長距離供熱的影響因素分析

長距離供熱的影響因素分析

為了節(jié)約能源，環(huán)境保護，一些集中的工業(yè)區(qū)充分利用了周圍的大和中型火力發(fā)電廠的集中管理模式。但目前的國家規(guī)范文獻(xiàn)已經(jīng)遠(yuǎn)不能適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,所以迫切需要解決長距離供熱問題。在蒸汽長距離輸送時一個重要環(huán)節(jié)就是供熱管道的設(shè)計。要加大供熱的范圍,蒸汽的出口溫度、壓力是否滿足要求,是否有蒸汽凝結(jié),必須進行仔細(xì)的設(shè)計計算。由于流動及傳熱計算中影響因素非常多,可供設(shè)計改變的參數(shù)也很多,就有必要借助FLUENT模擬長距離輸送蒸汽時管道內(nèi)部的流動情況,并基于理論分析,得出機組在不同抽汽參數(shù)和輸送管徑時蒸汽最長的供熱距離(即蒸汽從輸送點到開始發(fā)生汽液相變點處的距離)。1道直徑相對輸送長度小單純使用Fluent不能準(zhǔn)確計算汽—水相變,所以就不能夠準(zhǔn)確模擬蒸汽能夠輸送的最遠(yuǎn)距離。通過Fluent迭代計算結(jié)合計算機編程可以彌補此缺陷。由于蒸汽傳輸距離長,且管道直徑相對輸送長度小,網(wǎng)格生成以及計算迭代時會占用較大電腦資源,所以本文采用分段模擬,既可使其收斂,提高計算精度,又方便觀察,為后處理及數(shù)據(jù)分析提供方便。首先利用Fluent模擬得到管道內(nèi)部蒸汽流動時溫度、壓力以及速度隨管道長度的變化關(guān)系,據(jù)此擬合出溫度、壓力隨管道長度變化的公式,然后進行后續(xù)供熱距離的編程計算。在編程中主函數(shù)的計算是利用Fluent模擬出的壓力、溫度和管道長度的關(guān)系式得到焓值,再根據(jù)焓值計算干度,判斷其是否為濕蒸汽。如果是,停止迭代計算輸出距離;如果不是,則繼續(xù)進行迭代計算。2熱力參數(shù)及其求解在GAMBIT中建立物理模型。本文模擬的是長直管道內(nèi)的流動情況,若直接建立圓柱體管道模型,網(wǎng)格數(shù)量較大,計算周期較長。由于圓柱體管道具有對稱性的特點,所以在GAMBIT中可以簡化為二維的矩形結(jié)構(gòu),以縮短計算周期。根據(jù)所選不同管道幾何參數(shù)和工質(zhì)的初始熱力參數(shù)構(gòu)建對應(yīng)的物理模型。本文應(yīng)用Fluent計算軟件,選擇Spalart-Allmaras模型,采用SIMPLEC算法求解壓力—速度耦合,對流項選擇二階迎風(fēng)格式。管道內(nèi)壁面設(shè)為無滑移條件μ=0、ν=0、ω=0。入口條件設(shè)為壓力入口,入口汽流沿軸向流動,入口壓力根據(jù)不同計算要求選取1.6MPa、2.5MPa和4MPa三個等級,溫度分別對應(yīng)300℃和400℃。出口條件為壓力出口,出口壓力根據(jù)入口壓力值和每km壓降計算得出。由于供熱管道距離較長,在水蒸氣的流動過程中其密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)是變化的,所以在設(shè)置物性時將水蒸氣屬性近似定義為溫度的分段線性函數(shù)。速度精度為10-3,能量精度為10-6,平均約為500步收斂。保溫材料使用原則:輸送蒸汽溫度在350℃以下時采用巖棉管殼,在350℃以上時采用硅酸鋁管殼,兩種保溫材料的物性如表1所示。3初始壓力對初始溫度的影響本文分別模擬了初溫為300℃時壓力為1.6MPa和2.5MPa,初溫為400℃時壓力為1.6MPa和2.5MPa的蒸汽長距離輸送時溫度、壓力變化情況。圖1為不同初始參數(shù)下壓力隨供熱距離變化圖。由圖中可以看出:在供熱蒸汽初始溫度一定的情況下,在初始溫度相對較低時,較高的初始壓力對應(yīng)的壓降較大,而較低的初始壓力對應(yīng)的壓降較小,這是由于提高蒸汽的初始壓力時,單位時間內(nèi)的流量增大,沿程阻力損失增大,所以管道的壓降變化較大。在初始溫度較高時,改變初始壓力,對于壓降的變化影響并不明顯。在供熱蒸汽初始壓力一定的情況下,由壓力變化微分方程可知管道內(nèi)的壓降與蒸汽的初始溫度呈相反的變化趨勢,所以提高蒸汽的初溫可以降低管道內(nèi)的壓降。圖2為不同初始參數(shù)下溫度隨供熱距離變化圖。從圖中可以看出:開始階段由于管內(nèi)蒸汽壓降較快,溫度變化直接受到壓降的影響,相應(yīng)的溫降比較快。隨著蒸汽輸送距離的增大,蒸汽散熱損失對于溫降的影響占據(jù)主導(dǎo),由于保溫作用溫度變化趨于平緩。當(dāng)供熱蒸汽初始溫度一定時,根據(jù)輸送一定量蒸汽時溫度變化關(guān)系式可知溫降與蒸汽的定壓比熱成反比,提高蒸汽的初始壓力,其定壓比熱增大,所以相應(yīng)的溫降減少。當(dāng)供熱蒸汽的初始壓力一定時,提高蒸汽的初始溫度使得蒸汽與環(huán)境之間的溫差增大,而此時定壓比熱隨著溫度的升高而減小,所以相應(yīng)的溫降反而增大。3供熱能力比較根據(jù)上述計算方法,可計算出不同抽汽參數(shù)和輸送管徑時蒸汽的最長供熱距離,得出蒸汽供熱距離隨供汽參數(shù)、流量、管徑及保溫等因素的變化規(guī)律,繪制成蒸汽供熱能力對比表,見表2。以初溫為300℃時壓力為1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa和初溫為400℃時壓力為1.6MPa、2.5MPa的幾個典型參數(shù)為例,從表中可以看出:增大供熱管徑不僅可以降低蒸汽壓降,而且在其它參數(shù)一定的情況下,供熱管徑較大對應(yīng)的溫降較小;當(dāng)供熱蒸汽初始溫度一定時,適當(dāng)降低初始壓力可以減小壓降延長供熱距離;當(dāng)供熱蒸汽初始壓力一定時,提高蒸汽的初溫可以減少管道的壓降。4蒸汽供熱的距離受制(1)當(dāng)高參數(shù)蒸汽對外供汽時,由于管道適用范圍受到蒸汽初始壓力、溫度的影響,在增大蒸汽流量時,管道壓降比較快,蒸汽容積流量增大很快,給供熱系統(tǒng)的安全帶來重大隱患,蒸汽供熱的距離受到制約;當(dāng)?shù)蛥?shù)蒸汽對外供汽時,由于管道適用范圍受到蒸汽初始壓力、溫度的影響不大,可以通過增大管徑來減小管道壓降,同時降低蒸汽在管道內(nèi)的流速,蒸汽供熱距離可以得到較大增加。(2)蒸汽初溫越高,單位距離的溫降越大;蒸汽初壓越高