高壓加熱器疏冷段出口流量分配影響因素分析*

余雛麟 任志文 鄧 科 季敏東 楊 威

(1.西安交通大學能源與動力工程學院；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室)

高壓加熱器疏冷段出口流量分配影響因素分析*

余雛麟1,2任志文1鄧 科2季敏東2楊 威2

(1.西安交通大學能源與動力工程學院；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司 清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室)

采用CFD方法對高壓加熱器疏冷段出口流量的分配特性進行分析，探討進口流速、出口壓力、底面出口位置、底面出口與側面出口面積比和換熱管數量對流量分配特性的影響。

高壓加熱器 疏冷段出口 影響因素 流量分配

大型火電站或核電站中廣泛采用的三段式臥式高壓加熱器(下文簡稱臥式高加)是一種典型的U形管式換熱器[1]。它利用高溫蒸汽加熱管內溫度較低的水，對提高電站運行經濟性具有重要的作用[2]。

近年來，隨著計算流體力學(簡稱CFD)的發展和計算機硬件水平的不斷提高，采用計算流體力學的方法對換熱器進行模擬已被越來越多的學者所采用[3～6]。為此，筆者采用CFD方法，以采用雙弓形折流板的三段式臥式高加的疏冷段為分析對象，通過建立疏冷段的三維CFD數值模型，探討進口流速、出口壓力、底面出口位置、底面出口與側面出口面積比和換熱管數量對疏冷段出口流量分配特性的影響，為高壓加熱器疏冷段的結構和性能優化提供參考。

1 疏冷段結構分析

典型的臥式高加殼程結構如圖1所示。殼程根據介質的傳熱特點分為過熱段、飽和段和疏冷段。過熱段是利用高溫蒸汽的顯熱來加熱管內低溫水；飽和段是利用高溫蒸汽的凝結潛熱來加熱管內低溫水；疏冷段則是利用飽和水來加熱管內低溫水。

圖1 臥式高加殼程結構示意圖

為滿足機組疏水大流量的要求，大型臥式高加的疏冷段往往采用雙弓形折流板布置。典型的采用雙弓形折流板布置的臥式高加的疏冷段結構如圖2所示。

圖2 雙弓形折流板臥式高加疏冷段結構簡圖

一般情況下，疏冷段疏水出口僅采用側面開口的形式(圖2a虛線所示)，但是對于流量較大的情況，側面開口的流通面積往往較小，這會使得疏水流速較高，導致側面出口附近的管束容易發生振動破壞。為增加流通面積，通常采用的做法是在疏冷段的底板上開口，且底板上開口有兩種方式，一種是底部中心開口，另一種是底部兩側開口，兩種底部開口方式如圖2b虛線所示。疏水從底部開口和側面開口到達高加疏水出口管在流體力學上屬于典型的并聯管路問題。根據并聯管路各條支路壓力降相等的關系，必然導致各支路的流量不相等。

2 數值模型簡化和試驗方案

2.1 幾何模型和物理模型簡化

筆者以工程中實際設計的一臺600MW機組的臥式高加疏冷段為例，采用CFD方法對疏冷段出口的流量分配影響因素進行分析。該疏冷段的主要結構尺寸如下：

疏水進口尺寸 400mm×600mm

出口管內徑 404mm

側面開口面積 0.153m2

底口開口寬度 100mm

折流板厚度 10mm

折流板間距 360mm

換熱管排列方式 三角形

在對高加疏冷段進行CFD建模時，鑒于模型的復雜性，同時考慮疏冷段的結構特點和實際模擬時的硬件條件限制，對疏冷段的計算模型進行如下簡化：

a.僅研究疏冷段殼程流體的流動特性，而不研究殼程流體與管程流體之間的傳熱；

b.假設流體為各向同性、不可壓縮的牛頓流體且不考慮疏水在流動過程中物性的變化，疏水密度為853kg/m3，動力粘度為0.127 6mPa·s；

c.目前多數的高壓加熱器一塊管板上有多達幾千根的換熱管，且換熱管直徑均較小，但考慮到計算機硬件條件的限制，在建立模型時選取具有代表性的幾根外徑為57mm的換熱管；

d.實際高加的疏冷段可能被折流板分成多達10段以上，但是由于疏冷段沿流體流動方向除進口段和出口段外，其余各段可劃分為周期性發展段，受限于計算硬件條件，筆者僅建立包含進出口的5段模型；

e.人為增加進出口直管段的長度，以保證流體穩態流動，忽略折流板上開孔與換熱管之間和折流板與殼體之間的間隙，并利用對稱性建立一半模型。

2.2 數值試驗方案

根據研究目的，采用表1中所列的15個模型進行計算。表1開口位置一列中，底中心代表在底部中心開口、底兩側代表在底部兩側開口、側口表示沒有在疏冷段底部開口僅在疏冷段圓弧包殼上開口。底部開口面積的變化通過保持開口寬度100mm不變而長度變化的方式來實現。換熱管根數的減少通過整排遞減的方式，即20根對應4排，14根對應3排，9根對應2排。

