摘    要：目前對電廠疏水管道閥門泄漏多采用基于傳熱原理的內漏自動檢測計算方法，但是已有研究尚未對閥門泄漏時管道內流體的流動和傳熱進行分析，且對溫度測點如何布置以及溫度測量的精度要求也缺乏研究。針對以上問題，采用計算流體力學仿真的方法，研究了閥門泄漏時管道內傳熱和流動情況，分析了不同的管道直徑和保溫材料對所測溫差和泄漏量的影響。研究結果為實時監測閥門附近流量的動態變化，進行工程現場診斷疏水閥門的泄漏故障提供了模型方法和參考。

關鍵詞：疏水;閥門;計算流體力學;Fluent軟件;

熱力系統閥門內漏是目前我國火力發電廠普遍存在的重大節能問題，通常由于運動部件卡死、閥片變質、彈簧應力松弛等原因造成閥門損壞[1],防止閥門內漏是火力發電廠節能減排的重要舉措。閥門主要用于控制電廠鍋爐和電氣設備的流體介質的通路和斷路調節，是電廠廣泛使用的熱力設備。閥門的基本功能是接通或者切斷管路介質的流通，改變介質流動方向，調節介質的壓力和流量，保護管路和設備正常運行[2]。但是由于各種原因，閥門泄漏經常發生在火力發電廠當中，無論哪一個疏水閥門發生內漏，都會為電廠帶來超出想象的損害[3]。目前，電力、石化、制冷等企業檢測閥門內漏的方法主要依靠定期維修，對閥門進行拆卸、檢修和更換。經調查統計，超過50%的閥門并不需要進行拆卸修理，過度拆卸會浪費大量人力、物力和財力，閥門維修更換費用約占了電力企業、石油化工企業維修更換費用的15%[4]。當旁路閥門的泄漏量達到主蒸汽流量的2%時，將使供電煤耗上升4 g/(kW·h)[5]。針對現場使用的閥門監測及檢修等易耗品不易購買的問題，陶長興等[6]提出基于CRIO的嵌入式閥門診斷系統。常毅君等[7]總結了閥門溫度變化智能監測的判斷依據，為電廠疏水管道的實時監測提供了新的方法。張秀華等[8]提出利用金屬波紋管搖擺實驗監測閥門泄漏的新方法，給出產品實驗技術的研究和實施過程，為后期產品設計提供了有效的數據。汪洋等[9]提出利用霍爾傳感器監測球閥的變化狀態，利用移動網絡報告球閥動作時間及狀態。陳啟卷等[10]提出基于物聯網的閥門智能系統，通過遠程采集安裝在水電站的閥門實時運行信息，判斷閥門的運行狀態，并及時監測維修。因此，科學的管閥檢修能夠防止因管閥問題而產生的外泄漏事故，不僅降低了對附近設備以及工作者造成事故的幾率，還防止了發電廠可能出現的不必要損失。目前，疏水管道閥門常用的檢漏方法主要有以下幾種：示蹤檢漏、聲發射檢漏、紅外測定法檢漏、超聲波檢漏和壓力檢漏[11]。但對于系統龐大、結構復雜的火力發電廠來說，以上各種檢漏方法均存在一定的缺陷，往往達不到預期效果。同時，溫度測點的布置對于泄漏量的監測起著重要作用，對疏水管道溫度測點的合理布置，能有效監測泄漏量。

前人的研究多集中在對傳熱學的研究，而對管內流體的流場和溫度場的模擬涉及的不多。對于溫度測點的布置幾乎沒有文獻涉及，合理布置溫度測點，才能正確監測閥門泄漏量。因此，本文基于已有的基于傳熱原理的電廠閥門內漏自動測試方法，結合電廠現場測量實例，運用傳熱學和流體力學的相關知識，模擬閥門泄漏時疏水管內工作流體的流場和溫度場變化，從而判斷溫度探點的合適位置，為電廠閥門泄漏實時監測與維修提供判據，有利于在實際生產中減少閥門拆卸的次數，更加精確地判定閥門實時工作狀況，從而給工作人員監測、預防電廠閥門泄漏提供合理的依據。

