雙流程電站凝汽器水室的流動(dòng)分析與改造

邢樂強(qiáng)，張莉，白路平，甘志聯(lián)

（上海電力學(xué)院，能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海，200090）

雙流程電站凝汽器水室的流動(dòng)分析與改造

邢樂強(qiáng)，張莉，白路平，甘志聯(lián)

（上海電力學(xué)院，能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海，200090）

為能夠準(zhǔn)確預(yù)測凝汽器水側(cè)流動(dòng)特性，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)商用軟件，管束區(qū)域采用多孔介質(zhì)模型，對某電廠雙流程凝汽器水室流場進(jìn)行了數(shù)值分析。結(jié)果表明：該電站雙流程凝汽器入口水室結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，導(dǎo)致冷卻水在局部產(chǎn)生了較大的阻力，形成了明顯漩渦。針對凝汽器水室中漩渦產(chǎn)生的原因，對凝汽器水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改造，并且在此基礎(chǔ)上提出了更多合理的建議。

凝汽器，水室，數(shù)值模擬，分析，改造

1　前言

汽輪機(jī)系統(tǒng)作為火力發(fā)電機(jī)組中的重要組成部分，一直都是提高機(jī)組效能的主要研究對象。我國火電機(jī)組中廣泛采用凝汽式汽輪機(jī)，凝汽器工作性能的好壞直接影響到汽輪機(jī)系統(tǒng)的性能，而且凝汽器有著較大的節(jié)能潛力［1］，所以，長期以來國內(nèi)外研究者們對凝汽器也傾注著一定的研究精力。但是，多數(shù)文獻(xiàn)的研究表明，有關(guān)凝汽器的研究主要集中在汽側(cè)［2］，即主要研究汽側(cè)內(nèi)部汽氣混合物的流動(dòng)和換熱特性，而凝汽器水側(cè)方面的研究還相對較少［3］，但是凝汽器水側(cè)方面的研究與汽側(cè)研究具有同樣重要的意義。

凝汽器冷卻水室內(nèi)的流動(dòng)是凝汽器水側(cè)研究的重點(diǎn)，合理的水室結(jié)構(gòu)能夠消除水室內(nèi)較大的渦流區(qū)域，減小冷卻水阻，可以使冷卻水均勻流入冷卻管內(nèi)，提高凝汽器冷卻效果［4］，同時(shí)，還可以帶動(dòng)膠球散布進(jìn)入所有冷卻管，有助于冷卻管的清洗。雖然之前的凝汽器水室已經(jīng)隨著加工工藝的發(fā)展由長方體結(jié)構(gòu)優(yōu)化為弧形結(jié)構(gòu)，但是這樣的水室流動(dòng)特性如何？是否還可以在目前制造工藝水平不斷提高的情況下進(jìn)一步改進(jìn)？這些都還有待于開展進(jìn)一步的研究工作。

本文采用數(shù)值模擬的研究方法，研究了某電廠雙流程凝汽器水側(cè)的流場特性，在得到凝汽器水側(cè)流場速度、壓力等參量分布的基礎(chǔ)上，對該凝汽器的水室進(jìn)行了評價(jià)分析，進(jìn)而對該水室進(jìn)行了改造嘗試。

2　數(shù)值計(jì)算方法

2.1物理模型

凝汽器水側(cè)的流動(dòng)包括冷卻水在進(jìn)水管、水室、冷卻水管、出水管等幾部分區(qū)域內(nèi)的流動(dòng)。對于雙流程凝汽器，水室又包括進(jìn)水室、折回水室和出水室。在穩(wěn)定工況下，凝汽器水側(cè)的流動(dòng)可以看作是三維、定常的湍流流動(dòng)。考慮到冷卻水在凝汽器水側(cè)的溫升僅有10℃左右，冷卻水的物性變化不大，流動(dòng)過程中可以不考慮冷卻水能量的變化。

此外，由于凝汽器管束區(qū)域的冷卻水管數(shù)目較多，而且每根冷卻管的管徑尺寸和凝汽器本體的尺寸相比差異較大，冷卻水在該區(qū)域流進(jìn)冷卻水管，就好像流進(jìn)了多孔區(qū)域。因此，冷卻水流過凝汽器管束區(qū)域的流動(dòng)可以用多孔介質(zhì)模型表達(dá)［5］。

