汽轮机旁路供热系统的减温减压器安全性分析

㊀收稿日期:2018 ̄09 ̄17㊀㊀㊀㊀㊀
㊀基金项目:国家电网公司科技项目资助(JLDKYGSWWFW201805021)ꎮ
㊀作者简介:赵金峰(1974 ̄)ꎬ男ꎬ高级工程师ꎬ主要从事汽轮机热力试验及节能㊁优化运行方面的研究ꎮ
汽轮机旁路供热系统的减温减压器安全性分析
赵金峰1ꎬ冯忠宝1ꎬ曹丽华2ꎬ司和勇2ꎬ姚莹莹1
(1吉林省电力科学研究院有限公司ꎬ长春130021ꎻ
2东北电力大学能源与动力工程学院ꎬ吉林132012)摘要:针对汽轮机高旁供热下减温减压器安全性问题ꎬ建立减温减压器CFX-Staticstructural流固耦合模型ꎬ采用凝结-蒸发多相介质模型实现喷水减温ꎬ从流场和结构力学两方面对减温减压器的安全性进行研究ꎮ结果表明:减温减压器通过节流扩压可实现大压降降压过程ꎮ由于蒸汽的旋涡运动ꎬ减温减压器内会出现高低温区的不均匀分布ꎬ进而影响阀体的形变量ꎻ减温减压器入口㊁支撑环㊁一级节流孔板以及下半部底座形变量较大ꎮ阀体凹槽㊁支撑环内侧以及一级节流孔板中部应力集中较强ꎮ关键词:减温减压器ꎻ流固耦合ꎻ安全性ꎻ结构力学
分类号:TK264㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1001 ̄5884(2019)01 ̄0071 ̄03
SafetyAnalysisofDesuperheaterPressureReducingStation
inBypassSystemofSteamTurbine
ZHAOJin ̄feng1ꎬFENGZHong ̄bao1ꎬCAOLi ̄hua2ꎬSIHe ̄yong2ꎬYAOYing ̄ying1
(1JilinProvinceElectricPowerResearchInstituteCompanyLimitedꎬChangchun130021ꎬChinaꎻ
2SchoolofEnergyandPowerEngineeringꎬNortheastElectricPowerUniversityꎬJilin132012ꎬChina)
Abstract:AimedatthesafetyofdesuperheaterpressurereducingstationinhighpressurebypasssystemofsteamturbineꎬtheCFX-Staticstructuralfluid ̄
solidcouplingmodelofdesuperheaterpressurereducingstationwasestablished.Thespraydesuperheatingbycondensation ̄evaporationmulti ̄phasemodelisalsorealized.Theresultsfromaspectsofflowfieldandstructuralmechanicsshowthatthelargepressuredropcanbeachievedbythrottlinganddiffuser.Theunevendistributionofhighandlowtemperaturezonesappearindesuperheaterpressurereducingstationbecauseofthesteamvortexesꎬwhichaffectthedeformationofvalvebody.Thedeformationofinletꎬsupportringꎬthefirstthrottleorificeplateandthelowerhalfofdesuperheaterpressurereducingstationisgreater.Thegrooveofvalvebodyꎬtheinnersideofsupportingringandthe
firstthrottleorificeplatehavestrongerstressconcentration.