1 物理與數學模型的建立

1.1 物理模型

電廠蒸汽疏水管道-閥門監測系統主要由蒸汽管道、疏水管道、溫度傳感器、疏水閥門和疏水擴容器(或凝汽器)組成。系統的一端與蒸汽管道(或聯箱、氣缸等蒸汽容器)相連，另一端與疏水擴容器(或凝汽器)相連。電廠疏水管道-閥門監測系統示意圖如圖1所示[12]。其中，L1表示疏水管道豎直段長度，m; L2表示水平段到溫度傳感器1之間的距離，m; L3表示溫度傳感器1和溫度傳感器2之間的距離，m。

圖1 電廠中疏水管道-閥門監測系統示意圖[12] 

Fig.1 Schematic of a drain pipe-valve monitoring system in power plants[12]

當疏水管道閥門嚴密、未發生泄漏時，疏水閥前兩溫度傳感器之間由于沒有氣體流動，只有熱傳導而無熱對流，此時疏水管內工質流動趨于穩定，散熱量為定值，管壁的溫度分布趨于穩態。當疏水管道中的閥門發生泄漏時，疏水管道內部有高溫工質流動。此時管內工質通過對流和熱傳導經過管壁和保溫層向室外環境放熱，隨著泄漏量的增加，管道內外溫差越來越小。因此，監測溫度傳感器1和溫度傳感器2的溫度，通過泄漏量與溫度之間的非線性關系，可以求得泄漏量的大小。

1.2 數學模型

對疏水管道內流體進行建模時，考慮到主蒸汽管道入口為過熱蒸汽，出口不考慮截止閥后流體流動時也可近似為過熱蒸汽。由于流速較低，可視為不可壓縮流體。湍流采用雷諾平均控制方程的Favre方法建模[13]。

穩態的不可壓縮的單相流控制方程組包括質量、動量、能量和k-ε湍流方程：

其中，ρ是流體密度，u是速度矢量，p是流體的壓力，τ是應力張量，k是流體的導熱系數，T是流體的溫度，K是流體的湍動能，μ和μT分別是流體的動力黏度和湍流的動力黏度，σK是K的湍流普朗特數，ε是湍流耗散率，σε是ε的湍流普朗特數，GK表示由平均速度梯度產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能，最后，C1ε、C2ε、C1ε常數取決于使用的k-ε湍流模型。

2 計算步驟

通常，對于電廠中管路內部流體復雜的流動，通過試驗進行可視化是很困難的，但疏水閥門內漏也會給企業造成巨大的損失。因此，本文利用Solidworks軟件進行疏水管道的三維建模，假設閥門處有輕微泄漏，故出口假設成一根微小的管路，相較于輸水管路內徑可以忽略不計；用ANSYS ICEM CFD進行網格劃分和流體域、固體域的創建，用商業軟件Fluent進行管內流場的模擬，具體計算步驟如圖2所示。

圖2 閥門監測計算步驟 

Fig.2 Calculation steps of valve monitoring

本文采用基于壓力的求解器求解管道內流體流動，壓力的求解器被用在低速不可壓縮流動中。近壁面的處理和y+的設置在不同的湍流模型中有不同的差異，主要取決于使用的湍流模型，由于數學結構的特點，本文采用的k-ω湍流模型不需要近壁面處理。入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件為壓力出口。將湍流邊界條件設置為水力直徑和湍流強度。在壓力-速度耦合項，采用SIMPLE方法對壓力求解，擴散項采用二階中心差分格式，對流項采用二階迎風格式，當質量方程、動量方程和能量方程的殘差都小于10-6時，可視為計算收斂[14]。使用理想氣體模型對過熱蒸汽進行處理，計算流體力學(computational fluid dynamic ,CFD)求解方法如表1所示。