表1 計算模型參數列表

2.3 邊界條件設置與求解

采用流體力學計算軟件Ansys Fluent version 6.3進行穩態模擬計算。根據表1的計算工況，可見流動為湍流。湍流模型采用realizablek-ε湍流模型。模型求解基于壓力求解器，并且使用SIMPLE方法對速度和壓力進行耦合。在近壁面采用標準壁面函數來進行處理。動量方程和壓力方程均采用二階迎風格式。邊界條件為速度進口和壓力出口。

采用六面體結構化網格技術對疏冷段進行網格劃分，在壁面處進行加密處理以滿足近壁面函數法對低雷諾數求解準確性的要求，網格單元數約為150 萬。表1中計算模型2的幾何模型如圖3所示。數值計算在一臺工作站上進行，CPU為Intel XeonW55903.33GHz，內存256GB，硬盤2TB。

3 計算結果與分析

計算模型2的最大速度云圖如圖4所示，流線圖如圖5所示。各計算模型的計算結果見表2。從表2中的結果可以看出：無論是底部中心開口還是底部兩側開口，最大流速都較僅側面開口時的小，說明底部中心開口和底部側面開口對降低流速的效果是明顯的；當開口位置變化，而其他條件不變的情況下，通過底部中心開口的流量略較通過底部兩側開口的流量大；在其他條件不變的情況下，隨著底部開口面積和側面開口面積比的增加，底口流量和總流量之比也不斷增加，且這種變化是非線性的；在其他條件不變的情況下，進口流速變化時，開口流量和總流量之比基本保持不變；當在底部中心開口，而其他條件不變的情況下，隨著出口壓力的增大，底口流量和總流量之比呈非線性遞減趨勢，最大流速增加明顯；在其他條件不變的情況下，換熱管數量對流量分配的影響并無明顯規律。

圖3 計算模型2的幾何模型

圖4 計算模型2的最大速度云圖

圖5 計算模型2流線圖

表2 各計算模型的計算結果

根據上述幾點，在對采用雙弓形折流板的高加疏冷段出口進行結構設計時，底部中心開口與底部兩側開口相比，一方面通過底部中心開口的流速較高，且底部中心開口附近的換熱管無支撐跨距較大，容易發生流體誘發振動失效，另一方面底部中心開口時，較多的流體會直接從底部開口流出，導致橫掠管束的流體減少，使得疏水未充分與管內給水進行熱交換，可能導致疏水出口水溫偏高，因此推薦采用底部兩側開口的形式來降低流速。

值得說明的是，限于計算機硬件條件，筆者雖然就換熱管數量對流量分配的影響進行了初步分析，但是由于計算模型采用的換熱管數量遠比實際臥式高加的數量少，關于換熱管數量對流量分配的影響仍有待進一步研究。

4 結束語

針對特定的雙弓形折流板布置的臥式高加疏冷段出口結構，采用CFD方法對疏水出口的流量分配影響因素進行了分析，初步得出就底部開口位置來說，宜采用底面兩側開口的結構形式；底部開口流量和側面開口流量比與出口壓力成非線性反比關系、與底部開口面積和側面開口面積比成非線性正比關系；在其他條件不變時，流速變化對底部開口流量和總流量的分配比影響較小。

[1] 季敏東.超臨界600MW高加自主開發設計[J].東方鍋爐，2009，(4)：1～5.

[2] 季敏東，余雛麟，李長勝.1000MW蛇形管集箱式高壓加熱器的自主開發設計[J].電站輔機，2016，37(1)：1～3.

[3] 余雛麟，鄧科，季敏東.加熱器及除氧器接管許用外力和外力矩的計算[J].電站輔機，2015，36(1)：1～4.

[4] 余雛麟，鄧科，季敏東.多約束條件下三段式高壓加熱器傳熱面積優化[J].東方電氣評論，2015，29(1)：29～31.

[5] 謝洪虎，江楠.管殼式換熱器殼程流體流動與換熱的數值模擬[J].化學工程，2009，37(9)：9～12.

[6] 王福軍.計算流體動力學分析CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004：2～3.

AnalysisofOutletFlowDistributionInfluenceFactorsofSubcoolingZoneinHigh-pressureFeedWaterHeater

YU Chu-lin1,2,REN Zhi-wen1,DENG Ke2,JI Min-dong2,YANG Wei2

(1.SchoolofEnergyandPowerEngineering,Xi’anJiaotongUniversity;2.KeyLaboratoryofSichuanProvinceforCleanCombustionandFlueGasPurification,DongfangGroupBoilerCo.,Ltd.)

The CFD method was used to analyze outlet flow distribution characteristics of subcooling zone in the high-pressure feed water heater,and the effect of inlet velocity,outlet pressure,bottom outlet location and the side outlet location and side outlet area to bottom outlet area ratio and the number of tubes on the flow distribution characteristics were discussed.

high-pressure feed water heater,subcooling zone outlet,influence factor,flow distribution

余雛麟(1986-)，高級工程師，主要從事強化傳熱和承壓設備安全研究，yuchulin_007@163.com。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)04-0437-05

2016-10-10，

2017-01-15)