曹絳敏, 張姣陽(yáng), 韓 筱

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

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長(zhǎng)距離超高壓供熱管道瞬態(tài)特性CFD分析應(yīng)用

曹絳敏, 張姣陽(yáng), 韓 筱

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

利用國(guó)內(nèi)外較為流行的Ansys Fluent軟件,結(jié)合現(xiàn)有供熱管道試驗(yàn)的模型修正,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離超高壓蒸汽管道瞬態(tài)變化過(guò)程的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬.計(jì)算結(jié)果表明:根據(jù)模型修正后所作的優(yōu)化計(jì)算,φ508外徑的鋼管可滿足事故處理與時(shí)間要求.事故處理時(shí),進(jìn)口流量在原有流量基礎(chǔ)上連續(xù)上升70～80 s超過(guò)事故所需流量的10%,穩(wěn)定一段時(shí)間再下降并維持所需的事故流量,可將出口流量達(dá)到時(shí)間可靠地控制在180 s內(nèi),并且管道進(jìn)口處的供汽汽壓低于12 MPa,完全可以滿足熱用戶的事故處理要求.

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué); 長(zhǎng)距離供熱管道; 瞬態(tài)特性; 非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算; 變化響應(yīng)時(shí)間

工業(yè)供熱時(shí)的蒸汽參數(shù)變化,對(duì)一般的熱用戶企業(yè)而言,在一定范圍波動(dòng)即可滿足要求,并且對(duì)變化的響應(yīng)時(shí)間也不是十分敏感.但有個(gè)別生產(chǎn)企業(yè),因其生產(chǎn)工藝所需,在某些特殊工況下,不但需要大幅度增加供熱蒸汽量,而且對(duì)響應(yīng)時(shí)間也有嚴(yán)格要求,因此設(shè)計(jì)這類(lèi)供熱管道時(shí)就必須針對(duì)用戶特殊要求進(jìn)行計(jì)算選擇,確定管道參數(shù)和投入運(yùn)行后的控制模式.

對(duì)于有變化時(shí)間響應(yīng)要求的蒸汽流動(dòng)計(jì)算問(wèn)題,顯然常規(guī)的流體力學(xué)穩(wěn)態(tài)解析計(jì)算難以勝任,而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)是在經(jīng)典流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究流體力學(xué)諸方程的數(shù)值解法,并且用數(shù)值方法模擬真實(shí)流體的流動(dòng)現(xiàn)象,不但可以得到穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中的詳細(xì)流場(chǎng)信息,而且也能分析流體隨時(shí)間變化的狀態(tài)過(guò)程.目前,CFD在管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)分析中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛.

1 計(jì)算背景

某火電廠規(guī)劃建設(shè)一條長(zhǎng)距離超高壓供汽管道,預(yù)計(jì)管道總當(dāng)量長(zhǎng)度5 200 m,終端熱用戶對(duì)供熱蒸汽要求如下.

(1) 正常運(yùn)行供汽參數(shù) 出口端汽壓不高于9.3 MPa,溫度為315 ℃,流量為150 t/h.

(2) 故障處理供汽參數(shù) 出口汽壓不高于9.1 MPa,溫度為315 ℃,流量為410 t/h,并且從正常運(yùn)行流量增加到故障狀態(tài)流量的時(shí)間不大于180 s.

由于不太了解供汽管道出口端后的用戶管網(wǎng)、設(shè)備情況,因而在建立CFD數(shù)值計(jì)算模型后,將該模型用于類(lèi)似供熱管道的CFD計(jì)算,并與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.之后進(jìn)行規(guī)劃供熱管道的CFD計(jì)算,以確定進(jìn)口端供汽參數(shù)和管道口徑.并在不同供汽控制條件下進(jìn)行方案的優(yōu)化比較,給出能滿足供需雙方各自要求的參數(shù)數(shù)據(jù),作為工程設(shè)計(jì)參考依據(jù).

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證CFD計(jì)算模型的可信度,預(yù)先在已投運(yùn)的類(lèi)似供汽參數(shù)(9.5～9.8 MPa,340±10 ℃)的蒸汽管道上進(jìn)行了小幅度流量變化試驗(yàn),所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為CFD結(jié)果的對(duì)比依據(jù).

