【doc】CFD技术在汽轮机定子线圈冷却水流量测量中的应用

【doc】CFD技术在汽轮机定子线圈冷却水流量测量中的应用 CFD技术在汽轮机定子线圈冷却水流量测 量中的应用 第19卷第6期 2004年11月 热能动力工程 JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER Vo1.19.No.6 NOV.,2004 文章编号:1001—2o6o(2oo4)06一f16Ol一04 CFD技术在汽轮机定子线圈冷却水 流量测量中的应用 肖惠民,杨建东 (武汉大学水文水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072) 摘要:利用超声波流量计检测大型汽轮发电机定子线圈冷 却水流量大小,可直接判断冷却水的堵,漏,从根本上解决定 子绕组冷却水堵塞问题,但超声波流量计用于弯管段测量时 存在误差.本文利用CFD技术计算了某火电厂定子线圈内 冷却水的流速分布,分析了管内流动对超声波测流的影响, 获得了不同测点处流量误差的变化趋势.采用CFD技术可 确定超声波流量计的最佳安装位置,为获得准确的流量提供 理论依据. 关键词:超声波流量计;弯管;计算流体动力学(CFD) 中图分类号:TK313文献标识码:A 1引言 近年来,由于定子线圈冷却水引水管漏水或堵 塞,引起的汽轮发电机工作效率下降和定子线圈过 热事故较多,经济损失巨大.对定子线圈引水管通 流性检验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的研究也引起了广泛重视.利用流量 测量方法来检测大型汽轮发电机定子线圈冷却水流 量大小,可直接判断冷却水的堵,漏,从根本上解决 定子冷却水堵塞问题.而流量测量的方式只能采用 非接触式,超声波流量计无疑是最佳的选择. 2超声波流量计的特点 与传统接触式流量计相比,超声波流量计有以 下优点:可以不接触流体进行测量,对流动不产生附 加阻力;不受被测流体物理性质和化学性质的影响; 对管道形状无严格要求;流速测量范围广;读数指示 与所测流量成线性,便于直接读数和记录;可不受强 电磁干扰影响等. 超声波束在通过流体内部时受到流体流动的影 收稿日期:2004—01—06 作者简介:肖惠民(1973一),男,湖南永州人,武汉大学讲师 响,从而带人流动信息,通过信号检测及计算,就可 以获得流量的大小.由于分析超声波束获得的只是 其传播路径上的线速度,并不等同于整个管道截面 上的平均流速,因此必须进行修正.另外,超声波法 测流量的精度还依赖于流动状态,而实际的流动状 态与诸多因素有关,因此测量时应充分考虑测量条 件. 超声波流量计一般用于直管段流量的测量,且 测点上游至少需要5倍管径长的直管段,测点下游 至少需要10倍管径长的直管段.而汽轮发电机定 子线圈是弯曲的,尽管弯曲度较小,测量误差必然存 在.因此,获得管道内部流体流动状态,从而获得正 确的流量修正系数,对于提高超声波流量计的测量 精度有着重要的意义.而通过引入CFD(计算流体 动力学)技术,可获得弯曲管道截面上的速度分布和 流量误差变化趋势,为获得准确的流量提供理论依 据. 3数值模拟可靠性说明 为检验数值模拟的可靠性,对一典型9圆形 弯管三维紊流进行了计算.以Taylor等人的实验弯 管l21为例进行了计算,计算采用.紊流模型, simple算法,Re=43000.弯管的形状见图1.图2为 4个典型截面上的速度分布,图中上半部分为实验 结果,下半部分为数值模拟结果,B为弯管进口平 均流速.可以看出,就整体而言,计算结果和试验数 据非常接近.因此可见,采用CFD技术作为超声波 测流的辅助手段是可行的. ? 602?热能动力工程2004正 图190~圆形弯管几何外形 图2典型截面沿主流方向U/UB等值线图 4应用 利用CFD技术计算了某火电厂300MW汽轮发 电机定子线圈内冷却水的流速分布,分析了管内流 动对超声波测流的影响,给出了流量误差的变化趋 势及计算流量修正系数,提出了确定最佳测点的方 法. 