2.2控制方程

2.2.1基本控制方程

根據(jù)上面對冷卻水側(cè)物理現(xiàn)象的簡化，描述凝汽器水側(cè)流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程，該流動(dòng)過程可統(tǒng)一描述如下［6］

式中，β為蒸汽流經(jīng)區(qū)域的多孔率；變量Ф分別為1，u→，k和ε時(shí)，方程分別表示混合物的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流模型。

2.2.2多孔介質(zhì)模型

多孔介質(zhì)模型在本文計(jì)算中應(yīng)用于冷卻水在凝汽器管束區(qū)冷卻水管內(nèi)的流動(dòng)。由于冷卻水一旦進(jìn)入冷卻水管，就會(huì)被限制在管內(nèi)流動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)在通流截面的二次流動(dòng)，因此，多孔介質(zhì)在該區(qū)域只需要考慮沿冷卻水管長度方向上阻力的模擬。

根據(jù)HEI推薦的凝汽器冷卻管內(nèi)摩擦損失的計(jì)算方法，冷卻水在冷卻管內(nèi)的摩擦損失Ff可用式 （2）、式 （3）進(jìn)行計(jì)算。

式中，F(xiàn)0為 25.5℃冷卻水在管壁厚為12.4 mm的冷卻水管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦損失；Vw為凝汽器中冷卻水管內(nèi)的流速；d2為冷卻水管內(nèi)徑；Ft和Fw為當(dāng)冷卻水平均溫度和冷卻水管壁厚度不符合上述要求時(shí)所加的修正系數(shù)［7］。

此外，冷卻水流進(jìn)、流出換熱管時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部損失，在數(shù)值計(jì)算中這部分不能忽略，局部損失采用式 （4）進(jìn)行計(jì)算［8］：

其中，Vw表示冷卻水流速；g為重力加速度；ξ為局部損失系數(shù)。冷卻水從水室流入換熱管以及從換熱管流入水室時(shí)的局部損失系數(shù)近似分別取為0.5和1。

3　研究對象簡介及計(jì)算條件設(shè)置

3.1研究對象簡介

本文以某單殼體、雙通道、雙流程 （對分式水室，即冷卻水雙進(jìn)雙出）、表面式凝汽器為研究對象。該機(jī)組凝汽器的2個(gè)流通通道具有相同的幾何結(jié)構(gòu)，故本文只選取了1個(gè)通道作為模型進(jìn)行計(jì)算。圖1給出了凝汽器某一通道流動(dòng)區(qū)域的幾何示意圖。

圖1　凝汽器幾何結(jié)構(gòu)圖

3.2求解設(shè)置

采用Gambit軟件對所研究流體區(qū)域進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，計(jì)算網(wǎng)格數(shù)約為200萬個(gè)。

應(yīng)用FLUENT數(shù)值計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中，對于多孔介質(zhì)區(qū)域阻力的計(jì)算啟用了FLUENT軟件的用戶自定義函數(shù) （UDF）功能，編寫、編譯了DEFINE_SOURCE函數(shù)用于計(jì)算多孔區(qū)域動(dòng)量方程的阻力源項(xiàng)。

基于凝汽器的設(shè)計(jì)參數(shù)，對計(jì)算的邊界條件進(jìn)行了設(shè)置：

（1）入口邊界：進(jìn)水管入口設(shè)定為速度入口邊界條件。入口流速的大小按設(shè)計(jì)工況流量取平均值，方向垂直于進(jìn)口界面；

（2）出口邊界：出水管出口設(shè)定為壓力出口邊界條件；

（3）固體壁面：設(shè)定為無滑移的邊界條件，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法；

（4）多孔區(qū)域：冷卻水在冷卻管內(nèi)的流動(dòng)區(qū)域，多孔率為0.493。分布阻力的源項(xiàng)由UDF加載到多孔介質(zhì)模型中。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

