電站鍋爐過熱器和再熱器T型三通對集箱靜壓分布影響的試驗研究

曾憲鈺+袁益超+徐國鵬+閆紹兵

摘要：為了獲得過熱器和再熱器T型三通對集箱靜壓分布及三通兩側分流比對渦流區和集箱靜壓分布的影響規律，以空氣為工質對純三通模型進行流動特性試驗.研究結果表明：帶三通集箱靜壓分布受一次渦流和二次渦流的共同影響，一次渦流影響范圍為-2.5D～2.5D（D為等徑三通內徑），二次渦流影響范圍為-1.5D～1.5D；三通兩側分流比對渦流區范圍影響較小；隨著三通某側流量增大，該側靜壓降低，但靜壓分布規律無明顯變化.在一次渦流影響范圍內，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較小；側母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

關鍵詞：T型三通； 集箱； 靜壓分布； 渦流區

中圖分類號： TK 223 文獻標志碼： 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

隨著電站鍋爐向大容量高參數發展，過熱器和再熱器系統更加復雜，其受熱面超溫爆管的問題更需重視.目前大容量電站鍋爐過熱器和再熱器的蒸汽引入、引出管多采用T型三通結構，由集箱徑向引入、引出.因為在集箱上采用多點徑向引入、引出方式，與單點軸向引入、引出方式相比而言，可以降低集箱中工質流速，使靜壓變化減小，從而減小流量偏差.但該方式也存在問題：在分配集箱T型進口三通附近的蒸汽流中存在渦流區，使得該區域管屏中蒸汽流量偏小，如果這部分管屏的煙氣側熱負荷較高，就很容易發生超溫爆管[1]，嚴重影響鍋爐機組運行的安全性.

針對蒸汽徑向引入、引出“三通效應”問題，國內外學者做了大量研究.Pollard等[2]對分流三通湍流情況進行三維數值模擬計算，證實了三通附近渦流區的存在，并且該區域還存在二次渦流.匡江紅等[3]利用數值模擬的方法，研究三通集箱系統靜壓分布規律，得出在分配集箱進口三通兩側存在2個渦流區，正對三通中心線的支管處靜壓最高，遠離三通區域靜壓分布規律與軸向引入、引出方式的基本一致.衛飛飛等[4]基于SIMPLEC方法編制了相應的計算程序，并與試驗結果相比較，得出進口三通兩側存在2個渦流區，使得管屏流量減小；渦流區的影響范圍與匡江紅等[3]的研究結果一致.劉進等[5]針對大容量電站鍋爐中過熱器和再熱器集箱的徑向引入、引出三通結構進行了數值模擬，結果表明：三通效應在正母線、側母線方向體現出不同的特征，主要原因是在三通區域存在3個明顯的回流區，其共同作用決定了三通效應的影響模式.陸方等[6]對集箱三通區域的蒸汽在復雜流動工況下產生的渦流進行了冷態模化試驗，發現了集箱三通區域靜壓分布的影響因素，并得到了一些經驗公式用于計算三通區域的壓力分布.羅永浩等[7]就T型進口三通對分配集箱流量分配的影響進行了試驗及計算分析，得出三通渦流區對集箱靜壓分布及支管入口阻力系數的影響規律.從以上研究來看，針對過熱器和再熱器帶三通集箱兩側分流比對渦流區和集箱靜壓分布影響規律的研究較少.在鍋爐設計及實際運行時，過熱器和再熱器帶三通集箱兩側流量不會嚴格按照1∶1的比例進行分配.因此，本文將利用模化試驗的方法研究過熱器和再熱器帶三通集箱兩側分流比對渦流區和集箱靜壓分布的影響規律，為改善采用三通引入、引出的過熱器和再熱器受熱面超溫爆管問題提供可靠的技術依據.

1 模化試驗

1.1 模化試驗臺

采用空氣代替實際高溫高壓蒸汽進行帶三通集箱流動特性試驗.試驗臺如圖1所示，空氣由鼓風機從外界環境引入，流經純三通模型后由左、右兩側出風道排出.三通兩側分流比R（左側流量與右側流量之比）由左、右兩側出風道上的調風擋板調節.純三通模型為200 mm等徑三通，由有機玻璃加工而成，壓力測點分別布置在正母線、側母線及右下40°線上.以往研究成果[5-6]表明，渦流區的影響范圍為±（2～3）D（D為等徑三通內徑）.為更好地研究R對集箱內靜壓分布的影響規律，本試驗壓力測點覆蓋范圍為-4D～4D.由精度為0.075 9%的EJA110A型差壓變送器測量各點與大氣的壓差，差壓變送器輸出的4～20 mA電流信號經ADAM4018模塊轉換后，由計算機采集.

1.2 試驗數據處理方法

為達到通用性的目的，對模化試驗數據進行無量綱化與準則數化處理，將集箱內壓力變化規律用歐拉數Eu表示，各測點沿集箱長度方向位置用無量綱長度L/D表示，其中L為集箱上各測點所在截面與徑向引入管軸線之間的距離.

