supercritical pressure boiler［J］.In-ternational Journal of Heat and Mass Transfer，2015，86：404－414.

［2］ 陈一平，于鹏峰，吕当振，等.600 MW机组超临界“W”火焰锅炉水冷壁联箱管座角焊缝裂纹分析与对策［J］.锅炉制造，2015（1）：15－18.

［3］ 朱玉琴，李迓红，毕勤成，等.超临界直流锅炉变压运行下水冷壁中间分配集箱的流量分配特性［J］.动力工程，2007，27（5）：663－666.

［4］ 郭文仙，陈颖，莫松平.带多孔隔板的多支管联箱内两相流流动的数值分析［J］.热科学与技术，2014，13（1）：40－45.

［5］ 庞力平，孙保民，王波，等.径向引入方式下联箱并联分支管中两相流流量分配计算［J］.化工学报，2009，60（12）：3006－3011.

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［7］ Gandhi M S，Ganguli A A，Joshi J B，et al.CFD simu-lation for steam distribution in header and tube assem-blies［J］.Chemical Engineering Research and Design，2012，90（4）：487－506.

［8］ 王金华，薄涵亮，姜胜耀，等.高温气冷堆热气联箱内部流场数值模拟［J］.原子能科学技术，2006，40（3）：262－266.

［9］ 曲新鹤，孙中宁，丁铭.联箱匹配对U型布置并联管组换热器流量分配影响研究［J］.原子能科学技术，2015，49（4）：623－627.

［10］ 耿伟轩，张红，陶汉中，等.管板间隙对管壳式换热器流动与传热的影响研究［J］.压力容器，2012，29（5）：10－14.

［11］ 林棋，娄晨.基于差压式孔板流量计的缩径管段流场数值研究［J］.压力容器，2014，31（2）：29 －37.

修稿日期：2015－10－14

Analysis on Flow in Influent Header of Low-temperature Economizer

ZHANG Li－dong1，YANG Zi1，LI Wei－wei2，WU Chao3，YU Ting－li4，SHAO Tian－cheng5（1.Institute of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China；2.Hua-neng Chaohu Power Generation Co.，Ltd.，Chaohu 238015，China；3.Shuangyashan Generating Power Co.，Ltd.，Shuangyashan 155136，China；4.Guodian Harbin Pingnan Thermal Power Generation Co.，Ltd.，Harbin 150066，China；5.Yantai Longyuan Power Technology Co.，Ltd.，Yantai 264006，China）

Abstract：The structure of inlet pipe has a great influence on the flow inside the header，which could cause an economy and safety drop of the whole equipment.The Fluent software was used to study headers of vertical inlet and curved inlet pipes，with the different flow rates of 0.60 m/s、0.66 m/s、0.72 m/s and 0.78 m/s set and the turbulence model of k－ε RNG was used.By studying the distributions differences of velocity in centre section，average outlet velocities of branch pipes Vi，pressure drop Δpiand the velocity along axis X Vx.The conclusion was made that flow in the header of vertical inlet was more complicated，and the flow impacted against the wall more.All of flow rates，branch pipe velocity nonuniformity of verti-cal was only 44%of the curved，it could better the flow rate distribution of the header.

Key words：header；flow；nonuniformity；pressure drop；numerical simulation

通讯作者：李伟伟（1993－），男，研究方向为流场结构优化，

作者简介：张立栋（1980－），男，博士，副教授，研究方向为流体管内流动，

通信地址：132012吉林省吉林市东北电力大学能源与动力工程学院，E－mail：nedu1015＠aliyun.com。 238015安徽省巢湖市华能巢湖电厂，E－mail：623793829＠qq.com。

收稿日期：2015－07－23

基金项目：吉林省科技发展计划项目（20140204049SF）

doi：10.3969/j.issn.1001－4837.2015.10.005

文章编号：1001－4837（2015）10－0030－07

文献标志码：A

中图分类号：TH49；TK229.6