采用前面所述的方法，計(jì)算得到了凝汽器水側(cè)的流動(dòng)參數(shù)分布。由于缺少凝汽器水側(cè)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，本文通過水側(cè)壓降的對比進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算的驗(yàn)證。通過FLUENT計(jì)算得到的冷卻水流程總的壓降大約為64.556 kPa，和設(shè)計(jì)水阻69.79 Pa相比較，誤差大約為7.5%，符合工程設(shè)計(jì)的誤差要求，在一定程度上表明了計(jì)算結(jié)果的合理性。

4.1冷卻水流線分布

圖2給出了該雙流程凝汽器水側(cè)冷卻水的流線分布。從圖2可以看出，在進(jìn)水室下部，當(dāng)冷卻水流入水室時(shí)，隨著流動(dòng)空間的增大，冷卻水向兩側(cè)流動(dòng)，流線會(huì)顯得很雜亂，而在進(jìn)水室的上部，由于冷卻水在進(jìn)水室流向的改變，冷卻水不易流到那里，也造成了進(jìn)水室上部流線一定程度的雜亂。此外，在靠近冷卻水管板處，冷卻水流進(jìn)冷卻水管的局部阻力也造成了該處的流動(dòng)雜亂。

圖2　凝汽器水側(cè)冷卻水流線分布圖

冷卻水管的管束區(qū)內(nèi)，冷卻水表現(xiàn)出沿軸向的流動(dòng)平順性，這與冷卻水管將冷卻水限制在管內(nèi)流動(dòng)的物理現(xiàn)象相符合，表明了借助多孔介質(zhì)模型模擬管束區(qū)域內(nèi)流體流動(dòng)的合理性。在折回水室內(nèi)，冷卻水的流線相較于進(jìn)水室平順，出水室中在冷卻水流入出水管前，在出水管的對面出現(xiàn)了一個(gè)較小的漩渦，這是由于冷卻水向著出水室出口流動(dòng)，在另一側(cè)發(fā)生脫流作用產(chǎn)生的。

從冷卻水流線分布可以預(yù)測冷卻水流動(dòng)整體的平順性，但是只有對冷卻水在各個(gè)水室內(nèi)的速度和壓力分布進(jìn)行詳細(xì)的了解之后才能分析出水室結(jié)構(gòu)的不足之處，從而提出相應(yīng)的改造方案。

4.2進(jìn)水室流場分布

圖1中在進(jìn)水室內(nèi)沿進(jìn)水管軸向由下往上依次定義了3個(gè)截面來觀察進(jìn)水室的流場分布。圖3和圖4分別給出這3個(gè)截面上的速度和壓力分布。從圖3、圖4可以看出，在進(jìn)水室的上側(cè)壓力較大，冷卻水流速較低，而且距離管板越遠(yuǎn)的地方流速越低，這里漩渦的產(chǎn)生是由于冷卻水由y軸的正方向轉(zhuǎn)向z軸負(fù)方向流動(dòng)所導(dǎo)致的。還可以看到，在進(jìn)水室下側(cè)存在2個(gè)明顯的漩渦，原因在于冷卻水流入進(jìn)水室時(shí)，隨著空間的擴(kuò)大，冷卻水向水室兩側(cè)流動(dòng)，從而形成渦流。在進(jìn)水室設(shè)置有冷卻水管，也就是說這一區(qū)域里冷卻水流動(dòng)的雜亂是由管束布置所決定的，無法通過凝汽器進(jìn)水室結(jié)構(gòu)的改造來改善這部分的流動(dòng)狀況。

圖3　進(jìn)水室內(nèi)的速度分布

圖4　進(jìn)口水室內(nèi)壓力分布

圖5　進(jìn)口管板截面上的流場分布

圖5所示為凝汽器第一流程管束近管板處流場分布，由于冷卻水的流動(dòng)方向與幾何建模時(shí)z軸的正方向相反，因此，在與進(jìn)水室相銜接的管板上的冷卻水流速為負(fù)。從圖5（a）可以看出，在冷卻水管比較密的區(qū)域，流速在z方向的分量大部分在1～2.6 m/s的范圍內(nèi)，其中，速度范圍在2.4～2.6 m/s的區(qū)域主要集中在截面上部。這是因?yàn)槔鋮s水由進(jìn)水管軸向進(jìn)入，由于流動(dòng)的慣性，冷卻水沖到進(jìn)水室上方的趨勢，因此，位于上側(cè)的換熱管內(nèi)的流量相對于下側(cè)的流量要大。此外，在冷卻水管布置比較稀疏的外圍區(qū)域，冷卻水流速比較低，大概在1～2 m/s的范圍內(nèi)，原因是冷卻水流入換熱管時(shí)受到周圍管板的阻礙大，降低了冷卻水的流入速度。

