電廠閥門泄漏的計(jì)算流體力學(xué)仿真研究

張冰，張力，陳志強(qiáng)，劉光弟，趙紅霞*

(1. 山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2. 山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

熱力系統(tǒng)閥門內(nèi)漏是目前我國火力發(fā)電廠普遍存在的重大節(jié)能問題，通常由于運(yùn)動部件卡死、閥片變質(zhì)、彈簧應(yīng)力松弛等原因造成閥門損壞[1]，防止閥門內(nèi)漏是火力發(fā)電廠節(jié)能減排的重要舉措。閥門主要用于控制電廠鍋爐和電氣設(shè)備的流體介質(zhì)的通路和斷路調(diào)節(jié)，是電廠廣泛使用的熱力設(shè)備。閥門的基本功能是接通或者切斷管路介質(zhì)的流通，改變介質(zhì)流動方向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力和流量，保護(hù)管路和設(shè)備正常運(yùn)行[2]。但是由于各種原因，閥門泄漏經(jīng)常發(fā)生在火力發(fā)電廠當(dāng)中，無論哪一個疏水閥門發(fā)生內(nèi)漏，都會為電廠帶來超出想象的損害[3]。目前，電力、石化、制冷等企業(yè)檢測閥門內(nèi)漏的方法主要依靠定期維修，對閥門進(jìn)行拆卸、檢修和更換。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，超過50%的閥門并不需要進(jìn)行拆卸修理，過度拆卸會浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，閥門維修更換費(fèi)用約占了電力企業(yè)、石油化工企業(yè)維修更換費(fèi)用的15%[4]。當(dāng)旁路閥門的泄漏量達(dá)到主蒸汽流量的2%時，將使供電煤耗上升4 g/(kW·h)[5]。針對現(xiàn)場使用的閥門監(jiān)測及檢修等易耗品不易購買的問題，陶長興等[6]提出基于CRIO的嵌入式閥門診斷系統(tǒng)。常毅君等[7]總結(jié)了閥門溫度變化智能監(jiān)測的判斷依據(jù)，為電廠疏水管道的實(shí)時監(jiān)測提供了新的方法。張秀華等[8]提出利用金屬波紋管搖擺實(shí)驗(yàn)監(jiān)測閥門泄漏的新方法，給出產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究和實(shí)施過程，為后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的數(shù)據(jù)。汪洋等[9]提出利用霍爾傳感器監(jiān)測球閥的變化狀態(tài)，利用移動網(wǎng)絡(luò)報(bào)告球閥動作時間及狀態(tài)。陳啟卷等[10]提出基于物聯(lián)網(wǎng)的閥門智能系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程采集安裝在水電站的閥門實(shí)時運(yùn)行信息，判斷閥門的運(yùn)行狀態(tài)，并及時監(jiān)測維修。因此，科學(xué)的管閥檢修能夠防止因管閥問題而產(chǎn)生的外泄漏事故，不僅降低了對附近設(shè)備以及工作者造成事故的幾率，還防止了發(fā)電廠可能出現(xiàn)的不必要損失。目前，疏水管道閥門常用的檢漏方法主要有以下幾種：示蹤檢漏、聲發(fā)射檢漏、紅外測定法檢漏、超聲波檢漏和壓力檢漏[11]。但對于系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的火力發(fā)電廠來說，以上各種檢漏方法均存在一定的缺陷，往往達(dá)不到預(yù)期效果。同時，溫度測點(diǎn)的布置對于泄漏量的監(jiān)測起著重要作用，對疏水管道溫度測點(diǎn)的合理布置，能有效監(jiān)測泄漏量。

前人的研究多集中在對傳熱學(xué)的研究，而對管內(nèi)流體的流場和溫度場的模擬涉及的不多。對于溫度測點(diǎn)的布置幾乎沒有文獻(xiàn)涉及，合理布置溫度測點(diǎn)，才能正確監(jiān)測閥門泄漏量。因此，本文基于已有的基于傳熱原理的電廠閥門內(nèi)漏自動測試方法，結(jié)合電廠現(xiàn)場測量實(shí)例，運(yùn)用傳熱學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)知識，模擬閥門泄漏時疏水管內(nèi)工作流體的流場和溫度場變化，從而判斷溫度探點(diǎn)的合適位置，為電廠閥門泄漏實(shí)時監(jiān)測與維修提供判據(jù)，有利于在實(shí)際生產(chǎn)中減少閥門拆卸的次數(shù)，更加精確地判定閥門實(shí)時工作狀況，從而給工作人員監(jiān)測、預(yù)防電廠閥門泄漏提供合理的依據(jù)。

