新型喉部取壓給水流量噴嘴研究與應(yīng)用

劉 利，李國(guó)慶，陳 嘯

（中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086）

0 引言

在制定大容量火電機(jī)組節(jié)能降耗措施以及電力調(diào)度部門實(shí)施節(jié)能調(diào)度時(shí)，必須準(zhǔn)確了解機(jī)組的基本性能狀況，如汽輪機(jī)的熱耗率、發(fā)電煤耗和供電煤耗率等，確定這些性能指標(biāo)的方法包括機(jī)組性能在線監(jiān)測(cè)和定期性能試驗(yàn)。而主給水流量則是火力發(fā)電機(jī)組性能監(jiān)測(cè)中的主要指標(biāo)，它不僅是判別機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，也是機(jī)組開(kāi)展熱力試驗(yàn)和性能監(jiān)測(cè)的核心計(jì)算數(shù)據(jù)。隨著機(jī)組性能試驗(yàn)的不斷開(kāi)展，凝結(jié)水流量噴嘴的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已經(jīng)完全成熟，而對(duì)于給水流量測(cè)量的研究起步則較晚。在現(xiàn)存研究中，李珩[1]認(rèn)為給水流量測(cè)量大大降低了高精度性能試驗(yàn)的成本和難度，有利于機(jī)組日常運(yùn)行監(jiān)測(cè)體系的建立；常東鋒等[2]指出采用焊接結(jié)構(gòu)的低β值喉部取壓長(zhǎng)頸噴嘴用于給水流量測(cè)量的方法，可以大幅提高日常性能監(jiān)測(cè)的精度；江浩等[3-5]研究分析了低β值喉部取壓長(zhǎng)頸給水噴嘴的不確定度因素，分別進(jìn)行了以給水流量和凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)流量的比對(duì)試驗(yàn)，并結(jié)合給水高溫、高壓的測(cè)量特點(diǎn)，對(duì)流量噴嘴與管道的兩種鋼焊接時(shí)焊材和焊接工藝的選擇進(jìn)行了分析。為了避免異種鋼焊接導(dǎo)致的變形存在的測(cè)量誤差與焊接接頭存在的安全隱患，本文研究設(shè)計(jì)了新型喉部取壓給水流量噴嘴，并對(duì)該流量噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬、校驗(yàn)、比對(duì)分析。結(jié)果顯示，新型喉部取壓給水流量噴嘴符合美國(guó)ASME/ANSI.PTC6—2004 標(biāo)準(zhǔn)推薦使用要求，應(yīng)用效果良好。

1 新型喉部取壓給水流量噴嘴結(jié)構(gòu)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，設(shè)計(jì)了一種鑲嵌固定+取壓管貫通的雙重定位連接結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。該流量噴嘴包括管道和噴嘴2 部分，噴嘴與管道為嵌套結(jié)構(gòu)，兩者通過(guò)預(yù)先加工的凸臺(tái)、凹槽進(jìn)行定位連接。管道與噴嘴之間使用鑲嵌固定和取壓管貫通的雙重定位連接結(jié)構(gòu)，使得部件定位更精準(zhǔn)，軸向位移約束加強(qiáng)，可避免流體節(jié)流產(chǎn)生的軸向推力對(duì)測(cè)量的影響[6]。

圖1 給水流量噴嘴剖面結(jié)構(gòu)示意圖

2 流量測(cè)量機(jī)理研究

基于計(jì)算流體力學(xué)CFD（computational fluid dynamics）平臺(tái)，建立高溫高壓給水流動(dòng)模型，研究給水流量噴嘴的測(cè)量機(jī)理，分析流量噴嘴結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量的影響。

2.1 湍流模型

湍流模型是一系列封閉的方程組。目前湍流模型根據(jù)包含的微分方程數(shù)進(jìn)行劃分，針對(duì)簡(jiǎn)單流動(dòng)，包含的微分方程數(shù)越多，精度也就越高，但相對(duì)應(yīng)的計(jì)算量也會(huì)增大，收斂難度提升。