发电机定子线圈内径D=l3.3mm,壁厚h: 2.6mm,管长L=560mm,弯曲半径R:100mm,200 mm,4OOmm,6O0mm及直管(图3a),冷却介质为水. 4.1不同测点位置的流量检测(同一定子线圈) 下面分别对超声波流量计安装在0.,l80.剖 面,90.,270.剖面上的流量大小及流量误差进行讨 论(剖面定义参见图3b). 计算和测量条件:R=100mill,流量Q=27.825 L/rain.各个测点的位置以度量,其中0为中心点 O'与进口截面中心点的夹角(见图3a,C). (a)线圈外形 ) 90.(外侧 270.(内侧) (b)剖面定义 口 (C)超声波流量计安放示意图 图3定子线圈超声波测流示意图 4.1.1,18剖面的流量及流量误差分析 本文定义流量误差e:[(仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 值或计算流量一 标准值)/标准值]×100%,流量修正系数a:标准 流量/(仪表值或计算流量),其中"标准流量"为实 际流量,"仪表值"为超声波流量计的测量值,"计算 流量"是对超声波束经过的路径1—1'(图3c)上的 流速取平均值再乘管道截面积得到的流量. 0.,l80.剖面各测点的流量误差见表2. 表2流量误差 标准流量 0, 仪表值实测误差计算流量流量计算流量 /I.?min/I.?min一/%/lJ?min一误差/%修正系数口 A28.181.2728.131.110.989 B一一28.121.070.989 27.825C26.57—4.5l27.13—2.491.026 D一一27.980.550.995 E26.舛一3.1828.181.290.987 第6期肖惠民,等:CFD技术在汽轮机定子线圈冷却水流量测量中的应用?603? 由表2可以看出,各测点的流量误差由进口到 出口是先由大变小,再由小变大.这主要是由超声波 束所经过路径上的流速分布决定的(见图4):流速 分布基本上是对称的,在进口段,流动从层流向紊流 发展,弯管两侧流速较大;在中间段,流动已发展为 紊流,流速分布均匀;在出口段,由于受出口的影响, 流速分布再次发生改变.因此,对于弯管,测流时测 点应布置在离进口和出口有一定距离的地方. 3.OO 一 0.006—0.oo4—0.0020.0000.0020.oo40.0060.008 f,m 图40D,l80D剖面A,E各点流速分布 可以看到,计算流量误差与实测流量误差的变 化趋势相吻合(见图5). , 咖 据 图5不同弯曲半径下的流量误差变化趋势 4.1.290~,270D剖面的计算流量及流量误差 计算流量的流量误差见表3. 表3计算流量的流量误差 标准流量.计算流量流量误差计算流量 /L?min/L?minI1/%修正系数d Az5.88—7.OII.075 B26.64—4.26I.044 27.825C27.13—2.5O1.O26 D26.5I一4.73I.O50 E26.40—5.13I.054 由表3可见,各测点的流量误差均为小于零,且 流量误差都比较大,这也是由超声波束所经过路径 上的流速分布所决定的(见图6):除C点外,流速分 布完全不对称,内侧流速远小于外侧,其平均流速小 于截面平均流速. 4.0 3.5 ..3.0 吕 2.5 2.0 1.5 一 I.O—O.5OO.5I.O 2r:Dim 图690.,270D剖面A,E各点流速分布 因此,若在90~,270D剖面上测量流量,流量误 差较大,且在90~,270~剖面上难以安装超声波流量 计.所以,一般不在90~,270D剖面上测量流量. 4.1.3超声波流量计最佳安装位置的确定 根据计算流量误差变化趋势,可选择0D,l80D 剖面上流速分布相近,流量误差接近的弯管段作为 超声波流量计的安装位置,一般在弯管中部,从而可 采用相近流量修正系数对流量进行修正. 