长距离供热的影响因素分析

长距离供热的影响因素分析

为了节约能源，环境保护，一些集中的工业区充分利用了周围的大和中型火力发电厂的集中管理模式。但目前的国家规范文献已经远不能适应工业的发展现状,所以迫切需要解决长距离供热问题。在蒸汽长距离输送时一个重要环节就是供热管道的设计。要加大供热的范围,蒸汽的出口温度、压力是否满足要求,是否有蒸汽凝结,必须进行仔细的设计计算。由于流动及传热计算中影响因素非常多,可供设计改变的参数也很多,就有必要借助FLUENT模拟长距离输送蒸汽时管道内部的流动情况,并基于理论分析,得出机组在不同抽汽参数和输送管径时蒸汽最长的供热距离(即蒸汽从输送点到开始发生汽液相变点处的距离)。1道直径相对输送长度小单纯使用Fluent不能准确计算汽—水相变,所以就不能够准确模拟蒸汽能够输送的最远距离。通过Fluent迭代计算结合计算机编程可以弥补此缺陷。由于蒸汽传输距离长,且管道直径相对输送长度小,网格生成以及计算迭代时会占用较大电脑资源,所以本文采用分段模拟,既可使其收敛,提高计算精度,又方便观察,为后处理及数据分析提供方便。首先利用Fluent模拟得到管道内部蒸汽流动时温度、压力以及速度随管道长度的变化关系,据此拟合出温度、压力随管道长度变化的公式,然后进行后续供热距离的编程计算。在编程中主函数的计算是利用Fluent模拟出的压力、温度和管道长度的关系式得到焓值,再根据焓值计算干度,判断其是否为湿蒸汽。如果是,停止迭代计算输出距离;如果不是,则继续进行迭代计算。2热力参数及其求解在GAMBIT中建立物理模型。本文模拟的是长直管道内的流动情况,若直接建立圆柱体管道模型,网格数量较大,计算周期较长。由于圆柱体管道具有对称性的特点,所以在GAMBIT中可以简化为二维的矩形结构,以缩短计算周期。根据所选不同管道几何参数和工质的初始热力参数构建对应的物理模型。本文应用Fluent计算软件,选择Spalart-Allmaras模型,采用SIMPLEC算法求解压力—速度耦合,对流项选择二阶迎风格式。管道内壁面设为无滑移条件μ=0、ν=0、ω=0。入口条件设为压力入口,入口汽流沿轴向流动,入口压力根据不同计算要求选取1.6MPa、2.5MPa和4MPa三个等级,温度分别对应300℃和400℃。出口条件为压力出口,出口压力根据入口压力值和每km压降计算得出。由于供热管道距离较长,在水蒸气的流动过程中其密度、比热容、导热系数是变化的,所以在设置物性时将水蒸气属性近似定义为温度的分段线性函数。速度精度为10-3,能量精度为10-6,平均约为500步收敛。保温材料使用原则:输送蒸汽温度在350℃以下时采用岩棉管壳,在350℃以上时采用硅酸铝管壳,两种保温材料的物性如表1所示。3初始压力对初始温度的影响本文分别模拟了初温为300℃时压力为1.6MPa和2.5MPa,初温为400℃时压力为1.6MPa和2.5MPa的蒸汽长距离输送时温度、压力变化情况。图1为不同初始参数下压力随供热距离变化图。由图中可以看出:在供热蒸汽初始温度一定的情况下,在初始温度相对较低时,较高的初始压力对应的压降较大,而较低的初始压力对应的压降较小,这是由于提高蒸汽的初始压力时,单位时间内的流量增大,沿程阻力损失增大,所以管道的压降变化较大。在初始温度较高时,改变初始压力,对于压降的变化影响并不明显。在供热蒸汽初始压力一定的情况下,由压力变化微分方程可知管道内的压降与蒸汽的初始温度呈相反的变化趋势,所以提高蒸汽的初温可以降低管道内的压降。图2为不同初始参数下温度随供热距离变化图。从图中可以看出:开始阶段由于管内蒸汽压降较快,温度变化直接受到压降的影响,相应的温降比较快。随着蒸汽输送距离的增大,蒸汽散热损失对于温降的影响占据主导,由于保温作用温度变化趋于平缓。当供热蒸汽初始温度一定时,根据输送一定量蒸汽时温度变化关系式可知温降与蒸汽的定压比热成反比,提高蒸汽的初始压力,其定压比热增大,所以相应的温降减少。当供热蒸汽的初始压力一定时,提高蒸汽的初始温度使得蒸汽与环境之间的温差增大,而此时定压比热随着温度的升高而减小,所以相应的温降反而增大。3供热能力比较根据上述计算方法,可计算出不同抽汽参数和输送管径时蒸汽的最长供热距离,得出蒸汽供热距离随供汽参数、流量、管径及保温等因素的变化规律,绘制成蒸汽供热能力对比表,见表2。以初温为300℃时压力为1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa和初温为400℃时压力为1.6MPa、2.5MPa的几个典型参数为例,从表中可以看出:增大供热管径不仅可以降低蒸汽压降,而且在其它参数一定的情况下,供热管径较大对应的温降较小;当供热蒸汽初始温度一定时,适当降低初始压力可以减小压降延长供热距离;当供热蒸汽初始压力一定时,提高蒸汽的初温可以减少管道的压降。4蒸汽供热的距离受制(1)当高参数蒸汽对外供汽时,由于管道适用范围受到蒸汽初始压力、温度的影响,在增大蒸汽流量时,管道压降比较快,蒸汽容积流量增大很快,给供热系统的安全带来重大隐患,蒸汽供热的距离受到制约;当低参数蒸汽对外供汽时,由于管道适用范围受到蒸汽初始压力、温度的影响不大,可以通过增大管径来减小管道压降,同时降低蒸汽在管道内的流速,蒸汽供热距离可以得到较大增加。(2)蒸汽初温越高,单位距离的温降越大;蒸汽初压越高