1 物理與數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 物理模型

電廠蒸汽疏水管道-閥門監(jiān)測系統(tǒng)主要由蒸汽管道、疏水管道、溫度傳感器、疏水閥門和疏水?dāng)U容器(或凝汽器)組成。系統(tǒng)的一端與蒸汽管道(或聯(lián)箱、氣缸等蒸汽容器)相連，另一端與疏水?dāng)U容器(或凝汽器)相連。電廠疏水管道-閥門監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示[12]。其中，L1表示疏水管道豎直段長度，m；L2表示水平段到溫度傳感器1之間的距離，m；L3表示溫度傳感器1和溫度傳感器2之間的距離，m。

圖1 電廠中疏水管道-閥門監(jiān)測系統(tǒng)示意圖[12]Fig.1 Schematic of a drain pipe-valve monitoring system in power plants[12]

當(dāng)疏水管道閥門嚴(yán)密、未發(fā)生泄漏時，疏水閥前兩溫度傳感器之間由于沒有氣體流動，只有熱傳導(dǎo)而無熱對流，此時疏水管內(nèi)工質(zhì)流動趨于穩(wěn)定，散熱量為定值，管壁的溫度分布趨于穩(wěn)態(tài)。當(dāng)疏水管道中的閥門發(fā)生泄漏時，疏水管道內(nèi)部有高溫工質(zhì)流動。此時管內(nèi)工質(zhì)通過對流和熱傳導(dǎo)經(jīng)過管壁和保溫層向室外環(huán)境放熱，隨著泄漏量的增加，管道內(nèi)外溫差越來越小。因此，監(jiān)測溫度傳感器1和溫度傳感器2的溫度，通過泄漏量與溫度之間的非線性關(guān)系，可以求得泄漏量的大小。

1.2 數(shù)學(xué)模型

對疏水管道內(nèi)流體進(jìn)行建模時，考慮到主蒸汽管道入口為過熱蒸汽，出口不考慮截止閥后流體流動時也可近似為過熱蒸汽。由于流速較低，可視為不可壓縮流體。湍流采用雷諾平均控制方程的Favre方法建模[13]。

穩(wěn)態(tài)的不可壓縮的單相流控制方程組包括質(zhì)量、動量、能量和k-ε湍流方程：

?·(ρu)=0，

(1)

?·(ρuu)=-?p+?·(τ+τT)，

(2)

?·(ρuh)=?·(k?T+τ·u) ，

(3)

(4)

(5)

其中，ρ是流體密度，u是速度矢量，p是流體的壓力，τ是應(yīng)力張量，k是流體的導(dǎo)熱系數(shù)，T是流體的溫度，K是流體的湍動能，μ和μT分別是流體的動力黏度和湍流的動力黏度，σK是K的湍流普朗特?cái)?shù)，ε是湍流耗散率，σε是ε的湍流普朗特?cái)?shù)，GK表示由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動能，最后，C1ε、C2ε、C1ε常數(shù)取決于使用的k-ε湍流模型。

2 計(jì)算步驟

通常，對于電廠中管路內(nèi)部流體復(fù)雜的流動，通過試驗(yàn)進(jìn)行可視化是很困難的，但疏水閥門內(nèi)漏也會給企業(yè)造成巨大的損失。因此，本文利用Solidworks軟件進(jìn)行疏水管道的三維建模，假設(shè)閥門處有輕微泄漏，故出口假設(shè)成一根微小的管路，相較于輸水管路內(nèi)徑可以忽略不計(jì)；用ANSYS ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流體域、固體域的創(chuàng)建，用商業(yè)軟件Fluent進(jìn)行管內(nèi)流場的模擬，具體計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2 閥門監(jiān)測計(jì)算步驟Fig.2 Calculation steps of valve monitoring

本文采用基于壓力的求解器求解管道內(nèi)流體流動，壓力的求解器被用在低速不可壓縮流動中。近壁面的處理和y+的設(shè)置在不同的湍流模型中有不同的差異，主要取決于使用的湍流模型，由于數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文采用的k-ω湍流模型不需要近壁面處理。入口邊界條件設(shè)置為速度入口，出口邊界條件為壓力出口。將湍流邊界條件設(shè)置為水力直徑和湍流強(qiáng)度。在壓力-速度耦合項(xiàng)，采用SIMPLE方法對壓力求解，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，當(dāng)質(zhì)量方程、動量方程和能量方程的殘差都小于10-6時，可視為計(jì)算收斂[14]。使用理想氣體模型對過熱蒸汽進(jìn)行處理，計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamic ，CFD)求解方法如表1所示。

