长距离超高压供热管道瞬态特性CFD分析应用

曹绛敏, 张姣阳, 韩 筱

(上海电力学院 能源与机械工程学院,上海 200090)



长距离超高压供热管道瞬态特性CFD分析应用

曹绛敏, 张姣阳, 韩 筱

(上海电力学院 能源与机械工程学院,上海 200090)

利用国内外较为流行的Ansys Fluent软件,结合现有供热管道试验的模型修正,实现了长距离超高压蒸汽管道瞬态变化过程的计算流体动力学(CFD)数值模拟.计算结果表明:根据模型修正后所作的优化计算,φ508外径的钢管可满足事故处理与时间要求.事故处理时,进口流量在原有流量基础上连续上升70～80 s超过事故所需流量的10%,稳定一段时间再下降并维持所需的事故流量,可将出口流量达到时间可靠地控制在180 s内,并且管道进口处的供汽汽压低于12 MPa,完全可以满足热用户的事故处理要求.

计算流体动力学; 长距离供热管道; 瞬态特性; 非稳态数值计算; 变化响应时间

工业供热时的蒸汽参数变化,对一般的热用户企业而言,在一定范围波动即可满足要求,并且对变化的响应时间也不是十分敏感.但有个别生产企业,因其生产工艺所需,在某些特殊工况下,不但需要大幅度增加供热蒸汽量,而且对响应时间也有严格要求,因此设计这类供热管道时就必须针对用户特殊要求进行计算选择,确定管道参数和投入运行后的控制模式.

对于有变化时间响应要求的蒸汽流动计算问题,显然常规的流体力学稳态解析计算难以胜任,而计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)是在经典流体力学、数值计算方法和计算机技术的基础上,研究流体力学诸方程的数值解法,并且用数值方法模拟真实流体的流动现象,不但可以得到稳态流动中的详细流场信息,而且也能分析流体随时间变化的状态过程.目前,CFD在管道内介质流动分析中的应用越来越广泛.

1 计算背景

某火电厂规划建设一条长距离超高压供汽管道,预计管道总当量长度5 200 m,终端热用户对供热蒸汽要求如下.

(1) 正常运行供汽参数 出口端汽压不高于9.3 MPa,温度为315 ℃,流量为150 t/h.

(2) 故障处理供汽参数 出口汽压不高于9.1 MPa,温度为315 ℃,流量为410 t/h,并且从正常运行流量增加到故障状态流量的时间不大于180 s.

由于不太了解供汽管道出口端后的用户管网、设备情况,因而在建立CFD数值计算模型后,将该模型用于类似供热管道的CFD计算,并与实际运行数据进行对比验证.之后进行规划供热管道的CFD计算,以确定进口端供汽参数和管道口径.并在不同供汽控制条件下进行方案的优化比较,给出能满足供需双方各自要求的参数数据,作为工程设计参考依据.

2 验证试验

为验证CFD计算模型的可信度,预先在已投运的类似供汽参数(9.5～9.8 MPa,340±10 ℃)的蒸汽管道上进行了小幅度流量变化试验,所得试验数据作为CFD结果的对比依据.

试验是在原供汽流量80 t/h的基础上,分阶段增加流量,240 s内增加流量约30 t/h,维持10 min后减少至原流量,记录试验过程.

为减少计算工作量,同时考虑所要求的也仅是供汽管道在流量突增状况下的瞬态特性,因此截取试验数据中的流量上升阶段作为CFD计算验证范围,将流量、汽压数据绘成曲线,如图1和图2所示.

图1 试验阶段流量上升曲线

图2 试验阶段汽压变化曲线

由图1和图2可以看出,当进出口汽压较为平稳时,进出口流量并不一致,这与流体的连续性原则不相符,说明进出口的流量测量存在一定偏差,因此必须对此数据进行适当的修正,才可作为CFD计算的验证依据.

根据数据曲线和实际运行仪表偏差情况修正后的流量曲线如图3所示.此外,根据修正后进出口流量偏差和进出口汽压的对应波动,表明用户侧的蒸汽流量随着生产状况而变化,因而在CFD计算时,供汽管道模型的出口汽压也需随之变化.

图3 修正后的流量曲线

3 数值计算

3.1 计算方法

(1) 规划供热管道的口径、壁厚等相关计算和取值按文献[1]中的规定执行.

(2) 流动问题数值求解的理论及控制方程见文献[2].

(3) 规划供热管道的CFD计算使用ANSYS inc.公司的Fluent 14.5软件,采用标准k-ε湍流计算模型.另外,对流项选择二阶迎风格式,采用SIMPLE-C算法求解汽压-速度耦合.管道内壁面设为无滑移条件,近壁区采用标准的壁面函数法.[3-4]

3.2 计算模型

(1) 蒸汽管道当量长度为8 000 m;

(2) 蒸汽管道计算内径分别为356 mm,438 mm,428 mm;

(3) 流量进口观察截面为500 m;

(4) 流量出口观察截面分别为4 000 m,5 700 m;

(5) 有效计算长度验证时为3 500 m,计算时为5 200 m.

