分配集箱和汇集集箱中的压力变化

11.4.1　分配集箱和汇集集箱中的压力变化

集箱是流体分散和汇集的关键部件，是并联管组的联接件。在电站锅炉中，集箱工作特性的优劣直接影响到连接于其间的受热面工作的安全和可靠，尤其是严重影响到过热器和再热器等高温受热面工作的可靠性。如果分配集箱中是两相混合物，则易造成各支管中流量与干度的分配不均匀。因此，集箱系统中流体分配和汇集特性的研究一直受到高度重视，并且各国都对电站锅炉分配集箱的流动计算制订了标准方法。

锅炉的并联管组两端通常由两个集箱将其连接在一起。与管组进口连接的集箱称为分配集箱，与管组出口连接的集箱称为汇集集箱。在这两个集箱中，工质沿集箱轴线方向的压力变化对并联各管的流量分配有很大的影响，此压力变化与集箱中工质的流动阻力有关，更与两集箱的联接型式有关。

在分配集箱中，由于工质沿集箱流动方向不断分流，其流量逐渐减小，轴向速度下降，因而工质的动压减小而静压力增加，如图11.23（a）所示。由于沿集箱长度工质的质量流量是变化的，因此不宜用伯努利方程式来分析沿集箱长度的静压变化。我国水动力计算标准方法中应用动量方程来建立集箱内静压分布的函数表达式并通过试验提出两种集箱的静压变化系数的计算公式。

图11.23　在分配集箱和汇集集箱中任意点的压力变化图

（a）分配集箱；（b）汇集集箱；（c）分配集箱中流动工况分析图

对图11.23（a）所示的分配集箱取一微段dx，如图11.23（c）所示，在界面A－A及B－B所构成的控制容积中列出x方向的动量方程式

上式右端最后一项为工质从集箱进入支管处的轴向动量分量，经整理后得

式中：d_n为分配集箱的内直径。

为了对式（11.80）积分，作如下假定：①沿集箱长度工质的分流是连续的；②分流中工质的摩擦阻力系数为常数；③工质从集箱进入支管处的轴向速度分量V_x与w成正比，V_x＝c_fw，c_f由试验确定；④略去式（11.80）中的高阶项ρ（dw）²；⑤各分支管的分流流量均匀，并设相对长度为X＝x/L，则沿集箱长度任意点x的工质流速w按线性规律分布，即

式中：w_f为分配集箱的进口速度。

将上述假定应用于式（11.80），积分整理后可得离集箱进口端x处的静压p_f　x与进口静压pf差值，即该处工质的静压变化值Δp_fx为

当x＝L，即X＝1时，得到分配集箱中最大静压差Δp_fL的计算式

式中：K_f为分配集箱静压变化系数，由试验确定c_f＝1.24，则有

以上两式可见，影响集箱内动压与静压转换的主要因素是集箱的阻力特性越大，动压转换为静压的效率越低，即静压曲线越平缓。

为了得到工程上简便的集箱中任意点x的静压变化计算式，采用以下的处理方法。参照图11.23（a）所示的压差关系，再应用式（11.83）和式（11.81），得到分配集箱静压变化值Δp_fx为

在汇集集箱中，沿工质流动方向由于不断汇流，工质流速逐渐增大，压力能减小而动能增加，如图11.23（b）所示。图中，相对座标X′＝1－X，X′座标的原点为0′，X座标的原点为0。仍采用图11.23（c）的模型，按照分配集箱的分析方法，同理可得X＝1时汇集集箱中最大静压差Δp_hL的计算式

式中：w_h为汇集集箱工质出口流速，K_h为汇集集箱静压变化系数，试验系数c_h＝0，则有

比较式（11.87）和式（11.84）可见，若分配集箱和汇集集箱的结构特性相同，K_h＞2　Kk_f；如果分配集箱和汇集集箱的动压头也相等，则Δp_hL＞2Δp_fL，即汇集集箱的静压曲线变化比分配集箱要大许多，更加陡峭。这是因为在汇集集箱中，除了摩擦阻力损失外，还有与集箱工质流动成交叉的各管工质流动进入集箱时所引起的涡流损失，管子中的流速与集箱中的流速比值越大，引起的能量损失也越大。根据图11.23（b）所示的压差关系，再应用式（11.85）和w＝w_hX′＝w_h（1－X）的关系，可得汇集集箱任意点X的静压变化值Δp_hx为

在应用式（11.85）和式（11.88）计算时，座标原点X＝0均在集箱引入管或引出管处。λ值按式（11.28）计算。L值应代入集箱的有效区（与受热面管子相连接的区域）长度。

在计算集箱压力变化的各种方法中，一般都采用式（11.83）和式（11.86）作为基本形式进行处理，但由试验得出的K_f值及K_h值各有所不同，详细的资料可参见锅炉水动力计算方法^［9］等有关文献。

事实上，由于生产实际的需要，早在上个世纪初就有人对集箱进行研究，但由于试验条件和研究方法的差异，各国学者得到的集箱端压差转换系数也各不相同。目前我国锅炉制造行业对于并联管组流量分配，主要采用我国电站锅炉水动力计算方法、前苏联锅炉机组水力计算标准方法及美国的有关标准进行计算。由于各国在科研、设计、制造和运行等方面的水平、能力及经验的差异，故所制订的标准在许多方面也存在不同之处。

不同标准推荐的集箱端压差转换系数见表11.5（表中C为集箱同一截面上并联管数，d_n、d_sl分别为集箱和导汽管内径）。

表11.5　不同标准的集箱端压差转换系数推荐值

为了得到并联各管的流量，必须已知集箱内工质静压变化规律，对此，我国水动力计算标准采用的是通过理论与试验研究得出的分布规律。而前苏联和美国的有关标准则均假设其按抛物线规律分布，两者的分布规律有所不同，前者有较可靠的理论和试验基础，后者则缺乏可靠的依据，因而按后者得到的流量分配比较粗糙。

对于复杂集箱布置系统，在我国和前苏联水动力计算标准中只涉及沿集箱长度多管均匀径向引入引出的布置型式，且认为此时集箱内静压变化可忽略不计，因而使流量分配计算大为简化。而实际情况是，径向引入引出时集箱内工质静压分布的不均匀性总是存在的，这会使集箱内局部静压降低而导致部分管子的流量减小。因此，我国和前苏联水动力计算标准对这种系统的处理方法是不妥当的。近年来，我国学者对集箱中流量和静压分布进行了许多研究，并提出了改进方法。具体可参见有关文献。