表1 CFD求解方法

3 結(jié)果與分析

3.1 模型的合理性驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)的蒸汽疏水管道-閥門監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)文獻(xiàn)[12]中的實(shí)驗(yàn)工況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的誤差。實(shí)驗(yàn)工況：進(jìn)口工質(zhì)壓力為16.7 MPa，溫度為537 ℃，疏水管道環(huán)境溫度32 ℃。實(shí)驗(yàn)采用了兩種疏水管道，內(nèi)徑分別為50 mm和70 mm，壁厚都為3.91 mm，保溫層厚度都為90 mm，疏水管道長度均為25 m。本文驗(yàn)證了上述論文實(shí)驗(yàn)中測點(diǎn)(溫度傳感器)1和測點(diǎn)2的實(shí)驗(yàn)溫度與本文程序所計(jì)算出來的管壁溫度，對比結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的最大誤差分別為2.46 ℃和3.13 ℃，平均相對誤差分別為0.20%和0.23%，模型結(jié)果與劉功春[12]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明模型準(zhǔn)確可靠。

圖3 模型計(jì)算與劉功春[12]實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of the calculated and experimental results reported by Liu[12]

為了保證后續(xù)數(shù)值計(jì)算的正確性，采用文獻(xiàn)[12]相同的邊界條件，并將設(shè)計(jì)程序理論計(jì)算獲得的管道出口溫度與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行比較。 圖4為對比結(jié)果，從圖中可以看出模擬值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均在0.5%以內(nèi)，誤差在允許范圍內(nèi)。因此，本模型可以用于疏水管道沿管壁的溫度場分布的預(yù)測。

圖4 理論管道出口溫度與CFD模擬管道出口溫度的對比Fig.4 Comparison between the theoretically and CFD simulation pipe outlet temperatures

在流體力學(xué)計(jì)算中，建立優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是計(jì)算的重要前提，決定了計(jì)算是否會收斂和結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證是在保證網(wǎng)格質(zhì)量和模擬準(zhǔn)確性的前提下，將網(wǎng)格數(shù)量降低至符合運(yùn)行要求的最低值。本文中的模型采用了1 347 262、2 122 552和3 525 712三種不同網(wǎng)格數(shù)量的噴射器二維結(jié)構(gòu)，如圖5所示，不同網(wǎng)格數(shù)的計(jì)算結(jié)果誤差均符合要求，與1 347 262相比，其他兩個誤差為0.23 %和 0.05 %。在滿足計(jì)算精度的情況下，考慮計(jì)算資源的合理利用，本文選取1 347 276網(wǎng)格模型作為計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算結(jié)果具有網(wǎng)格獨(dú)立性。

圖5 豎直管段溫度沿軸向變化曲線Fig 5 Temperature changes along the axial direction of the vertical pipe section

3.2 不同泄漏量下疏水管道沿流動方向溫度變化

圖6為在不同泄漏量的情況下，疏水管道沿流動方向溫度變化云圖。從圖中可以看出，隨著流動距離的逐漸增大，流體溫度逐漸降低，一方面是流動過程中的流動阻力和沿程阻力導(dǎo)致過熱蒸汽在輸水管道流動時有能量的損失，溫度下降；另一方面為在流動過程中管內(nèi)流體沿徑向與管壁和保溫層之間的導(dǎo)熱，將熱量散發(fā)到外界環(huán)境，導(dǎo)致溫度逐漸降低。此外，隨著泄漏量的增大，沿流動方向相同測點(diǎn)(測點(diǎn)1和測點(diǎn)2)的溫度逐漸升高且溫度沿徑向分布越來越均勻，越來越趨于流體中心溫度，也進(jìn)一步驗(yàn)證了泄漏量越大，測點(diǎn)溫度越高。

圖6 不同泄漏量下疏水管道沿流動方向溫度變化云圖Fig 6 Contour of temperature variations along the flow direction of drainage pipes under different leakage amounts

3.3 流體在彎道前后溫度的變化

測點(diǎn)布置的位置對于監(jiān)測閥門外壁面溫度具有重要意義，準(zhǔn)確的測量位置能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測閥門泄漏量。圖7為疏水管道彎頭前后徑向溫度分布云圖。流體在管道內(nèi)流動時，在轉(zhuǎn)彎處由于局部阻力的影響，溫度會發(fā)生劇烈的變化，而疏水管道上測點(diǎn)的布置對于合理監(jiān)測管內(nèi)水流量的變化具有重大意義。從圖中可以看出，溫度在彎管前0.50 m沿徑向分布相對均勻，隨著流體流動的方向，溫度沿徑向分布開始發(fā)生變化，表現(xiàn)為分布不均勻，不利于對管內(nèi)流體溫度的監(jiān)測，隨著流體的流動，在彎管后4.00 m左右，截面溫度不再發(fā)生明顯變化，溫度沿徑向分布趨于均勻。因此，在實(shí)際操作中，疏水管道閥門溫度的檢測位置應(yīng)在距離彎管后4.00 m以上的位置布置，可以避免因?yàn)闇y點(diǎn)布置而導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。