試驗(yàn)是在原供汽流量80 t/h的基礎(chǔ)上,分階段增加流量,240 s內(nèi)增加流量約30 t/h,維持10 min后減少至原流量,記錄試驗(yàn)過(guò)程.

為減少計(jì)算工作量,同時(shí)考慮所要求的也僅是供汽管道在流量突增狀況下的瞬態(tài)特性,因此截取試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的流量上升階段作為CFD計(jì)算驗(yàn)證范圍,將流量、汽壓數(shù)據(jù)繪成曲線,如圖1和圖2所示.

圖1 試驗(yàn)階段流量上升曲線

圖2 試驗(yàn)階段汽壓變化曲線

由圖1和圖2可以看出,當(dāng)進(jìn)出口汽壓較為平穩(wěn)時(shí),進(jìn)出口流量并不一致,這與流體的連續(xù)性原則不相符,說(shuō)明進(jìn)出口的流量測(cè)量存在一定偏差,因此必須對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?才可作為CFD計(jì)算的驗(yàn)證依據(jù).

根據(jù)數(shù)據(jù)曲線和實(shí)際運(yùn)行儀表偏差情況修正后的流量曲線如圖3所示.此外,根據(jù)修正后進(jìn)出口流量偏差和進(jìn)出口汽壓的對(duì)應(yīng)波動(dòng),表明用戶側(cè)的蒸汽流量隨著生產(chǎn)狀況而變化,因而在CFD計(jì)算時(shí),供汽管道模型的出口汽壓也需隨之變化.

圖3 修正后的流量曲線

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

(1) 規(guī)劃供熱管道的口徑、壁厚等相關(guān)計(jì)算和取值按文獻(xiàn)[1]中的規(guī)定執(zhí)行.

(2) 流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值求解的理論及控制方程見(jiàn)文獻(xiàn)[2].

(3) 規(guī)劃供熱管道的CFD計(jì)算使用ANSYS inc.公司的Fluent 14.5軟件,采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計(jì)算模型.另外,對(duì)流項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)格式,采用SIMPLE-C算法求解汽壓-速度耦合.管道內(nèi)壁面設(shè)為無(wú)滑移條件,近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法.[3-4]

3.2 計(jì)算模型

(1) 蒸汽管道當(dāng)量長(zhǎng)度為8 000 m;

(2) 蒸汽管道計(jì)算內(nèi)徑分別為356 mm,438 mm,428 mm;

(3) 流量進(jìn)口觀察截面為500 m;

(4) 流量出口觀察截面分別為4 000 m,5 700 m;

(5) 有效計(jì)算長(zhǎng)度驗(yàn)證時(shí)為3 500 m,計(jì)算時(shí)為5 200 m.

3.3 邊界條件

(1) 進(jìn)口 UDF(用戶自定義函數(shù))下的流量進(jìn)口邊界,按圖3中的進(jìn)口流量曲線擬合;

(2) 出口 UDF下的汽壓出口邊界,按圖3中的出口汽壓曲線擬合,并考慮計(jì)算管道段的后續(xù)設(shè)備等狀況進(jìn)行修正.

4 驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果

進(jìn)口流量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線比較如圖4所示.

圖4 數(shù)值計(jì)算的進(jìn)口流量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

圖4中,進(jìn)口流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線僅表示UDF對(duì)進(jìn)口試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合程度,并非數(shù)值計(jì)算的結(jié)果.同樣,UDF的管道出口汽壓也需要與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合,才能使數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可比性,從而驗(yàn)證CFD模型的正確與否.

最終,通過(guò)計(jì)算模型的調(diào)整和UDF的修正,CFD計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)得以較好地吻合,使該模型用于規(guī)劃管道的計(jì)算進(jìn)一步具備了可信度.

調(diào)整模型與修正UDF后,CFD計(jì)算的管道出口流量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的比較如圖5所示.進(jìn)、出口汽壓的數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線的比較如圖6所示.

圖5 數(shù)值計(jì)算的出口流量與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

圖6 數(shù)值計(jì)算的進(jìn)出口汽壓與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

5 規(guī)劃管道計(jì)算

5.1 管道穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

按照用戶要求,規(guī)劃建設(shè)的長(zhǎng)距離超高壓供汽管道預(yù)計(jì)總當(dāng)量長(zhǎng)度為5 200 m,給定的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示.