可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型一般用來(lái)解決應(yīng)變率特別大和低雷諾數(shù)的情形。本方案采用的湍流模型為可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，湍動(dòng)能k和耗散率ε的公式為

其中，t為流動(dòng)時(shí)間，s；ρ為流體密度，kg/m3；xj為j方向上的分量；Gk表示平均速度梯度導(dǎo)致的湍動(dòng)能，J；Gb為浮力作用導(dǎo)致的湍動(dòng)能，J；YM為湍流的脈動(dòng)分量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)耗算率的影響；μ為層流黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；C1ε為常量，C1ε=1.44；C2ε為常量，C2ε=1.29；流動(dòng)方向與重力方向相同的剪切流C3ε=1，流動(dòng)方向與重力方向垂直的剪切流C3ε=0；σk為湍動(dòng)能的Prandtl 數(shù)，σk=1.0；σε為耗算率的Prandtl 數(shù)，σε=1.2；ν是分子運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；C1=max[0.43，η/（η+5）]，η=Ek/ε；E為應(yīng)變率。

2.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

為了模擬真實(shí)給水流量測(cè)量過(guò)程中的給水流動(dòng)，選取330 MW 機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，管道直徑D為293.10 mm，給水流量噴嘴喉部直徑d為118.86 mm，管道長(zhǎng)度為流量噴嘴前20D、噴嘴后10D。給水流量噴嘴整體結(jié)構(gòu)及喉部結(jié)構(gòu)如圖2、圖3 所示。

圖2 高精度給水流量噴嘴整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 高精度給水流量噴嘴喉部示意圖

由于模型不規(guī)則程度高，不易生成計(jì)算量大的六面體網(wǎng)格，故選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為了保證計(jì)算結(jié)果的精度，對(duì)噴嘴區(qū)域生成的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。噴嘴入口參數(shù)設(shè)置：壓力19 MPa，溫度270 ℃，給水流量1 000 m3/h。

2.3 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算后，從得到的流量噴嘴整體流場(chǎng)可以看出，給水經(jīng)過(guò)整流格柵的整流之后，流場(chǎng)分布均勻。在噴嘴喉部區(qū)域，由于噴嘴喉部的縮放結(jié)構(gòu)，噴嘴喉部的前段為漸縮結(jié)構(gòu)，給水速度逐漸升高；經(jīng)過(guò)平滑的過(guò)渡后，給水流至內(nèi)徑最小的喉部中段，流速達(dá)到最大值，給水靜壓最小，且保持穩(wěn)定。噴嘴喉部后段為漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)，給水流速逐漸降低，給水靜壓得到回收恢復(fù)。

噴嘴喉部前段與中段的渦流黏度為零，在喉部的后段，隨著內(nèi)徑逐漸增大，在中心區(qū)域流體的強(qiáng)烈剪切力作用下，外圍的流體產(chǎn)生劇烈卷吸，使得喉部后段的渦流黏度逐漸增大。而流量噴嘴喉部的前段與中段，沒(méi)有產(chǎn)生卷吸擾流，可以得到穩(wěn)定的靜壓力，適合于靜壓的測(cè)量，從而在流量噴嘴的直管段與噴嘴喉部中段可以精確地測(cè)得節(jié)流產(chǎn)生的壓差。

3 實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)

由機(jī)械工業(yè)第十三計(jì)量測(cè)試中心站按照《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》ASME PTC6—2004 的要求對(duì)本流量噴嘴進(jìn)行整體（包括噴嘴及上下游直管段、流動(dòng)整流器等附加設(shè)備）校驗(yàn)，包含21 個(gè)不同的雷諾數(shù)Red，校驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可知，校驗(yàn)結(jié)果滿足美國(guó)ASME ANSI.PTC6—2004 標(biāo)準(zhǔn)推薦的精度要求。

