帶有內置疏水冷卻器的低壓加熱器內部流場分析

宋 杰，劉 杰

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

帶有內置疏水冷卻器的低壓加熱器內部流場分析

宋 杰，劉 杰

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱150046）

介紹了電站項目帶有內置疏水冷卻器的低壓加熱器，重點討論了此種類型低壓加熱器內部流場分析。通過對低壓加熱器進行三維建模，應用Fluent軟件進行數值模擬，對低壓加熱器內部蒸汽流場的靜壓分布規律、速度分布規律和溫度場分布進行分析。

內置疏水冷卻器；低壓加熱器；流場分析

低壓加熱器是電站設備汽輪機回熱系統設備之一，它的作用是利用在汽輪機內做過部分功的蒸氣，抽至加熱器內加熱給水，提高水的溫度。這樣不但減少了汽輪機排往凝汽器中的蒸汽量，降低了能源損失，也提高了熱力系統的循環效率。目前部分項目為了增加回熱系統效率，在回熱系統中增加了疏水泵，將某級低壓加熱器疏水通過疏水泵打入凝結水管道，同時在疏水泵前設置一臺疏水冷卻器。設置單獨的疏水冷卻器需要額外布置空間以及相應管道，會增加回熱系統設計、生產以及施工成本，而將疏水冷卻器與本級低加合體將會簡化此處設計、生產以及施工等工作，對設備運行、維護以及檢修也帶來了便利[1－2]。

土耳其速馬項目為255 MW容量燃煤電站項目，由于廠房布置空間有限，無法布置外置式疏水冷卻器，該項目采用了3號低壓加熱器內置疏水冷卻器結構。3號低壓加熱器增加了內置疏水冷卻器后，低壓加熱器殼側增加了錐殼，低壓加熱器內部管束也相應做了調整。以上改動會引起低壓加熱器內部蒸汽流場變化，低壓加熱器的熱力計算是建立在蒸汽流場均勻分布的條件下，蒸汽流場改變會對低壓加熱器的換熱性能帶來影響，所以需要對這種新結構的低壓加熱器做內部蒸汽流場分析，以便觀察此種新型結構內蒸汽流場分布是否合理[3]。

圖1 低壓加熱器殼體以及管束圖

本文應用UG三維軟件對帶有內置疏水冷卻器的低壓加熱器進行三維幾何建模，應用Ansys Icem專業軟件對其進行網格劃分，應用Fluent軟件進行數值模擬，得出蒸汽流場的靜壓分布規律，速度分布規律和溫度場分布。

1 模型建立

1.1 三維模型的建立

據CAD設計圖紙建立三維模型，低壓加熱器錐殼小端直徑φ1 300 mm，錐殼長度550 mm，殼體直徑φ1 600 mm，殼體總長度11 425 mm；蒸汽入口接管尺寸φ 630 mm；冷卻管直徑為φ16，數量656根U型管。對管系冷卻管分布進行簡化處理，按照冷卻水流速一致，保證布管圓直徑不變，換熱管根數替換為86根φ62.5 mm直管，簡化后86根冷卻管均勻分布，應用UG建立的模型。

1.2 邊界條件設置

入口條件為速度入口，設置入口速度為44 m3/s，入口蒸汽的溫度為426 K，凝結溫度為412 K.出口條件為壓力出口，設置出口壓力為0.349 5 MPa，出口工質為水蒸汽。壁面為速度無滑移、無穿透邊界，工質為定常物性的水蒸汽和水的混合物質，水蒸汽凝結為飽和水。假設冷卻水為恒溫，溫度設定為405 K.

2 結果分析

本文分別從以下截面分許低壓加熱器內殼側流動性能。截面在殼側的位置如圖2所示。

圖2 截面位置圖

2.1 流場分布

圖3、4分別為1和4截面的殼側流速分布。第一個截面為與殼體前部，是抽空氣口的位置，從此圖上可以看出在此位置管束去內蒸汽流速<1.24 m/s，抽空氣口的氣體流速約為9 m/s，流量約為0.42 kg/s.第二個截面為抽空氣入口，在此截面上由于擋氣板的作用和支撐板的作用，在入口位置和殼體與支撐板交匯的位置，蒸汽流速略高，約為7 m/s左右。第三個截面為疏水出口位置，在此截面上整體流速均比第一、二截面流速大。第四截面為蒸汽入口截面，在此截面上擋氣板周圍的流速較高，而且由于擋氣板布置在兩個支撐板上方，使得第四截面處蒸汽的流速相對略低。通過對以上截面流速的分析可知，蒸汽在殼側流場中分布趨勢是靠近蒸汽入口的位置蒸汽的流速較高，邊緣區域蒸汽的流速相對較低，蒸汽在沿殼體流動到支撐板的位置時折流流向管束區，因此在支撐板和殼體的連接處有漩渦。

圖3 截面1流場分布

圖4 截面4流場分布

2.2 溫度場分布

圖5、6為殼側1和4截面的溫度場分布，從溫度場分布可知，管束的的正下方支撐板與殼體圍成的區域中工質的溫度較低，因為這是經冷卻管換熱后凝結水的形成區域。每一個截面上的溫度分布均不相同，但是有支撐板存在的截面上溫度分布的趨勢相同，均是在支撐板和殼體相交處的溫度較高。

圖5 截面1溫度場分布

圖6 截面4溫度場分布

2.3 壓力場分布

從圖7、8所示1和3截面可以看出壓力分布分層較為明顯，綜合計算平均壓降為500 Pa，在空氣出口處截面上（截面一）抽空氣口處和疏水出口出的壓力最低。管束下方的支撐板與殼體圍成的區域，形成了渦流，壓力變化劇烈。

圖7 截面1壓力場分布

圖8 截面3壓力場分布

3 結論

通過使用Fluent模擬低壓加熱器殼側的流動，蒸汽從入口進入管束區凝結成水后從疏水出口出去，不凝結的氣體從抽空氣口出去，通過模擬分析可知，在管束下方的兩個支撐板處蒸汽形成了渦流造成了壓力損失，但是同時這兩個支撐板的存在避免了殼側內蒸汽的短路。此次模擬結果看著較為理想，該結構完全能滿足帶有內置疏水冷卻器低壓加熱器熱交換效率。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中國國家標準化管理委員會.GB_150.1～150.4-2011.壓力容器[S].北京：中國標準出版社.2012.

[2]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.中國國家標準化管理委員會.GB_151-2014.熱交換器[S].北京：中國標準出版社.2015.

[3]劉亞昆，肖增弘．300MW機組低壓加熱器疏水系統優化[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2013，9（3）：235-237.

Internal Flow Field Analysis of Low Pressure Heater With Built-in Drain Cooler

SONG Jie，LIU Jie
（Harbin Turbine Co.，Ltd.，Harbin Heilongjiang 150046，China）

This paper introduces the low pressure heater with built– in drain cooler，and focuses on the internal flow field analysis of this type of low-pressure heater.Through the three-dimensional modeling of the low-pressure heater，the numerical simulation was carried out by Fluent software，and the static pressure distribution，velocity distribution and temperature field distribution of the internal steam flow field of the low-pressure heater were analyzed.

built-in hydrophobic cooler；low pressure heater；flow field analysis

TK262

A

1672-545X（2017）08-0128-03

2017-05-12

宋 杰（1981－），男，黑龍江北安人，工程師，本科，主要從事電站輔機設備及系統的設計和研究工作。