[发明专利]火电机组旁路供热用减温减压器液滴蒸发段长度的确定方法

权利要求书

1.一种火电机组旁路供热用减温减压器液滴蒸发段长度的确定方法，其特征在于：它包括以下内容：

1)减温减压器及液滴蒸发段管道的物理模型选取和构建

在进行数值仿真之前，需针对不同的减温减压器型号和拟采用的安装方案选取相关计算参数，其中主要是根据减温减压器的结构参数建立数值仿真的流域模型：

①针对所计算的减温减压器和液滴蒸发段管道提取相关结构参数，主要包括：减温减压器阀体尺寸、减温减压器入口直径、减温减压器出口直径、液滴蒸发段管道直径、一级节流孔板直径、一级节流孔板节流孔内径、二级节流孔板直径、二级节流孔板节流孔内径、三级节流孔板直径、三级节流孔板节流孔内径、喷水阀口直径；

②根据所选取的参数在GAMBIT建模软件中建立减温减压器及液滴蒸发段管道实体映射点，通过点连线、线组面、面围体和布尔切体操作构建出减温减压器及液滴蒸发段管道的三维流域模型；

2)减温减压器及液滴蒸发段管道的三维流域计算

①将步骤1)中所建立的三维流域模型以STEP格式输出文件，导入ANSYS ICEM网格划分软件，对减温减压器及液滴蒸发段管道的流域模型进行边界命名，分别将减温减压器入口、减温减压器出口、喷水阀口命名为INLET、OUTLET、WATER INLET；

②采用全局网格划分法对流域进行离散划分，其中近壁面网格加密，保证Y+值在30以内，非结构网格过渡选用SLOW TRANSITION，保证网格具有较小的畸变率和较好的网格质量；

③将减温减压器及液滴蒸发段管道网格模型导入CFX-PRE，根据选取的蒸汽压力和温度参数分别对进出口边界进行设定，选用标准的k-ε湍流模型求解三维流域，减温减压器及液滴蒸发段管道内蒸汽具有可压性和黏性，流动控制方程主要包括：

连续性方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；u为速度矢量。

动量方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；μ为动力粘度，N﹒s/m²；u、v和w为速度矢量u在x、y和z方向的分量；S_u、S_v和S_w为动量守恒方程的广义源项，

能量方程：

式中：ρ为流体密度，kg/m³；t为时间，s；T为温度，℃；C_k为流体的定温传热系数，W/m²﹒℃；C_p为流体的定压传热系数，W/m²﹒℃；S_T为粘性耗散项；

④建立喷水减温汽液两相流动模型，根据给水温度和压力设定减温水参数。高温高压蒸汽和减温水液滴根据自身的温度和临界点参数发生蒸发或凝结，CFX中凝结-蒸发多相介质模型的具体数学过程为：

流体沸点是蒸发压力与温度的关系为(6)式：

式中：p_v为蒸发压力，Pa；p_s为压力标度，Pa；T_p为蒸汽温度，℃；a为状态常数；b为蒸汽焓系数；c为温度系数；

当水滴温度高于沸点时，质量传递为(7)式：

式中：m_p颗粒质量，kg；t为时间，s；Q_C为对流换热量，J；Q_R为辐射换热量，J；L为汽化潜热，J/kg；

当水滴温度低于沸点时，质量传递为(8)式：

式中：dm_p为液滴质量变化，kg；t为时间，s；d_p为粒子直径，m；ρD为动力扩散系数；Sh为Sherwood系数；w_c为蒸汽分子量；w_g为混合物分子量；x_s^v平衡蒸汽摩尔分数；x_v^v为混合气体摩尔分数；