表1 CFD求解方法 

Table 1 CFD solution method

3 結果與分析

3.1 模型的合理性驗證

本文設計的蒸汽疏水管道-閥門監測系統根據文獻[12]中的實驗工況和實驗數據，對比模擬和實驗數據結果的誤差。實驗工況：進口工質壓力為16.7 MPa, 溫度為537 ℃,疏水管道環境溫度32 ℃。實驗采用了兩種疏水管道，內徑分別為50 mm和70 mm, 壁厚都為3.91 mm, 保溫層厚度都為90 mm, 疏水管道長度均為25 m。本文驗證了上述論文實驗中測點(溫度傳感器)1和測點2的實驗溫度與本文程序所計算出來的管壁溫度，對比結果如圖3所示。從圖中可以看出測點1和測點2的最大誤差分別為2.46 ℃和3.13 ℃,平均相對誤差分別為0.20%和0.23%,模型結果與劉功春[12]的實驗結果基本吻合，表明模型準確可靠。

為了保證后續數值計算的正確性，采用文獻[12]相同的邊界條件，并將設計程序理論計算獲得的管道出口溫度與CFD模擬結果進行比較。 圖4為對比結果，從圖中可以看出模擬值與實驗數據誤差均在0.5%以內，誤差在允許范圍內。因此，本模型可以用于疏水管道沿管壁的溫度場分布的預測。

圖3 模型計算與劉功春[12]實驗結果對比圖 

Fig.3 Comparison of the calculated and experimental results reported by Liu[12]

圖4 理論管道出口溫度與CFD模擬管道出口溫度的對比 

Fig.4 Comparison between the theoretically and CFD simulation pipe outlet temperatures

在流體力學計算中，建立優質的網格結構是計算的重要前提，決定了計算是否會收斂和結果的準確性。網格無關性驗證是在保證網格質量和模擬準確性的前提下，將網格數量降低至符合運行要求的最低值。本文中的模型采用了1 347 262、2 122 552和3 525 712三種不同網格數量的噴射器二維結構，如圖5所示，不同網格數的計算結果誤差均符合要求，與1 347 262相比，其他兩個誤差為0.23 %和 0.05 %。在滿足計算精度的情況下，考慮計算資源的合理利用，本文選取1 347 276網格模型作為計算網格，計算結果具有網格獨立性。

圖5 豎直管段溫度沿軸向變化曲線 

Fig 5 Temperature changes along the axial direction of the vertical pipe section

3.2 不同泄漏量下疏水管道沿流動方向溫度變化

圖6為在不同泄漏量的情況下，疏水管道沿流動方向溫度變化云圖。從圖中可以看出，隨著流動距離的逐漸增大，流體溫度逐漸降低，一方面是流動過程中的流動阻力和沿程阻力導致過熱蒸汽在輸水管道流動時有能量的損失，溫度下降；另一方面為在流動過程中管內流體沿徑向與管壁和保溫層之間的導熱，將熱量散發到外界環境，導致溫度逐漸降低。此外，隨著泄漏量的增大，沿流動方向相同測點(測點1和測點2)的溫度逐漸升高且溫度沿徑向分布越來越均勻，越來越趨于流體中心溫度，也進一步驗證了泄漏量越大，測點溫度越高。

圖6 不同泄漏量下疏水管道沿流動方向溫度變化云圖  

Fig 6 Contour of temperature variations along the flow direction of drainage pipes under different leakage amounts

3.3 流體在彎道前后溫度的變化

測點布置的位置對于監測閥門外壁面溫度具有重要意義，準確的測量位置能夠更準確地預測閥門泄漏量。圖7為疏水管道彎頭前后徑向溫度分布云圖。流體在管道內流動時，在轉彎處由于局部阻力的影響，溫度會發生劇烈的變化，而疏水管道上測點的布置對于合理監測管內水流量的變化具有重大意義。從圖中可以看出，溫度在彎管前0.50 m沿徑向分布相對均勻，隨著流體流動的方向，溫度沿徑向分布開始發生變化，表現為分布不均勻，不利于對管內流體溫度的監測，隨著流體的流動，在彎管后4.00 m左右，截面溫度不再發生明顯變化，溫度沿徑向分布趨于均勻。因此，在實際操作中，疏水管道閥門溫度的檢測位置應在距離彎管后4.00 m以上的位置布置，可以避免因為測點布置而導致測量誤差的產生。

圖7 疏水管道不同截面徑向溫度分布云圖   

Fig 7 Contour of the radial temperature distribution at different sections of the drainage pipes

