1000MW机组高位布置排汽管道内湿蒸汽的数值模拟

LV Tai，WANG Hongbo
（School of Energy and Power Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012）
Abstract：The exhaust pipe is an important system and component of the air cooling island. Whether or not the pipeline arrangement is reasonable and the pressure drop inside tube and the steam flow distribution uniformity can meet design and operation requirements would affect the operational efficiency and antifreeze maintenance of the air-cooling condenser.It also refers to the large problem on the economic operation and security of the power unit.Using the CFD software called ANSYS and FLUENT，numerical stimulation on wet steam inside High-type exhaust pipe of a 1000MW direct air cooling power unit was carried on. The simulated result also was analysed and researched. Reference frame for exhaust pipe design selection and assist for further optimal design of direct air cooling power unit were provided. Key words：direct air cooling；exhaust pipe；high-type；numerical simulation
一般地，若已知事故所处横断面距上游路口的 长度 L ，通过差分方程模型可以计算出车辆排队长 度达到上游路口需要的时间 T 。为了避免车辆排 队达到上游路口造成严重的交通阻塞，甚至出现区 域性拥堵，可以在 T 这个时间段内适量调节上游路 口的交通信号灯的相位，减缓事故所处横断面的通 行压力，保证车辆的顺利通行，同时不会对上游路口 别的道路的实际通行能力有较大的影响。对于占道 施工、设计道路渠化方案、设置路边停车位和设置非 港湾式公交车站等，本文方法也可以提供重要的信
图 1 1000MW 机组高位布置排汽管道几何模型
应用 Ansys 软件对排汽管道进行建模，得到排
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长春理工大学学报 （自然科学版）
2014 年
考核工况（TRL） 设计工况（TMCR) 冬季工况(VWO)
项目 质量流量 kg／s
百分比 质量流量 kg／s
百分比 质量流量 kg／s
百分比
表 2 各工况下数值模拟结果
2 结果分析
由表 2 可知，考核工况水蒸汽的流动阻力最低，
约为 424Pa，而冬季工况水蒸汽的流动阻力最大，约 为 1458Pa。水蒸汽流经出口 1 的流动阻力较小，质 量流量较大；流经出口 5 的流动阻力较大，质量流量 较小；流经出口 2、3、4 的质量流量存在不均匀现象。
高位布置排汽管道内湿蒸汽流场情况见图 3图 8，管内湿蒸汽速度分布不均匀，具体表现为支管 1 和支管 2 的速度较大，支管 3、支管 4、支管 5 的速度 较前两者小，说明各支管内蒸汽流量分配不均匀；管
某台 1000MW 直接空冷机组汽轮机排汽由 1 根 直径为 7.64m 的主排汽管道引出，经上升管进入水 平管段，管径沿流动方向逐渐减小，变径后各管段直 径分别为 6.82m、5.92m、4.82m 和 3.42m，蒸汽分配 管直径为 3.42m。现将主排汽管道入口称为入口， 蒸汽分配管出口共 5 个，从左至右分别为出口 1、出 口 2、出口 3、出口 4 和出口 5。其几何模型如图 1 所 示。
出口 5 67.59 18.91% 67.12 18.91% 68.18 18.91%
总压降 Pa 424 925 1458
汽管道模型如图 2 所示。 对排汽管道三维模型进行网格划分，节点数为
635 万，单元总数为 367 万，网格质量为 0.97。数值 模拟计算机为 HP Z420 工作站，CPU 主频 3.6GHz， 24G 内存。将划分好网格的排汽管道模型导入到 Fluent 软件中进行模拟计算。
果进行了简要分析、研究。为直接空冷机组排汽管道的设计选型提供了参考依据，并对直接空冷机组排汽管道的进一步优
化设计提供帮助。
关键词：直接空冷；排汽管道；高位布置；数值模拟
中图分类号： TK264.1
文献标识码：A
文章编号：1672-9870（2014）02-0114-03
Numerical Stimulation of Wet Steam in High-type Exhaust Pipe of the 1000MW Power Unit
应用 Fluent 软件，采用非结构化进行区域离散， 控制微分方程的离散化采用有限容积法（FVM），方 程的离散采用二阶迎风格式，压力与速度的耦合采 用 Simple 算法。排汽管道入口采用质量流量入口 边界条件，给定入口蒸汽的质量流量；各分配管出口 采用压力出口边界条件，给定出口压力［6］。 1.2 几何模型
我国人均水资源为 2142m3，仅为世界平均水平 的四分之一，已被联合国列为 13 个贫水国之一。我 国的电力工业以火电为主，一次能源煤炭为主要燃 料，因此我国的电力工业需要大量的煤炭供应，大力 发展坑口电站，降低发电成本，提高能源利用效率， 是我国电力发展的主要方向。大容量坑口电站需要 消耗大量的冷却水，我国煤炭资源丰富的地区大多 缺水，冷却水的消耗成为坑口电站发展的“瓶颈”问 题，因此如何合理利用资源发展火力电站成为电力 建设最为关注的问题，发电厂空冷技术就能较好地
第 37 卷第 2 期 2014 年 4 月