4.2同入口压力,声速,不同弯曲半径下的流量检 j贝II 4.0 3.5 一 3.0 吕 音 2.5 2.O 一 0.008—0.006-0.004—0.oo2O.0000.oo2O.OO40.0060.o08 /-/nl 图7不同弯曲半径下中间测点流速分布 0D,l80D剖面上各测点流量误差如表4所示, 测点位置均在弯管的中间. 5O5O5O5O5O5O5O o 热能动力工程2004矩 表4流量误差 标准流量弯曲半径仪表值流量误差计算流量流量误差计算流量 /I_?minI1R/nma/I_?minI1(测量)/%儿?min一1/(计算)/%修正系数a 直管26.10—7.029.234.140.96 60o25.85—7.928.963.160.969 28.074002565—8.628.672.130.979 20025.61—8.728.290.770.992 10026.57—5.328.05—0.061.0 由表4可看出,测点在中间时计算流量误差均 为大于零,即计算得到的流量大于实际流量,且随着 弯曲半径R的增大,计算流量误差随之增大.这是 由于弯曲半径R的大小对弯管流动有重要影响造 4 2 0 一 z 卿 斌一4 — 6 - 8 一 计算流量误差? .. . ?-一一 . .. 一 .. ?一J 100200300400500600700直管 :\一.- 图8不同弯曲半径下的流量误差变化趋势 成的(见图7):流动从进口开始就受到管道弯曲壁 面的约束,弯曲半径R越小约束越强,最大速度区 偏移弯管中心的距离越大,从而使平均流速,流量误 差相对较小. 对于不同弯曲半径的线圈,除R:100H咖外 (估计是试验误差引起的),计算流量误差与实测流 量误差变化趋势相吻合(见图8). 5结论 数值模拟结果表明,采用CFD技术可以获得弯 管内正确,详尽的速度分布,得到不同测点的计算流 量和流量误差变化趋势,可用来指导选择超声波流 量计的安装位置.因此,采用CFD技术作为超声波 法测流的辅助手段是可行,有意义的. 参考文献: [1]崔学雷.超声波流量计的应用及工程设计[J].自动化博览, 2001,18(1):20—22. [2]ENAYETMM,GIBSONMM,TAYLORAM,eta1.Laser-doppler measurementsoflaminarandturbulentflowinapipebend[J].IntJ Heat&nIlidFlow,1982,3(4):213—219. 电厂锅炉引风机的变频调速 锅炉引风机是电厂的主要负荷设备之一,属于耗电大户,素有"电老虎"之称.在煤炭自备电厂中,仅引 风机的耗电量就占到全厂用电量的25%左右.同时,为了维护锅炉膛的负压及正常燃烧,人们通常采用传 统的手动调节引风机风门挡板的方式进行风量调节,这样会给生产造成很多问题,从而危及锅炉的安全稳定 运行.近年来,充州矿业(集团)公司南屯煤矿矸石热电厂与山东矿业学院济南分院科技开发公司合作,在 锅炉引风机上应用变频调速技术后,使上述这个困扰多年的问题终于得到了解决. 南屯煤矿石干石热电厂于1998年5月对1号炉的引风机安装了变频调速控制系统,由于不再需要调节 风门,故将风门的挡板拆除,不但完全消除了节流损失,节约了大量的电能,而且大大降低了引风机的故障 ,减少了压火停炉的次数,维持了锅炉运行的稳定.在正常情况下,变频器运行在"率 自动"工作方式,实时 跟踪炉膛的负压,自动调节电机的转速,保持炉膛负压稳定在设定值上,减轻了运行人员的劳动强度.实践 表明:控制器操作简便,运行方式灵活,运行参数变化一目了然.引风机启动时,由于频率能够手动或自动调 整,因此不仅不会对供电电网造成冲击,同时还能够使开关设备的故障率大为减少,延长了开关电器的使用 寿命,减少了设备的维护工作量.为了将炉膛的负压设定值稳定地维持在一20Pa(正常范围为0,一50Pa), 将电机运行频率调整到较佳的36,38}{Z,此时电机输出功率在80kW左右,一年就可以节约电能为50万 kwh,年节约效益达到20万元,变频器的全部投资费用可在1,2年内完全回收. (李剑峰供稿)