3.4 不同管徑下泄漏量對兩測點溫度的影響

圖8 不同管徑下泄漏量對兩測點溫度的影響   

Fig 8 Influence of the leakage amount on the temperature of two measuring points under different pipe diameters

通常，電廠工作人員利用測溫點測得的溫度與GB/T 34618—2017規范[15]中的標準進行比較，來判斷是否泄漏，但是此方法不能實時給出泄漏量的大小。因此，實時計算測溫點處管壁溫度和泄漏量的關系對閥門內漏的在線監測具有重大意義。如圖8所示，圖中表示了疏水管道管徑為50、60和80 mm時，不同泄漏量對兩測點溫度的影響，測點1距主蒸汽管道10 m(L1+L2),測點2距主蒸汽管道25 m(L1+L2+L3),測點位置如圖1所示。從圖8中可以看出，隨著泄漏量的增加，測點1和測點2的溫度均呈上升趨勢，且逐漸趨于平緩。相同溫度時，管徑越大泄漏量越大，這是由于管徑越大，管道對環境的散熱量越大，相同的壁面溫度下則管道內流動的泄漏工質越多。此外，相同泄漏量時，80 mm的疏水管道在測點1和測點2的溫度總是低于50 mm的疏水管道。這是因為泄漏量相同時，管徑越小，橫截面積就越小，疏水管內工質流速越大，對流換熱系數越大，流體從主蒸汽管道流到測點1和測點2的所需時間就越少，管道的熱量損失少，所以溫度會升高。

3.6 疏水管路徑向的溫度分布

圖9為疏水管道徑向溫度的分布，由于鋼管的厚度為0.003 91 m, 相比于保溫層的厚度0.09 mm小得多，故忽略鋼管的厚度。圖中可以看出A為距離主蒸汽管道1.0 m處的溫度分布，B為距主蒸汽管道1.5 m處的溫度分布，A處溫度分布均勻，沿徑向溫度逐漸降低，B處溫度較A處分布不均勻，尤其是保溫層區域內溫度有明顯的波動。這是因為過熱蒸汽從主蒸汽管道進入疏水管道，隨著流動距離的變化，流動損失逐漸增大，在遇到轉彎處流體會發生劇烈的變化，導致溫度場分布不均勻，而B處距離轉彎處較A處更近，故溫度分布不均勻。

圖9 疏水管道徑向溫度分布  

Fig 9 Radial temperature distribution of the drainage pipe

3.7 疏水管道沿軸向速度分布

圖10表示在不同泄漏量下疏水管道內速度沿軸向中心線的分布。從圖中可以看出，隨著泄漏量的增大，管內流體流速整體呈上升趨勢，轉彎處，速度變化劇烈，這是由于在轉彎處，流體受到來自管壁的阻力被迫改變方向，此時縱向速度急劇變化，橫向速度慢慢上升，從而呈現出整體速度產生劇烈變化。此時管內流體會產生局部阻力從而導致局部損失，隨著管段的增長，速度又逐漸變大。因此，在布置壓力傳感器時，為保證測量準確應盡可能地布置在遠離速度變化劇烈處。

圖10 不同泄漏量下沿軸向中心線速度分布 

Fig 10 Velocity distribution along the axial center line under different leakage amounts

5 結論

本文以電廠閥門泄漏實時監測的需求現狀為切入點，建立數學模型和物理模型，運用計算流體力學軟件Fluent分析疏水管道內部流場和溫度場的變化，所得結果更直觀地反映了疏水管道內部的溫度變化，便于對電廠疏水閥泄漏實時監測。得出結論如下：

(1)疏水管道內部流體溫度沿流動方向逐漸降低，且隨著管道內徑的增加而逐漸增大。

(2)由于沿程阻力和局部阻力的影響，流體在流動過程中會在轉彎處產生溫度沿徑向分布不均勻的現象，在彎管前0.5 m、彎管后4.0 m處布置溫度測點可以更好地測量管壁溫度。

(3)疏水管道溫度沿徑向逐漸降低，且距離轉彎處越遠，徑向溫度分布越均勻。

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文章來源：山東科學