Keywords:desuperheaterpressurereducingstationꎻfluid ̄solidcouplingꎻsafetyꎻstructuralmechanics
0㊀前㊀言
随着清洁能源的快速发展ꎬ火电机组参与深度调峰要求
火电机组消除 热电约束 影响[1]ꎮ旁路供热或高低旁联合供热逐渐成为一种新的趋势[2ꎬ3]
ꎮ减温减压器是火电机组旁
路供热改造中必不可少的装置ꎬ其安全运行是供热系统安全
和稳定运行的重要保证ꎮ
传统减温减压器大多为分体式减温减压器ꎬ蒸汽先通过阀体内多级节流孔板降压ꎬ再通过减温器内喷嘴喷水进行降温ꎬ但减温减压效果有限ꎮ为满足旁路供热的要求ꎬ一体式减温减压器被应用ꎮ然而现有机组参数高㊁容量大㊁供热时期长ꎬ减温减压器可能会发生热疲劳㊁多热氧化㊁腐蚀等现象ꎬ从而影响阀体的安全性[4]ꎮ计算流体力学的发展为该领域的研究提供了简便有效的手段ꎮCongwei等人对减温减
压器的节流喷嘴进行计算ꎬ实现了9MPa的大压降模拟[5]ꎬ但该研究中未模拟喷水减温过程ꎬ也未对阀体的热应力进行分析ꎬ缺少安全性理论分析ꎮ侯志鹏通过LES/FW-H方法对分体式减温减压器内部流场进行模拟[6]ꎬ发现喷注噪声有清晰的方向性ꎬ并通过DPM离散相实现了喷水减温过程ꎮ
然而一体式减温减压器与分体式有着明显区别ꎬ使该研究无法应用到一体式减温减压器上ꎮ此外ꎬ单纯流场分析难以确定减温减压器的安全状况ꎮFuqiang等人利用ANSYSWork ̄bench建立减温减压器流固耦合模型ꎬ将压力场耦合到阀体表面ꎬ对阀体的应力进行了分析[7]ꎮ
因此ꎬ本文建立一体式喷水减温减压器流固耦合模型ꎬ采用CFX凝结-蒸发多相介质模型实现喷水减温过程ꎬ将大压差和温差耦合到阀体上ꎬ利用StaticStructural结构力学软件对阀体的应力分布进行计算ꎮ结合内部流场特性和阀体应力分布ꎬ到应力集中位置ꎬ为减温减压器的运行提供
潜流带
第61卷第1期汽㊀轮㊀机㊀技㊀术Vol.61No.1
2019年2月
TURBINETECHNOLOGY
Feb.2019
理论指导ꎮ
1㊀物理模型
本文以C1Z604-0一体式减温减压器为例ꎬ利用ANSYS
Workbench建立流固耦合模型ꎬ减温减压器结构参数及物理模型如图1所示ꎮ节流孔板参数见表
1ꎮ
图1㊀减温减压器结构及模型
㊀㊀表1
减温减压器部件名称及参数
编号名㊀㊀称
尺寸ꎬmm
编号名㊀㊀称尺寸ꎬmm1阀体㊀㊀㊀-7二级节流孔182流域㊀㊀㊀-
8三级节流孔233流域入口㊀1809
喷水出口㊀504流域出口㊀35010喷水入口㊀505一级节流孔
6.4811阀杆㊀㊀㊀
支撑环㊀㊀-㊀㊀为保证入口流场贴近实际ꎬ消除未完全发展段的影响ꎬ在模型进口添加170mm的延长段ꎮ同理ꎬ为获得实际的蒸汽压力ꎬ需对节流后的蒸汽整流回压ꎬ在出口添加500mm的延长段ꎮ结合进出口所衔接的管道ꎬ该部分流域未与阀体耦合ꎬ从而获得更准确的应力分析ꎮ
减温减压器在实际工作过程中ꎬ喷水会因高温蒸汽的加热发生蒸发ꎬ而接触喷水的蒸汽会先被凝结再蒸发ꎬ这是一个短暂的相变过程ꎮ本文采用CFX凝结-蒸发多相介质模型实现喷水减温过程ꎮ具体数学过程如下:
流体沸点是蒸发压力与温度的关系式:
pv=pse
a-b/(Tp+c)
(1)
式中ꎬps为压力标度ꎬPaꎻTp为蒸汽温度ꎬħꎻa为状态常数ꎻb为蒸汽焓系数ꎻc为温度系数ꎮ
当水滴温度高于沸点时ꎬ质量传递如下:
dmpdt=-QC+QR
(2)
式中ꎬmp为颗粒质量ꎬkgꎻt为时间ꎬsꎻQC为对流换热量ꎬJꎻQR为辐射换热量ꎬJꎻL为汽化潜热ꎬJ/kgꎮ
当水滴温度低于沸点时ꎬ质量传递如下:
dmpdt=πdpρDShwcwgln1-xvs
1-xvv
()
(3)
式中ꎬdp为粒子直径ꎬmꎻρD为动力扩散系数ꎻSh为Sherwood系数ꎻwc为蒸汽分子量ꎻwg为混合物分子量ꎻxvs为平衡蒸汽摩尔分数ꎻxvv为混合气体摩尔分数ꎮ分量信号