表1 新型給水流量噴嘴校驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高精度給水流量測(cè)量裝置能否滿足高溫、高壓、高雷諾數(shù)給水測(cè)量的要求，將該流量噴嘴安裝在某電廠機(jī)組的給水管道上（原給水流量噴嘴的下游位置）進(jìn)行試驗(yàn)。比對(duì)試驗(yàn)方法如下：在5號(hào)低壓加熱器至除氧器進(jìn)水管道上加裝了性能考核試驗(yàn)專用的ASME 長(zhǎng)頸流量噴嘴。依據(jù)《汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》ASME PTC6—2004，以主凝結(jié)水流量作為試驗(yàn)的基準(zhǔn)流量，通過(guò)高壓加熱器的熱平衡計(jì)算得到主給水流量，并與直接測(cè)量的給水流量進(jìn)行比較，以確定給水流量測(cè)量裝置的測(cè)量精度。本次試驗(yàn)包括315 MW、250 MW 工況下的主給水流量測(cè)量，比對(duì)結(jié)果如表2 所示。

表2 主給水流量計(jì)算值、測(cè)量值比較單位：t/h

在315 MW 工況下，以凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)，計(jì)算得到的主給水流量計(jì)算值為934.5 t/h，高精度給水噴嘴直接測(cè)量值為940.5 t/h，兩者偏差6 t/h，偏差0.642%；而在250 MW 工況下，計(jì)算得到的主給水流量為727.3 t/h，高精度給水噴嘴直接測(cè)量值為736.4 t/h，兩者偏差9.1 t/h，偏差1.25%。

以凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)，計(jì)算得到的主給水流量計(jì)算值作為基準(zhǔn)，與原主給水流量噴嘴測(cè)量值相比較。在315 MW 工況下，原給水噴嘴直接測(cè)量值為962.2 t/h，兩者偏差27.7 t/h，偏差2.96%；250 MW工況下，原給水流量噴嘴直接測(cè)量值為740.1 t/h，兩者偏差12.8 t/h，偏差1.75%。

以凝結(jié)水流量為基準(zhǔn)，計(jì)算得到的主給水流量計(jì)算值作為基準(zhǔn)，與主蒸汽流量測(cè)量推算得到的主給水流量相比較。在315 MW 工況下，兩根主蒸汽管道直接測(cè)量值分別為476.8 t/h、488.1 t/h，考慮過(guò)熱器減溫水流量5.5 t/h，推算得到主給水流量為959.4 t/h，偏差24.9 t/h，偏差2.64%；在250 MW 工況下，2 根主蒸汽管道直接測(cè)量值分別為376.2 t/h、389.0.1 t/h，考慮過(guò)熱器減溫水流量17.9 t/h，推算得到主給水流量為747.4 t/h，偏差20.1 t/h，偏差2.76%。

5 新型給水流量噴嘴的優(yōu)勢(shì)

與已有的給水流量噴嘴技術(shù)相比，新型給水流量噴嘴設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

a）流量噴嘴采用鑲嵌固定+取壓管貫通相結(jié)合的定位連接方式，完全避免喉部取壓長(zhǎng)頸噴嘴內(nèi)部的異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，部件之間依靠物理連接方式，不僅可靠性高，連接接觸面積大，而且部件磨損脫落概率小。

b）管道與噴嘴之間使用凸臺(tái)凹槽配合和取壓管貫通的雙重定位連接結(jié)構(gòu)，使得部件定位更精準(zhǔn)，軸向位移約束加強(qiáng)，可避免或減小流體節(jié)流產(chǎn)生的軸向推力對(duì)測(cè)量的影響。該裝配方法只需在管道外壁進(jìn)行焊接，整體安裝工藝簡(jiǎn)單，并且無(wú)異種鋼焊接的結(jié)構(gòu)，可有效延長(zhǎng)測(cè)量裝置的整體使用壽命。

