1000MW机组直接空冷系统排汽管道.doc

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中国工程热物理学会多相流

学术会议论文编号：

146004

1000MW机组直接空冷系统排汽管道

流动特性比较

顾红芳1，杨鹏2，王海军3，徐彤彤4

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安710049）

（Tel:

18392103964,Email:

1309463371@）

摘要针对1000MW机组直接空冷系统排汽管道蒸汽流量分配问题，利用计算流体力学软件，对常见的高位布置、Y型对称布置、低位布置三种布置方式的排汽管道的流动特性进行了数值模拟计算，进行了蒸汽流量分配均匀性和管道蒸汽总压降的比较分析。

结果显示，在工程实际应用中对于1000MW直接空冷机组，若从排汽管道蒸汽流量分配均匀程度上考虑，由于低位布置空冷系统排汽管道均匀性最好因此建议优先采用；若从排汽管道总压降来考虑，由于Y型对称布置总压降最小因此建议优先采用。

关键词直接空冷系统；蒸汽；流量分配；数值模拟

0前言

空冷发电机组以其显著的节水优势,成为富煤缺水地区火力发电的核心关键技术，而直接空冷技术因系统简单、防冻性能好在空冷电站应用较多，其容量约占60%[1]。

在直接空冷机组中，汽轮机低压缸的排汽通过主蒸汽管道进入到多个蒸汽分配管道，然后蒸汽分配管道再将蒸汽分配到各空冷单元。

在蒸汽从蒸汽主管道分配到各分配管道的过程中，蒸汽流量分配实际上是不均匀的。

本文利用计算流体力学软件，对高位布置、Y型布置和低位布置三种布置方式的排汽管道流动特性进行了数值研究比较，为工程实际应用提供了技术参考。

1物理模型

1000MW超超临界机组高位布置空冷系统排汽管道结构示意图如图1所示，从低压缸下部2个排汽装置接出的乏汽通过2根DN7800mm的管道引到主厂房外，布置方式为每根DN7800mm排汽管直接作为蒸汽分配母管，每根蒸汽分配母管沿冷却单元列垂直方向逐渐收缩，共分为5个DN3400mm支管管道向空冷凝汽器管束分配乏汽。

1000MW超超临界机组Y型对称布置空冷系统排汽管道结构示意图如图2所示，从低压缸下部2个排汽装置接出的乏汽通过2根DN7640mm的管道引到主厂房外，布置方式为每根DN7640mm排汽管直接作为蒸汽分配母管，每根蒸汽分配母管采用Y型对称布置，共分为5个DN3420mm支管管道向空冷凝汽器管束分配乏汽。

1000MW超超临界机组低位布置空冷系统排汽管道结构示意图如图3所示，从低压缸下部2个排汽装置接出的乏汽通过2根DN7800mm的管道引到主厂房外。

布置型式为每根DN7800mm排汽管直接作为蒸汽分配母管，每根蒸汽分配母管沿冷却单元列垂直方向逐渐收缩共分为10个DN2600mm，每根DN2600mm蒸汽分配管向左右两侧分为DN2600mm的蒸汽管向空冷凝汽器管束分配乏汽。

图1高位布置空冷系统排汽管道结构示意图图2Y型布置空冷系统排汽管道结构示意图

图3低位布置空冷系统排汽管道侧向和正向结构示意图

2数值模拟方法及数学模型的建立

由于排汽通道中蒸汽的流动属于具有复杂流动区域的高雷诺数湍流运动问题，因此需要对其流场进行简化分析，做以下合理的假设以忽略次要因素简化计算。

（1）假设整个排汽通道与外部环境绝热，没有热量交换；

（2）由于实际工程中汽轮机出口的蒸汽为湿蒸汽，含液率不大于8%，其冷凝量小，而且汽相流速高，液膜易被撕破、卷吸和夹带到主流中去，因此对本项目的研究，采用加一定量液滴的方法，计算在正常体积份额液滴存在条件下对流动阻力的影响；

（3）认为排汽通道内的蒸汽为可压缩气体，其物性参数是压力与温度的函数；

对管内流场进行物理简化之后,需要从数学的角度建立控制方程组,并将其离散化、线性化以进行迭代求解。

气相湍流的模拟,从雷诺时均N-S方程组出发,选用标准k-ε湍流模型加以封闭。

大量的模拟及其校验结果表明,该模型可成功用于无旋及弱旋的二维回流流动[2]。

分配管内存在部分回流,且计算区域较大,选取具有一定精度且计算量较小的k-ε双方程模型是合理的。

采用的基本方程为质量守恒方程、动量守恒方程、k-ε方程[3]。

数值模拟的计算条件为：

入口采用速度入口边界条件V=80m/s；5个蒸汽分配管都采用压力出口边界条件，出口压力为P=11kPa；四周壁面和导流片都选择壁面边界条件，选择无滑移边界条件，设置壁面粗糙度。

3计算结果及分析

1000MW机组采用高位布置空冷系统排汽管道时，在压力P=11kPa、入口蒸汽流速V=80m/s的流动条件下计算得到的流场如下图4和图5所示。

从压力云图和速度矢量图上可以看到，分配管1和分配管2接口处管内流速较大，压降较大，由于支管导流的作用，这两个支管获得的流量偏多。

流量分配和总压降见表1，从表中可以看出，分配管1的流量占总流量的比例最大为21.76%，分配管4的流量占总流量的比例最小为18.71%，因此，采用高位布置空冷排汽管道时管道蒸汽流量分配的最大偏差为1.76%，此时排汽管道蒸汽总压降为537Pa。

