电站锅炉过热器和再热器T型三通对集箱静压分布影响的试验研究

曾宪钰+袁益超+徐国鹏+闫绍兵

摘要：为了获得过热器和再热器T型三通对集箱静压分布及三通两侧分流比对涡流区和集箱静压分布的影响规律，以空气为工质对纯三通模型进行流动特性试验.研究结果表明：带三通集箱静压分布受一次涡流和二次涡流的共同影响，一次涡流影响范围为-2.5D～2.5D（D为等径三通内径），二次涡流影响范围为-1.5D～1.5D；三通两侧分流比对涡流区范围影响较小；随着三通某侧流量增大，该侧静压降低，但静压分布规律无明显变化.在一次涡流影响范围内，正母线和右下40°线的静压差异受分流比的变化影响较小；侧母线的静压差异随分流比的增大而有所增大.

关键词：T型三通； 集箱； 静压分布； 涡流区

中图分类号： TK 223 文献标志码： A

Abstract：Abstract： Experimental study on the flow characteristics of Tjoint model using air as working fluid were conducted to get the influence of Tjoint on the static pressure distribution in the header of boiler superheater and reheater as well as the influence of split ratio on the both sides of Tjoint on the vortex zone and static pressure distribution. The results showed that the static pressure distribution in Tjoint was affected by the first vortex and second vortex. The range affected by the first vortex was from -2.5 to 2.5 times inner diameter of Tjoint. The range affected by the second vortex was from -1.5 to 1.5 times inner diameter of Tjoint. The split ratio on both sides of Tjoint had little effect on the range of vortex. As the flow rate increased on one side of Tjoint，the static pressure on this side decreased. However，there was no significant changes of static pressure distribution. In the range affected by the first vortex，the split ratio had little impact on the static pressure difference at the position of positive generatrix and at lower right line of 40 degrees，while the static pressure difference at the position of side generatrix increased with the rising of split ratio.

Keywords：Tjoint； header； static pressure distribution； vortex

随着电站锅炉向大容量高参数发展，过热器和再热器系统更加复杂，其受热面超温爆管的问题更需重视.目前大容量电站锅炉过热器和再热器的蒸汽引入、引出管多采用T型三通结构，由集箱径向引入、引出.因为在集箱上采用多点径向引入、引出方式，与单点轴向引入、引出方式相比而言，可以降低集箱中工质流速，使静压变化减小，从而减小流量偏差.但该方式也存在问题：在分配集箱T型进口三通附近的蒸汽流中存在涡流区，使得该区域管屏中蒸汽流量偏小，如果这部分管屏的烟气侧热负荷较高，就很容易发生超温爆管[1]，严重影响锅炉机组运行的安全性.

针对蒸汽径向引入、引出“三通效应”问题，国内外学者做了大量研究.Pollard等[2]对分流三通湍流情况进行三维数值模拟计算，证实了三通附近涡流区的存在，并且该区域还存在二次涡流.匡江红等[3]利用数值模拟的方法，研究三通集箱系统静压分布规律，得出在分配集箱进口三通两侧存在2个涡流区，正对三通中心线的支管处静压最高，远离三通区域静压分布规律与轴向引入、引出方式的基本一致.卫飞飞等[4]基于SIMPLEC方法编制了相应的计算程序，并与试验结果相比较，得出进口三通两侧存在2个涡流区，使得管屏流量减小；涡流区的影响范围与匡江红等[3]的研究结果一致.刘进等[5]针对大容量电站锅炉中过热器和再热器集箱的径向引入、引出三通结构进行了数值模拟，结果表明：三通效应在正母线、侧母线方向体现出不同的特征，主要原因是在三通区域存在3个明显的回流区，其共同作用决定了三通效应的影响模式.陆方等[6]对集箱三通区域的蒸汽在复杂流动工况下产生的涡流进行了冷态模化试验，发现了集箱三通区域静压分布的影响因素，并得到了一些经验公式用于计算三通区域的压力分布.罗永浩等[7]就T型进口三通对分配集箱流量分配的影响进行了试验及计算分析，得出三通涡流区对集箱静压分布及支管入口阻力系数的影响规律.从以上研究来看，针对过热器和再热器带三通集箱两侧分流比对涡流区和集箱静压分布影响规律的研究较少.在锅炉设计及实际运行时，过热器和再热器带三通集箱两侧流量不会严格按照1∶1的比例进行分配.因此，本文将利用模化试验的方法研究过热器和再热器带三通集箱两侧分流比对涡流区和集箱静压分布的影响规律，为改善采用三通引入、引出的过热器和再热器受热面超温爆管问题提供可靠的技术依据.

1 模化试验

1.1 模化试验台

采用空气代替实际高温高压蒸汽进行带三通集箱流动特性试验.试验台如图1所示，空气由鼓风机从外界环境引入，流经纯三通模型后由左、右两侧出风道排出.三通两侧分流比R（左侧流量与右侧流量之比）由左、右两侧出风道上的调风挡板调节.纯三通模型为200 mm等径三通，由有机玻璃加工而成，压力测点分别布置在正母线、侧母线及右下40°线上.以往研究成果[5-6]表明，涡流区的影响范围为±（2～3）D（D为等径三通内径）.为更好地研究R对集箱内静压分布的影响规律，本试验压力测点覆盖范围为-4D～4D.由精度为0.075 9%的EJA110A型差压变送器测量各点与大气的压差，差压变送器输出的4～20 mA电流信号经ADAM4018模块转换后，由计算机采集.