连续流体质量源可表示为:
dmpdt=dS
dt
(4)
式中ꎬS为质量源ꎬkgꎮ
同时ꎬ工质传热过程考虑了对流传热和辐射传热ꎬ传热属性结合工质本身特性设为fluiddependentꎮ模型的边界参数设置见表2ꎮ
㊀㊀表2
模型边界参数
边界条件参数边界条件参数流域质量入口㊀㊀91.47kg/s减温水温度㊀㊀㊀179ħ流域压力出口㊀㊀4.03MPa减温水粒子直径㊀0.02mm蒸汽入口温度㊀㊀538ħ减温水粒子初速度
拉线抱箍30m/s
减温水质量出口㊀
21.1kg/s
㊀㊀为避免网格数量对计算结果产生影响ꎬ本文进行了网格无关性验证ꎬ计算结果见表3ꎮ
㊀㊀表3
网格无关性验证
网格数量ꎬ万出口流量ꎬkg/s网格数量ꎬ万
出口流量ꎬkg/s294118.071818112.735417110.152928
112.733
639
113.024最小误差ꎬ%
最小误差=
112.735-112.733
112.735
ˑ100=0.0017
㊀㊀当网格数超过600万时ꎬ计算结果基本不变ꎬ最后相邻两种网格计算结果误差在0.002%以内ꎮ考虑到减温水粒子直径较小ꎬ追踪轨迹困难ꎬ结合服务器硬件配置ꎬ本文选用
800万网格数量对减温减压器进行划分ꎮ
减温减压器阀体金属密度为7850kg/m3ꎬ杨氏模量为
2ˑ1011Paꎬ泊松比为0.3ꎮ阀杆下方以及阀体下表面法兰螺栓交界处采用固定约束ꎬ阀体内部施加流域的压力和温度载荷ꎮ同时为保证应力分析的准确ꎬ减温减压器阀体网格数量划分为100万ꎮ
2㊀计算结果分析
通过对减温减压器流域计算ꎬ得到流场压力和温度的分布情况ꎬ如图2所示ꎮ
从图2(a)X-Y平面压力分布图中可以看出ꎬ主蒸汽压力到达减温减压器入口为16.59MPaꎬ与
实际16.67MPa相差
0.08MPaꎬ考虑管道压损ꎬ该结果较为符合实际情况ꎮ蒸汽经过一级节流孔板后ꎬ前后压差为3.06MPaꎻ经过二级节流孔板后ꎬ蒸汽压力降为8.16MPaꎬ同时由于减温减压器内部呈扩压形状ꎬ由扩压和节流共同作用ꎬ该阶段压降较大ꎬ可达5.367MPaꎻ经三级节流孔板减压后ꎬ出口压力可稳定在4.029MPaꎮ2
7汽㊀轮㊀机㊀技㊀术㊀㊀
第61卷
图2㊀减温减压器压力和温度云图
从图2(b)Y-Z平面的温度分布情况可以发现ꎬ蒸汽在经过一级节流孔板后温度有所降低ꎬ在喷水减温口附近ꎬ蒸汽温度骤降ꎬ甚至出现温度低于300K的情况ꎬ这是由于减温水使得部分蒸汽骤凝所导致的ꎮ由于减温水与蒸汽相对流动ꎬ两者之间形成 隔膜 ꎬ其内部温度较低ꎬ约为500K左右ꎬ而外部温度则在780K左右ꎻ在经过二级节流孔板之后ꎬ 隔膜 逐渐扩散ꎬ在经过三级节流孔板之后ꎬ高低温区分界变得模糊ꎬ受节流板扰流作用ꎬ高低温蒸汽充分混合ꎬ平均温度在600K左右ꎮ
通过上述分析可以发现ꎬ二级节流孔板的减压效果最好ꎬ减温水与蒸汽的交界面发生了较为强烈的凝结-蒸发过程ꎬ即蒸汽先凝结再蒸发ꎮ由于蒸汽的旋涡运动ꎬ减温减压器内会出现高低温区的不均匀分布ꎮ
耦合流域的压力场和温度场ꎬ对阀体进行应力分析ꎬ得到减温减压器阀体的变形量分布情况ꎬ如图3所示
图3㊀耦合流场的阀体变形量
由图3可以看出ꎬ受主蒸汽的高温作用ꎬ在阀体入口形
变较大ꎬ在实际中受管道的紧固作用ꎬ该部位的形变相对会较小ꎬ但管道的约束作用有限ꎬ因此ꎬ为保证减温减压器可以长期安全运行ꎬ需要对入口进行约束强化和加固ꎮ随着蒸汽在阀体内部流动ꎬ在阀芯(一级节流孔板)上方的阀体ꎬ即支撑环的形变量较大ꎬ其中间部位形变量在2mm以上ꎮ结合流场分析ꎬ这是由于该部位蒸汽压力和温度均较高ꎬ且存在一定的涡流作用ꎬ使得金属壳体的变形量较大ꎮ受二级节流
孔板前后的涡流作用ꎬ近壁面温度较高ꎬ但由于该部位的压
力相对较低ꎬ因此ꎬ其形变量在1.5mm左右ꎮ