2 試驗結果分析

在流體流動過程中，當Re大于某一數值（第二臨界值）時，流速分布彼此相似，與Re無關，常將此范圍稱為第二自模區.根據過熱器和再熱器的設計參數，其過熱蒸汽的流動狀態已處于第二自模區.因此，只要試驗工況進入第二自模區，試驗結果就能反映實爐工況.為獲得流體流動進入第二自模區的臨界Re，分別在三通進口Re為5.66×105、6.67×105、8.49×105和8.81×105時進行試驗，結果表明：當Re>6.67×105時，正母線、側母線及右下40°線上各測點Eu基本不變，表明此時流動已進入第二自模區.本文試驗工況三通進口Re選取7.93×105.

2.1 三通靜壓分布

圖2為R=1∶1時三通靜壓分布.由圖中可以看出：

（1） 在正對三通引入管區域，即L/D=-0.5～0.5區域，由于氣流滯止作用，正母線和右下40°線Eu最大.在L/D=-0.5～-1.5和L/D=0.5～1.5區域，正母線Eu快速減小，并在L/D為±1.5左右時達到最小值.主要原因是：引入管引入的氣流在轉彎分流時，由于氣流慣性影響，當氣流流動方向發生改變時，在黏性力和剪切力共同作用下導致氣流分層，分層后的氣流在靠近徑向引入管與集箱交接處流動損失較大，而靠近三通中央區域流體流動損失較小，徑向引入管與集箱交接處靜壓要低于三通中央區域靜壓，從而形成了一次渦流；渦流區占據了集箱的部分流通面積，使得由徑向引入管引入的氣流在轉彎分流時流通面積減小，導致流速增高，靜壓下降.在L/D =-1.5～-2.5和L/D =1.5～2.5區域，Eu逐漸升高.由此可見，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5.

（2） 側母線的最低靜壓低于正母線的最低靜壓，并且最低靜壓點的位置更靠近引入管中心線.這是由于沿圓周壁面由正母線到側母線的壓力梯度形成的二次渦流引起的.由于二次渦流的影響，在L/D =-1.5～1.5區域，與集箱軸線垂直的截面上圓周方向各點靜壓有很大差異，正母線最高，右下40°線次之，側母線最低；在L/D=±1.25左右正母線和右下40°線Eu差異不明顯但仍然高于側母線；在L/D=±1.5左右時，正母線、側母線及右下40°線Eu基本一致.由此可見，二次渦流的影響范圍為L/D=-1.5～1.5.

2.2 R對三通靜壓分布的影響

圖2（a）、2（b）、2（c）給出了R分別為1∶1、1∶1.25、1∶1.5時三通靜壓分布.從圖中可以看出，在R變化時，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5，二次渦流影響范圍為L/D=-1.5～1.5，說明R對渦流區范圍影響不大.

圖3分別為R=1∶1、1∶1.25、1∶1.5時集箱軸向靜壓分布.從圖中可以看出：隨著三通右側流量增大，該側靜壓降低，但靜壓分布規律無明顯變化；在渦流區影響范圍（L/D=-2.5～2.5）內，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較小；側母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

3 結 論

（1） 帶三通集箱靜壓分布受一次渦流和二次渦流的共同影響.在正對三通引入管區域靜壓最高，遠離三通區域靜壓分布規律與軸向引入、引出方式的基本一致.根據本文試驗結果，一次渦流影響范圍為L/D=-2.5～2.5，二次渦流影響范圍為L/D=-1.5～1.5.

（2） 三通兩側分流比R對渦流區范圍影響較小；隨著三通某側流量增大，該側靜壓降低，但靜壓分布規律無明顯變化.

（3） 在一次渦流影響范圍（L/D=-2.5～2.5）內，正母線和右下40°線的靜壓差異受分流比的變化影響較小；側母線的靜壓差異隨分流比的增大而有所增大.

參考文獻：

[1] 羅永浩.管組集箱采用三通結構引入引出對鍋爐再熱器熱偏差的影響[J].鍋爐技術，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] 匡江紅，劉平元，陳朝松，等.電站鍋爐過熱器、再熱器集箱靜壓分布的數值研究[J].動力工程，2004，24（2）：166-169.

[4] 衛飛飛，繆正清，黃榮國，等.帶三通鍋爐集箱的數值模擬和實驗研究[J].鍋爐技術，2010，41（6）：19-22.

[5] 劉進，劉平元，陳朝松，等.電站鍋爐三通集箱系統流量分配的數值模擬[J].動力工程，2009，29（6）：528-533.

[6] 陸方，王孟浩，李道林，等.大容量電站鍋爐過熱器、再熱器帶三通集箱流量分布試驗研究[J].動力工程，1996，16（3）：13-19.

[7] 羅永浩，楊世銘，王孟浩.T型進口三通對分配集箱流量分配的影響[J].動力工程，1998，18（3）：29-33.