圖7 疏水管道不同截面徑向溫度分布云圖Fig 7 Contour of the radial temperature distribution at different sections of the drainage pipes

3.4 不同管徑下泄漏量對兩測點(diǎn)溫度的影響

通常，電廠工作人員利用測溫點(diǎn)測得的溫度與GB/T 34618—2017規(guī)范[15]中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，來判斷是否泄漏，但是此方法不能實(shí)時給出泄漏量的大小。因此，實(shí)時計(jì)算測溫點(diǎn)處管壁溫度和泄漏量的關(guān)系對閥門內(nèi)漏的在線監(jiān)測具有重大意義。如圖8所示，圖中表示了疏水管道管徑為50、60和80 mm時，不同泄漏量對兩測點(diǎn)溫度的影響，測點(diǎn)1距主蒸汽管道10 m(L1+L2)，測點(diǎn)2距主蒸汽管道25 m(L1+L2+L3)，測點(diǎn)位置如圖1所示。從圖8中可以看出，隨著泄漏量的增加，測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的溫度均呈上升趨勢，且逐漸趨于平緩。相同溫度時，管徑越大泄漏量越大，這是由于管徑越大，管道對環(huán)境的散熱量越大，相同的壁面溫度下則管道內(nèi)流動的泄漏工質(zhì)越多。此外，相同泄漏量時，80 mm的疏水管道在測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的溫度總是低于50 mm的疏水管道。這是因?yàn)樾孤┝肯嗤瑫r，管徑越小，橫截面積就越小，疏水管內(nèi)工質(zhì)流速越大，對流換熱系數(shù)越大，流體從主蒸汽管道流到測點(diǎn)1和測點(diǎn)2的所需時間就越少，管道的熱量損失少，所以溫度會升高。

圖8 不同管徑下泄漏量對兩測點(diǎn)溫度的影響Fig 8 Influence of the leakage amount on the temperature of two measuring points under different pipe diameters

3.6 疏水管路徑向的溫度分布

圖9為疏水管道徑向溫度的分布，由于鋼管的厚度為0.003 91 m，相比于保溫層的厚度0.09 mm小得多，故忽略鋼管的厚度。圖中可以看出A為距離主蒸汽管道1.0 m處的溫度分布，B為距主蒸汽管道1.5 m處的溫度分布，A處溫度分布均勻，沿徑向溫度逐漸降低，B處溫度較A處分布不均勻，尤其是保溫層區(qū)域內(nèi)溫度有明顯的波動。這是因?yàn)檫^熱蒸汽從主蒸汽管道進(jìn)入疏水管道，隨著流動距離的變化，流動損失逐漸增大，在遇到轉(zhuǎn)彎處流體會發(fā)生劇烈的變化，導(dǎo)致溫度場分布不均勻，而B處距離轉(zhuǎn)彎處較A處更近，故溫度分布不均勻。

3.7 疏水管道沿軸向速度分布

圖10表示在不同泄漏量下疏水管道內(nèi)速度沿軸向中心線的分布。從圖中可以看出，隨著泄漏量的增大，管內(nèi)流體流速整體呈上升趨勢，轉(zhuǎn)彎處，速度變化劇烈，這是由于在轉(zhuǎn)彎處，流體受到來自管壁的阻力被迫改變方向，此時縱向速度急劇變化，橫向速度慢慢上升，從而呈現(xiàn)出整體速度產(chǎn)生劇烈變化。此時管內(nèi)流體會產(chǎn)生局部阻力從而導(dǎo)致局部損失，隨著管段的增長，速度又逐漸變大。因此，在布置壓力傳感器時，為保證測量準(zhǔn)確應(yīng)盡可能地布置在遠(yuǎn)離速度變化劇烈處。

5 結(jié)論

本文以電廠閥門泄漏實(shí)時監(jiān)測的需求現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型和物理模型，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent分析疏水管道內(nèi)部流場和溫度場的變化，所得結(jié)果更直觀地反映了疏水管道內(nèi)部的溫度變化，便于對電廠疏水閥泄漏實(shí)時監(jiān)測。得出結(jié)論如下：

(1)疏水管道內(nèi)部流體溫度沿流動方向逐漸降低，且隨著管道內(nèi)徑的增加而逐漸增大。

(2)由于沿程阻力和局部阻力的影響，流體在流動過程中會在轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生溫度沿徑向分布不均勻的現(xiàn)象，在彎管前0.5 m、彎管后4.0 m處布置溫度測點(diǎn)可以更好地測量管壁溫度。

(3)疏水管道溫度沿徑向逐漸降低，且距離轉(zhuǎn)彎處越遠(yuǎn)，徑向溫度分布越均勻。