3.3 边界条件

(1) 进口 UDF(用户自定义函数)下的流量进口边界,按图3中的进口流量曲线拟合;

(2) 出口 UDF下的汽压出口边界,按图3中的出口汽压曲线拟合,并考虑计算管道段的后续设备等状况进行修正.

4 验证计算结果

进口流量与试验数据的曲线比较如图4所示.

图4 数值计算的进口流量与试验数据的比较

图4中,进口流量试验数据曲线仅表示UDF对进口试验数据的拟合程度,并非数值计算的结果.同样,UDF的管道出口汽压也需要与试验数据吻合,才能使数值计算结果与试验数据具有可比性,从而验证CFD模型的正确与否.

最终,通过计算模型的调整和UDF的修正,CFD计算的结果与试验数据得以较好地吻合,使该模型用于规划管道的计算进一步具备了可信度.

调整模型与修正UDF后,CFD计算的管道出口流量与试验数据曲线的比较如图5所示.进、出口汽压的数值计算与试验数据曲线的比较如图6所示.

图5 数值计算的出口流量与试验数据的比较

图6 数值计算的进出口汽压与试验数据的比较

5 规划管道计算

5.1 管道稳态参数计算

按照用户要求,规划建设的长距离超高压供汽管道预计总当量长度为5 200 m,给定的设计数据如表1所示.

上述供汽管道的管径、壁厚等,按《火力发电厂汽水管道设计技术规定(DL/T5054—1996)》进行计算与取值,并根据用户要求,CFD计算时采用两种电厂常用管道材料下的壁厚.管道管径、壁厚选择数据见表2.

表1 超高压供汽管道设计参数

表2 超高压供汽管道管径及壁厚等参数

5.2 管道瞬态特性的CFD计算

根据表1和表2给定数据,对多种管径和壁厚,以及不同进口流量控制方式进行CFD数值模拟,鉴于篇幅不一一列举,仅将φ508×40管道中不同长度截面处(0～8 km)的计算结果列出,如图7所示.

图7 φ508×40管道(20G)数值计算数据曲线

进口流量UDF设定的控制方式如下:故障处理发生时,进口流量在150 t/h基础上连续上升75 s,至450 t/h稳定40 s,再下降至410 t/h.

计算结果表明,出口流量达到要求指标的滞后时间在140 s左右,短于热用户事故处理流量的到达时间要求.

6 结 论

(1) 长距离超高压蒸汽管道的CFD计算,要考虑管段进出口截面前后的影响因素,尤其是出口段以后的流动阻力情况,最好能有类似状况的管道运行数据做对比,用以修正数值计算模型;

(2) 本文案例中,使用φ508外径的20G碳钢管或12Cr1MoV合金钢管均可保证在事故流量时,规划管道进口处的供汽汽压低于12 MPa,满足电厂最低工况下的供汽汽压范围;

(3) 规划管道在事故供汽时,进口流量可在150 t/h基础上连续上升70～80 s,超过事故所需流量的10%左右,稳定30～40 s后再下降并维持所需事故流量,此调节过程能将出口流量达到410 t/h的时间可靠地控制在180 s内,完全可以满足热用户的事故处理要求.

[1] 中华人民共和国电力工业部.DL/T5054—1996 火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].北京:中国电力出版社,1996:13-18.

[2] 郭宽良,陈志坚,李昌烽,等.高等传热和流动问题的数值计算[M].镇江:江苏大学出版社,2012:48-66.

[3] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学大学出版社,2004:210-237.

[4] 韩占忠,王敬,兰小平.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,2004:228-249.

(编辑 桂金星)

CFD Analysis and Application of Transient Properties on Long-distance Ultra-high-pressure Heating Pipelines

CAO Jiangmin, ZHANG Jiaoyang, HAN Xiao

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

By means of the Ansys Pluent Software which is relatively well accepted both at home and abroad,in combination of the existing heating pipelines revised model,the CFD numerical computation of transient characteristics of ultra-high-pressure long distance steam pipelines is realized.Our optimization computation with the corrected model indicates that φ508 steel pipe can meet the flow rate and time expectations of accident handling.In the case of an accident where inlet flow needs to increase continuously for 70 to 80 seconds,peaks at 10% more than the desired flow rate for accident handling for a while,then decreases to and maintains at the needed flow rate.This pipe can reliably provide the desired outlet flow within 180 seconds,while keeping the steam pressure at inlet under 12 Mpa.The performance of this pipe is sufficient for heat users′ requirements to handle such accidents.

computational fluid dynamics; long-distance heating pipeline; transient property; non-steady-state numerical calculation; response time to parameter changes

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.004

2015-03-23

简介：曹绛敏(1956-),男,高级工程师,上海人.主要研究方向为电厂节能工程.E-mail:caojiangmin@shiep.edu.cn.

TU995.3

A

1006-4729(2016)05-0428-05