1.2 试验数据处理方法

为达到通用性的目的，对模化试验数据进行无量纲化与准则数化处理，将集箱内压力变化规律用欧拉数Eu表示，各测点沿集箱长度方向位置用无量纲长度L/D表示，其中L为集箱上各测点所在截面与径向引入管轴线之间的距离.

2 试验结果分析

在流体流动过程中，当Re大于某一数值（第二临界值）时，流速分布彼此相似，与Re无关，常将此范围称为第二自模区.根据过热器和再热器的设计参数，其过热蒸汽的流动状态已处于第二自模区.因此，只要试验工况进入第二自模区，试验结果就能反映实炉工况.为获得流体流动进入第二自模区的临界Re，分别在三通进口Re为5.66×105、6.67×105、8.49×105和8.81×105时进行试验，结果表明：当Re>6.67×105时，正母线、侧母线及右下40°线上各测点Eu基本不变，表明此时流动已进入第二自模区.本文试验工况三通进口Re选取7.93×105.

2.1 三通静压分布

图2为R=1∶1时三通静压分布.由图中可以看出：

（1） 在正对三通引入管区域，即L/D=-0.5～0.5区域，由于气流滞止作用，正母线和右下40°线Eu最大.在L/D=-0.5～-1.5和L/D=0.5～1.5区域，正母线Eu快速减小，并在L/D为±1.5左右时达到最小值.主要原因是：引入管引入的气流在转弯分流时，由于气流惯性影响，当气流流动方向发生改变时，在黏性力和剪切力共同作用下导致气流分层，分层后的气流在靠近径向引入管与集箱交接处流动损失较大，而靠近三通中央区域流体流动损失较小，径向引入管与集箱交接处静压要低于三通中央区域静压，从而形成了一次涡流；涡流区占据了集箱的部分流通面积，使得由径向引入管引入的气流在转弯分流时流通面积减小，导致流速增高，静压下降.在L/D =-1.5～-2.5和L/D =1.5～2.5区域，Eu逐渐升高.由此可见，一次涡流影响范围为L/D=-2.5～2.5.

（2） 侧母线的最低静压低于正母线的最低静压，并且最低静压点的位置更靠近引入管中心线.这是由于沿圆周壁面由正母线到侧母线的压力梯度形成的二次涡流引起的.由于二次涡流的影响，在L/D =-1.5～1.5区域，与集箱轴线垂直的截面上圆周方向各点静压有很大差异，正母线最高，右下40°线次之，侧母线最低；在L/D=±1.25左右正母线和右下40°线Eu差异不明显但仍然高于侧母线；在L/D=±1.5左右时，正母线、侧母线及右下40°线Eu基本一致.由此可见，二次涡流的影响范围为L/D=-1.5～1.5.

2.2 R对三通静压分布的影响

图2（a）、2（b）、2（c）给出了R分别为1∶1、1∶1.25、1∶1.5时三通静压分布.从图中可以看出，在R变化时，一次涡流影响范围为L/D=-2.5～2.5，二次涡流影响范围为L/D=-1.5～1.5，说明R对涡流区范围影响不大.

图3分别为R=1∶1、1∶1.25、1∶1.5时集箱轴向静压分布.从图中可以看出：随着三通右侧流量增大，该侧静压降低，但静压分布规律无明显变化；在涡流区影响范围（L/D=-2.5～2.5）内，正母线和右下40°线的静压差异受分流比的变化影响较小；侧母线的静压差异随分流比的增大而有所增大.

3 结 论

（1） 带三通集箱静压分布受一次涡流和二次涡流的共同影响.在正对三通引入管区域静压最高，远离三通区域静压分布规律与轴向引入、引出方式的基本一致.根据本文试验结果，一次涡流影响范围为L/D=-2.5～2.5，二次涡流影响范围为L/D=-1.5～1.5.

（2） 三通两侧分流比R对涡流区范围影响较小；随着三通某侧流量增大，该侧静压降低，但静压分布规律无明显变化.

（3） 在一次涡流影响范围（L/D=-2.5～2.5）内，正母线和右下40°线的静压差异受分流比的变化影响较小；侧母线的静压差异随分流比的增大而有所增大.

参考文献：

[1] 罗永浩.管组集箱采用三通结构引入引出对锅炉再热器热偏差的影响[J].锅炉技术，1996（7）：12-15.

[2] POLLARD A，SPALDING D B.The prediction of the threedimensional turbulent flow field in a flowsplitting teejunction[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，1978，13（3）：293-306.

[3] 匡江红，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉过热器、再热器集箱静压分布的数值研究[J].动力工程，2004，24（2）：166-169.

[4] 卫飞飞，缪正清，黄荣国，等.带三通锅炉集箱的数值模拟和实验研究[J].锅炉技术，2010，41（6）：19-22.

[5] 刘进，刘平元，陈朝松，等.电站锅炉三通集箱系统流量分配的数值模拟[J].动力工程，2009，29（6）：528-533.

[6] 陆方，王孟浩，李道林，等.大容量电站锅炉过热器、再热器带三通集箱流量分布试验研究[J].动力工程，1996，16（3）：13-19.

[7] 罗永浩，杨世铭，王孟浩.T型进口三通对分配集箱流量分配的影响[J].动力工程，1998，18（3）：29-33.