对阀体各节点应力进行计算ꎬ得到阀体耦合流场后的应力分布情况ꎬ如图4所示ꎮ从图4可以看出ꎬ阀体外表面应力分布较为均匀ꎮ在支撑环上下方ꎬ由于阀体被固定ꎬ在两处的凹槽部位产生较大的应力集中ꎮ在阀体上下表面的约束处ꎬ也出现同样的应力值ꎮ如果剖开阀体ꎬ可以看到支撑环的内表面应力较大ꎮ同时ꎬ一级节流孔板(阀芯)所受的应力也较大ꎮ在减温减压器长期供热运行的条件下ꎬ需对支撑环㊁
阀体凹槽以及一级节流孔板进行加固强化ꎬ从而保证系统的稳定运行沟槽三通
图4㊀耦合流场的阀体应力
宠物餐具3㊀结㊀论
本文建立了减温减压器的流固耦合模型ꎬ通过凝结-蒸发多相介质模型实现水减温过程ꎬ并将压力场和温度场耦合到阀体进行结构力学分析ꎬ得到以下结论:
(1)减温减压器通过节流扩压的作用可实现大压降降压过程ꎬ其中二级节流孔板减压效果最为明显ꎬ约占总压降的
无线发射电路
42.7%ꎮ
(2)减温水与蒸汽的交界面发生强烈的凝结-蒸发过程ꎬ由于蒸汽的旋涡运动ꎬ减温减压器内会出现高低温区的不均匀分布ꎬ进而影响阀体的形变量ꎮ
(3)减温减压器入口㊁支撑环㊁一级节流孔板以及下半部
底座形变量较大ꎬ最大形变量为3mmꎮ阀体凹槽ꎬ支撑环内侧以及一级节流孔板中部应力集中较强ꎬ为保证运行安全ꎬ需要进行加固强化ꎮ
参考文献
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37第1期赵金峰等:汽轮机旁路供热系统的减温减压器安全性分析
㊀㊀
图10㊀C型投球装置流动迹线图
装置进入冷却管ꎬ投球效果比较好ꎮ
3.3㊀改造后的运行分析
对于改进后的投球装置ꎬ它能在20min内沿端孔板平面移动1次ꎬ每次释放在每根管子中的胶球数量为2个~4个ꎬ在1h内可循环3次ꎬ管道中每根管子每小时能进入的胶球数量为6个~12个ꎬ对于凝汽器冷却管道ꎬ这种频率能防止管道内部结垢或污物堵塞ꎮ
对于采用普通投球方式的机组ꎬ按照运行机制ꎬ一天投运两次ꎬ每次投球1.5hꎬ收球1hꎬ投球数量为单侧冷却管数目的10%ꎬ取每分钟平均循环速率[7]为100%计算ꎬ假设胶球平均分布在胶球管道内ꎬ则1h内每根管道平均可通过6个胶球ꎮ实际上ꎬ由于采用普通投球方式ꎬ胶球并不能均匀地进入管道ꎬ致使靠近中间部分的管组清洗次数远高于在入口水室边缘的管组[3]ꎮ当采用新型凝汽器投球装置时ꎬ由于投球装置可在靠近端孔板平面内来回移动ꎬ使得对于管组的投球更加均匀ꎬ管道结垢和堵塞的现象会大大减少ꎮ3.4㊀阻力特性分析
凝汽器水阻是凝汽器冷却水在水侧流动的阻力ꎬ一般由凝汽器冷却管水阻㊁凝汽器水室及管端水阻组成ꎮ对于数值计算模型ꎬ设置不同的进口流速能得到不同的水阻ꎬ将其与凝汽器设计时测得的实验数据进行比较ꎬ凝汽器水阻的最大差值为9.2%ꎬ计算结果和设计结果差异较小ꎬ模型选用适当ꎮ
4㊀结㊀论
(1)采用FLUENT数值模拟软件对传统的凝汽器胶球清洗装置进行模拟ꎬ发现凝汽器入口水室内部由于结构原因出现胶球集聚打旋现象ꎬ不利于管道清洗ꎮ
(2)针对上述情况ꎬ对凝汽器投球装置进行改造ꎬ对3种投球装置进行比较研究ꎬ对于提出的3种投球装置ꎬ圆柱形装置投球效果最好ꎬ利于胶球快速通过投球装置进入冷却管ꎮ㊀㊀(3)对于改造后的清洗系统ꎬ
其清洗速度和频率能保证
图11㊀凝汽器水阻与循环水量的关系
凝汽器冷却管道的清洗ꎬ而且其清洗均匀性优于传统清洗方式ꎬ对管道清洗更加全面㊁彻底ꎮ
参考文献
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(上接第73页)
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77
第1期闫顺林等:600MW机组凝汽器水侧胶球清洗系统数值模拟及优化改造㊀㊀

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