长春理工大学学报 （自然科学版）
Journal of Changchun University of Science and Technology （Natural Science Edition）
Vol.37 No.2 Apr.2014
1000MW 机组高位布置排汽管道内 湿蒸汽的数值模拟
（3）认为排汽管道内的蒸汽为不可压缩流体，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。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［5］。
出口 1
出口 2
出口 3
75.84 21.21% 75.34 21.23% 76.54
73.91 20.67% 73.31 20.66% 74.41
71.33 19.95% 70.77 19.94% 71.92
21.23%
20.64%
19.95%
出口 4 68.84 19.26% 68.34 19.26% 69.44 19.27%
由于排汽管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。忽略次要因素以便简化计算，做出 以下合理的假设：
（1）百度文库个排汽管道通过管道壁面与外部环境的 自然对流热交换量非常少，相应产生的液量很少，可 以忽略；
（2）由于实际工程中汽轮机乏汽为湿蒸汽，含液
率在 8%左右，一般不会超过 10%，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，因此液膜的存在对整体的影响可以忽略；
解决这一问题［1］。 空冷系统无需依赖水源，在干旱、缺水地区的新
建火电机组中得到了广泛应用，其潜在而巨大的经 济优势和环保效益获得越来越显著的体现，未来发 展前景十分广阔。在空冷机组中，直接空冷系统凭 借其调峰的灵活性和基建投资相对较低等优势，在 新建火电机组中得到了较为普遍的运用［2］。
直接空冷系统的工作原理是将湿冷塔取代，汽 轮机排汽经排汽管道被引至四十米以上的高度，通 过蒸汽分配管进入带翅片的冷却管束，通过管壁与
1 数值模拟
1.1 数学模型
北方某地 1000MW 直接空冷机组典型运行工 况参数参见表 1。
表 1 北方某地 1000MW 直接空冷机组典型运行工况参数
项目
考核工况 设计工况 冬季工况
空气干球温度℃
30
15
-23.0
排汽焓 kJ／kg
2624.6 2587.2 2574.1
汽轮机背压 kPa
30
11
7.5
饱和蒸汽温度℃
69.1
47.68
40.29
饱和蒸汽密度 kg/m3
0.191
0.075
0.052
水蒸汽动力粘度系数kg/(m·s) 1.125×10-5 1.057×10-5 1.036×10-5
排汽量 kg／s
357.51 354.88 360.49
直接空冷排汽管道内水蒸汽呈负压、质量流量 大、密度小。水蒸汽在排汽管道内流动过程中，还通 过管壁与外界环境进行能量交换，部分水蒸汽凝结 为水。同时，由于流动过程中的局部压力升高，也可 能造成水蒸汽的凝结。因此，实际管道内水蒸汽的 流动是复杂的三维汽液两相流动［4］。
图 2 1000MW 机组高位布置排 汽管道三维模型
（a）
图 3 整体压力云图（TRL 工况） （b）
图 4 整体速度矢量图（TRL 工况）
图 5 入口 90°大弯头处的压力云图（a）及速度矢量图（b）（TRL 工况）
图 6 水平分支管道处的压力云图（TRL 工况）
（a）
（b）
图 7 水平分支管道处的速度矢量图（TRL 工况） 图8 蒸汽分配管90°小弯头处的压力云图（a）及速度矢量图（b）（TRL工况）
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第2期
周林华，等：差分方程模型在交通流计算中的应用研究
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事故持续不撤离，则从事故发生开始，经过 6min50s， 车辆排队长度将到达距离事故发生点 140 米的上游 路口。因此，交通管理部门应该在 6min50s 内赶赴 现场疏散拥堵的交通，或是控制上游交通信号灯以 减少进入事故路段的车辆。
大容量坑口电站需要消耗大量的冷却水我国煤炭资源丰富的地区大多缺水冷却水的消耗成为坑口电站发展的瓶颈问题因此如何合理利用资源发展火力电站成为电力建设最为关注的问题发电厂空冷技术就能较好地解决这一问题空冷系统无需依赖水源在干旱缺水地区的新建火电机组中得到了广泛应用其潜在而巨大的经济优势和环保效益获得越来越显著的体现未来发展前景十分广阔
收稿日期：2014-01-02 基金项目：中国电力工程顾问集团东北电力设计院空冷排汽管道管件阻力系数分析研究项目 （K2012-029） 作者简介：吕太 （1957-），男，教授，E-mail：lt195738@126.com
第2期
吕太，等：1000MW 机组高位布置排汽管道内湿蒸汽的数值模拟
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吕太，王宏博
（东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 132012）
摘 要：排汽管道是空冷岛重要的系统和部件，其管线布置方式是否合理，管内压降及蒸汽流量分配均匀性是否满足设计
和使用要求，影响到空冷凝汽器的运行效率和冬季的防冻维护，是直接关系到发电机组经济运行和安全的大问题。应用
Ansys、Fluent 等计算流体力学软件对某 1000MW 直接空冷机组高位布置排汽管道内的湿蒸汽进行了数值模拟，并对模拟结
风机向上的引风进行热交换，蒸汽冷凝成水，冷凝水 从管束流至冷凝水箱，进入水循环系统循环利用，其 结构由架于空中的岛状钢结构及循环管网组成，简 称空冷岛［3］。随着我国直接空冷电站的快速发展及 运行经验的不断积累，空冷岛已逐步实现国内自主 设计。
排汽管道作为空冷岛重要的系统和部件，其管 线布置方式是否合理，管内压降及蒸汽流量分配均 匀性是否满足设计和使用要求，直接关系到电厂运 行的可靠性和安全性。目前国内对该系统设计工作 的相关数据很不充分，特别是对百万千万级空冷机 组的排汽管道而言。本文应用计算流体力学软件 Fluent 对目前比较主流的采用排汽管道高位布置的 百万千瓦级直接空冷机组负压大通道内的湿蒸汽流 动和分配特性进行研究。