连续流体质量源表示为(9)式：

式中：dm_p为液滴质量变化，kg；t为时间，s；S为质量源，kg；

同时，工质传热过程考虑了对流传热和辐射传热，传热属性结合工质本身特性设为fluid dependent；

⑤开启CFX-SLOVER求解器，单机并行计算减温减压器及液滴蒸发段管道三维流域，当计算残差达到10^-4时停止计算，提取液滴蒸发路径和长度；

3)减温减压器及液滴蒸发段管道的回归正交分析

①考虑到减温减压器运行时，蒸汽流量和喷水的雾化程度会严重影响液滴蒸发效果，因此在减温减压器液滴蒸发管道长度的计算中主要考虑的变化参数为减温减压器的负荷流量、喷水粒径以及减温减压器的出口管径；

②采用三因素二次回归正交实施方法，根据减温减压器安装设计的一般原则确定其三个控制参数的变化范围，负荷流量x₁、喷水粒径x₂、出口管径x₃为主要研究参数，设x_j为回归正交分析的各因素，j＝1,2,3。x_1j、x_2j分别为因素的上限和下限，则因素的零水平x_0j＝(x_1j+x_2j)/2；

③基于各因素的变化范围得到水平编码表，回归正交分析在因素的合理变化范围内选取有限个计算点安排模拟计算统计，借助有限个计算点建立起具有一定可信度的回归方程，当各结构参数确定后利用回归方程对相应的蒸发段长度进行估算，根据所建立的三因素二次回归正交分析方案，重复步骤1))和步骤2)，分别提取每个仿真工况中液滴蒸发路径和长度，完善回归正交分析指标值；

由式(10)确定分析方案的数值仿真个数，

n＝m₀+m_c+m_r (10)

式中：m₀为中心试验次数取1；m_c为两水平试验次数，m_c＝2^p-1；m_r为星号试验，m_r＝2p；p为因素个数，p＝4；星号臂长

由因素的上、下限和星号臂长可确定试验水平的变化间距，

式中：x_1j、x_2j分别为因素的上限和下限；r为星号臂长；

在回归正交分析中各项因素应保持一致的量纲且各因素不宜相差过大，需要对各因素的自然变量进行中心化处理，设z_j为各因素水平值中心化后得到的编码值，则有z_j＝(x_j-x_0j)/Δ_j，

平方差及回归系数计算为(12)式-(17)式：

S_j＝B_jb_j (15)

式中：D_ij为考察指标的各项平方和；z_ij为交互项的中心化编码值；y_ij为各项考察指标，由数值仿真获得；B_ij为考察指标的各项回归和；b_ij为各项回归系数；S_j为回归平方和；F_j为回归系数检验项；f_j为回归项自由度；S_e为误差平方和f_e为误差项自由度；y_0j为中心试验值；为考察指标平均值；下标j为主要研究因素的编号；下标i为仿真工况的序号，取1，…，n。

4)回归方程的显著性和失拟性检验

①为分析中心化处理后回归分析的有效性需对各影响因素与考察指标进行显著性分析，通过对方程回归系数的检验，b_j、b_ij、b_jj的大小确定其影响考察指标的程度，其中i＝0时，b₀为常数项，i＝j时，b_jj为二次方项，i≠j时，b_ij为交互项。

②根据回归正交试验的显著性检验公式：

式中：S_h为回归项平方总和；f_h为回归项总自由度；S_R为剩余项平方总和；f_R为剩余项总自由度；F_0.01为正态分布0.01水平值；

得到该方程符合三元二次归回正交的显著性检验，说明所建立的回归方程的置信度为(1-α)×100％＝99％，在α＝0.01的水平下显著；

③根据失拟性检验公式：

式中：S_lf为失拟项平方总和；f_lf为失拟项总自由度；S_e为误差项平方和；f_e为误差项自由度；F_0.25为正态分布0.25水平值；

能够确定所建立的回归方程具有很好的不失拟性，表明蒸发段长度与各因素的一次项、交互项及二次项具有很好的拟合，与各因素的更高次项无显著的关系，

④由前述的计算方法和数据处理得到对应编码的回归方程：

在减温减压器液滴蒸发长度计算中，将选用的参数带入式(20)后得到预测的蒸发段长度。