上述供汽管道的管徑、壁厚等,按《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T5054—1996)》進(jìn)行計(jì)算與取值,并根據(jù)用戶要求,CFD計(jì)算時(shí)采用兩種電廠常用管道材料下的壁厚.管道管徑、壁厚選擇數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表1 超高壓供汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 超高壓供汽管道管徑及壁厚等參數(shù)

5.2 管道瞬態(tài)特性的CFD計(jì)算

根據(jù)表1和表2給定數(shù)據(jù),對(duì)多種管徑和壁厚,以及不同進(jìn)口流量控制方式進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,鑒于篇幅不一一列舉,僅將φ508×40管道中不同長(zhǎng)度截面處(0～8 km)的計(jì)算結(jié)果列出,如圖7所示.

圖7 φ508×40管道(20G)數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)曲線

進(jìn)口流量UDF設(shè)定的控制方式如下:故障處理發(fā)生時(shí),進(jìn)口流量在150 t/h基礎(chǔ)上連續(xù)上升75 s,至450 t/h穩(wěn)定40 s,再下降至410 t/h.

計(jì)算結(jié)果表明,出口流量達(dá)到要求指標(biāo)的滯后時(shí)間在140 s左右,短于熱用戶事故處理流量的到達(dá)時(shí)間要求.

6 結(jié) 論

(1) 長(zhǎng)距離超高壓蒸汽管道的CFD計(jì)算,要考慮管段進(jìn)出口截面前后的影響因素,尤其是出口段以后的流動(dòng)阻力情況,最好能有類(lèi)似狀況的管道運(yùn)行數(shù)據(jù)做對(duì)比,用以修正數(shù)值計(jì)算模型;

(2) 本文案例中,使用φ508外徑的20G碳鋼管或12Cr1MoV合金鋼管均可保證在事故流量時(shí),規(guī)劃管道進(jìn)口處的供汽汽壓低于12 MPa,滿足電廠最低工況下的供汽汽壓范圍;

(3) 規(guī)劃管道在事故供汽時(shí),進(jìn)口流量可在150 t/h基礎(chǔ)上連續(xù)上升70～80 s,超過(guò)事故所需流量的10%左右,穩(wěn)定30～40 s后再下降并維持所需事故流量,此調(diào)節(jié)過(guò)程能將出口流量達(dá)到410 t/h的時(shí)間可靠地控制在180 s內(nèi),完全可以滿足熱用戶的事故處理要求.

[1] 中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部.DL/T5054—1996 火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)電力出版社,1996:13-18.

[2] 郭寬良,陳志堅(jiān),李昌烽,等.高等傳熱和流動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算[M].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社,2012:48-66.

[3] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)大學(xué)出版社,2004:210-237.

[4] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004:228-249.

(編輯 桂金星)

CFD Analysis and Application of Transient Properties on Long-distance Ultra-high-pressure Heating Pipelines

CAO Jiangmin, ZHANG Jiaoyang, HAN Xiao

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

By means of the Ansys Pluent Software which is relatively well accepted both at home and abroad,in combination of the existing heating pipelines revised model,the CFD numerical computation of transient characteristics of ultra-high-pressure long distance steam pipelines is realized.Our optimization computation with the corrected model indicates that φ508 steel pipe can meet the flow rate and time expectations of accident handling.In the case of an accident where inlet flow needs to increase continuously for 70 to 80 seconds,peaks at 10% more than the desired flow rate for accident handling for a while,then decreases to and maintains at the needed flow rate.This pipe can reliably provide the desired outlet flow within 180 seconds,while keeping the steam pressure at inlet under 12 Mpa.The performance of this pipe is sufficient for heat users′ requirements to handle such accidents.

computational fluid dynamics; long-distance heating pipeline; transient property; non-steady-state numerical calculation; response time to parameter changes

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.004

2015-03-23

簡(jiǎn)介：曹絳敏(1956-),男,高級(jí)工程師,上海人.主要研究方向?yàn)殡姀S節(jié)能工程.E-mail:caojiangmin@shiep.edu.cn.

TU995.3

A

1006-4729(2016)05-0428-05