图4高位布置空冷系统排汽管道剖面压力云图图5高位布置空冷系统排汽管道剖面速度矢量图

表1P=11kPa、V=80m/s时各出口管流量分配和总压降

背压

P=11kPa

流量分配比（%）

总压降（Pa）

分配管1

分配管2

分配管3

分配管4

分配管5

速度V=80m/s

21.76

21.19

19.43

18.71

18.91

537

1000MW机组采用Y型对称布置空冷系统排汽管道时，在压力P=11kPa、入口蒸汽流速V=80m/s的流动条件下计算得到的流场如下图6和图7所示。

从压力云图和速度矢量图上看，中间的分配管3的蒸汽流速最大，相应地压力也最大，这是由于从主管道和分配管3是竖直连接的，蒸汽在流动过程中没有发生方向改变，因此局部阻力最小导致流速最大。

流量分配和总压降见表2，从表中也可以反映上述现象，分配管3的流量占总流量的21.59%，较平均流量偏差了1.59%，分配管2的流量所占最小为18.26%，较平均流量偏差1.74%。

此时排汽管道蒸汽总压降为362Pa。

图6Y型对称布置空冷系统排汽管道剖面压力云图图7Y型对称布置空冷系统排汽管道剖面速度矢量图

表2P=11kPa、V=80m/s时各出口管流量分配和总压降

背压

P=11kPa

流量分配比

总压降（Pa）

分配管1

分配管2

分配管3

分配管4

分配管5

速度

V=80m/s

19.98%

18.26%

21.59%

19.67%

20.50%

362

1000MW机组采用Y型对称布置空冷系统排汽管道时，在压力P=11kPa、入口蒸汽流速V=80m/s的流动条件下计算得到的流场如下图8和图9所示。

从压力云图和速度矢量图上看出，最后一根分配管10的蒸汽流速最大。

流量分配情况和总压降见表3，其中分配管10的流量最大，所占总流量的比例为10.51%，较平均流量偏差0.51%，分配管9的流量最小，所占总流量的比例为9.86%，较平均流量偏差0.14%。

此时排汽管道蒸汽总压降为556Pa。

图8低位布置空冷系统排汽管道剖面压力云图图9低位布置空冷系统排汽管道剖面速度矢量图

表3P=11kPa、V=80m/s时各出口管流量分配和总压降

背压（kPa）

11

速度（m/s）

80

总压降（Pa）

556

流量分配比（%）

分配管1

9.95

分配管2

9.98

分配管3

10.04

分配管4

10.05

分配管5

9.89

分配管6

9.88

分配管7

9.93

分配管8

9.91

分配管9

9.86

分配管10

10.51

4结论

（1）1000MW机组采用高位布置空冷系统排汽管道时蒸汽流量所占比例最大偏差为1.76%，采用Y型对称布置空冷系统排汽管道时蒸汽流量所占比例最大偏差为1.74%，而采用低位布置空冷排汽管道时蒸汽流量所占比例最大偏差为0.51%。

因此在1000MW直接空冷机组的这三种布置方式中采用低位布置空冷系统排汽管道时蒸汽流量分配均匀性最好。

（2）在P=11kPa、V=80m/s时，1000MW机组采用高位布置空冷系统排汽管道时蒸汽总压降为537Pa，采用低位布置空冷系统排汽管道时总压降为556Pa，而采用Y型对称布置空冷系统排汽管道时蒸汽总压降为362Pa，比高位布置和低位布置的要分别低175Pa和194Pa，这在工程应用中是一个比较可观的数字。

（3）在工程实际应用中，对于1000MW直接空冷机组，若从排汽管道蒸汽流量分配均匀程度上考虑的话，建议优先采用低位布置空冷系统排汽管道；若从排汽管道总压降来考虑的话则建议优先采用Y型对称布置空冷系统排汽管道。

参考文献

[1]徐士民、白旭等.《发电厂空冷系统的特点和发展》，汽轮机技术，2000（6）.

[2]周力行.湍流两相流与燃烧的数值模拟.北京:

清华大学出版社,1991．

[3]陶文铨．数值传热学（第二版）[M]．西安:

西安交通大学出版社，2004:

207-231.

[4]孔珑主编，两相流体力学，高等教育出版社，2004.1，51-56．

[5]MillerD.S.InternalFlow，BHRA,Bedford，England，1971．

[6]Chisholm.D，BriefCommunicationofTwo-PhaseFlowofbends，intJ.MultiphaseFlow,1980,6920363-367．

[7]周力行著.湍流两相流与燃烧的数值模拟.北京:

清华大学出版社,1991．

[8]孔珑主编，两相流体力学，高等教育出版社，2004.1，51-56．

[9]MillerD.S.InternalFlow，BHRA,Bedford，England，1971．

[10]贺益英，输水管线中弯管局部阻力的相邻影响，水利学报，2004，第2期，17-20．

[11]景江红，流体通过三通管路的流量分配研究，山西建筑，Vol.31，No.6，2005，4-5．