c）寬量程。為了獲取較高的測(cè)量精度，一般希望節(jié)流裝置能夠盡量產(chǎn)生較大的壓差，但普通節(jié)流裝置在產(chǎn)生較大壓差的同時(shí)其不可回收的壓力損失也很大，致使運(yùn)行能耗及運(yùn)行費(fèi)用升高。因此，一般的測(cè)量裝置在設(shè)計(jì)工況下選用的壓差值不大于150 kPa，這樣在低負(fù)荷下產(chǎn)生的壓差值就很小，明顯降低了低負(fù)荷下的測(cè)量精度。對(duì)于裝有擴(kuò)壓裝置的低β值喉部取壓給水流量噴嘴，可以極大地提高設(shè)計(jì)差壓，保證測(cè)量精度，從而擴(kuò)大測(cè)量范圍。

由表3 可知，對(duì)于小壓差設(shè)計(jì)的凝結(jié)水流量噴嘴，當(dāng)壓差變化1 kPa 時(shí)，所測(cè)量流量變化約為2 973 kg/h，相對(duì)變化量約0.332%；而采用大壓差設(shè)計(jì)的給水流量噴嘴，當(dāng)壓差變化1 kPa 時(shí)，流量變化僅為1 286 kg/h，相對(duì)變化量小于0.124%?？梢?jiàn)，小壓差設(shè)計(jì)的流量噴嘴對(duì)壓差測(cè)量的誤差敏感性大，較小的測(cè)量誤差都會(huì)導(dǎo)致更大的流量誤差，而大壓差設(shè)計(jì)的流量噴嘴則不會(huì)。另外，即使2 根噴嘴均具有較高的精度，但測(cè)量系統(tǒng)的不規(guī)范，如高、低壓側(cè)引壓管內(nèi)水柱高度、密度等的不同，也可能造成輕微的壓差測(cè)量誤差。小壓差設(shè)計(jì)的噴嘴將放大這一誤差，而大壓差設(shè)計(jì)的噴嘴則相對(duì)較好地解決了這一問(wèn)題。

表3 測(cè)量差壓對(duì)流量的影響比對(duì)

d）低能耗。以某330 MW 機(jī)組性能試驗(yàn)為例，對(duì)比了新型流量噴嘴和傳統(tǒng)流量噴嘴能耗回收的差異。其中喉部取壓噴嘴采用大差壓設(shè)計(jì)，最大流量（940.5 t/h）對(duì)應(yīng)的差壓為331.9 kPa，而傳統(tǒng)流量噴嘴選用的最大流量（940.5 t/h）對(duì)應(yīng)的最大差壓為155.1 kPa，具體數(shù)據(jù)如表4 所示。通過(guò)一體式縮放結(jié)構(gòu)回收壓力損失，減小給水泵耗功，在940.5 t/h工況下，給水泵耗功減小59.5 kW，機(jī)組熱耗率降低2.92 kJ/（kW·h）。

表4 新型給水流量噴嘴與原給水流量噴嘴的壓損比較

6 結(jié)論

針對(duì)給水流量測(cè)量的精度和安全問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型給水流量噴嘴，對(duì)該噴嘴進(jìn)行了建模分析和實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)，結(jié)果如下：

a）采用鑲嵌固定+取壓管貫通的雙重定位連接結(jié)構(gòu)，使得部件定位更精準(zhǔn)，軸向位移約束加強(qiáng)，完全避免喉部取壓長(zhǎng)頸噴嘴內(nèi)部的異種鋼焊接，可有效延長(zhǎng)測(cè)量裝置的整體使用壽命，提高給水流量測(cè)量精度。

b）新型給水流量噴嘴的縮放結(jié)構(gòu)，有效地提高了流量噴嘴的差壓量程，減小了因差壓量程小造成的誤差。

c）新型給水流量噴嘴能回收部分節(jié)流損失的壓力，減小了給水泵耗功，降低了機(jī)組能耗。