管束內(nèi)冷卻水流場分布的不均勻性，除了有來自進(jìn)水室?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)的影響外，還有換熱管管束布置的影響。所以，凝汽器進(jìn)水室合理的幾何結(jié)構(gòu)改造可以帶來管束區(qū)冷卻水流場分布的改善，但是冷卻水管束的布置方式所造成的影響則無法通過進(jìn)水室的改進(jìn)來消除。

4.3折回水室的流場分布

整體上來說，冷卻水在折回水室產(chǎn)生的壓力損失并不多，通過計(jì)算得出這部分的壓力損失是964 Pa。從圖6可以看出，在折回水室的中間且遠(yuǎn)離管板的區(qū)域內(nèi)水的流速較大，壓力較低，而在上下兩側(cè)水的流速較低，壓力較大，這是由于流體在轉(zhuǎn)彎時(shí)與壁面發(fā)生了碰撞所造成的，這部分的動(dòng)能損失是無法避免的。同樣，由于管板中間區(qū)域和上、下2個(gè)管束區(qū)的中央位置沒有布置換熱管，在這些位置也存在低速區(qū)。由此折回水室內(nèi)流場的分布特點(diǎn)是由凝汽器水室的整體布置和管束布置類型所決定的。

圖6　折回水室的流場分布

4.4出水室及出水管流場分布

圖7是出水室和出水管流場分布圖。從圖7可以看出，出水室壓力從管板向出水管側(cè)逐漸降低，在遠(yuǎn)離管板側(cè)出現(xiàn)了高壓低速區(qū)域。這是因?yàn)槔鋮s水由沿著z軸正方向流動(dòng)轉(zhuǎn)向沿著x軸正方向流動(dòng)造成的，冷卻水在轉(zhuǎn)向過程中與壁面發(fā)生碰撞會(huì)產(chǎn)生動(dòng)能的損失。冷卻水從空間較大的出水室流入空間較小的出水管，冷卻水流速突然增大，最高可達(dá)3.34 m/s，而且剛進(jìn)入出水管的時(shí)候冷卻水主要集中在一側(cè)，使得這一側(cè)水室壁面和出水管壁會(huì)受到很大的沖擊和摩擦。

圖7　出水室及出水管的流場分布

5　水室結(jié)構(gòu)改造方案及效果預(yù)測

圖8　水室改造后的計(jì)算區(qū)域

5.2改造效果預(yù)測

本文對改進(jìn)后的雙流程凝汽器水側(cè)流動(dòng)又進(jìn)行了數(shù)值模擬從而來預(yù)測改造方案的效果。從冷卻水流線分布圖 （見圖9）可以看出，凝汽器進(jìn)水室采用了新的結(jié)構(gòu)后，水室上部的漩渦消失，速度流線更加平順有序，而且在這一區(qū)域的冷卻水流速也沒有原來那么低。另外從冷卻水流經(jīng)各個(gè)階段時(shí)產(chǎn)生的壓力損失也可以看到改造的效果。

圖9　改造后的冷卻水流線分布

5.1水室結(jié)構(gòu)改造方案

整體上來說，冷卻水在整個(gè)流動(dòng)過程中，除了2個(gè)流程的管束區(qū)域以外，進(jìn)水室、出水室這兩部分產(chǎn)生的壓力損失最多，而且從各個(gè)水室內(nèi)的流場分布也可以看出，冷卻水在流動(dòng)過程中存在一些流動(dòng)不合理的地方。經(jīng)過分析，在雙流程凝汽器內(nèi)冷卻水的流動(dòng)特性是由多方面因素決定的，包括凝汽器水室的幾何結(jié)構(gòu)以及其他原因。針對水室結(jié)構(gòu)對凝汽器水側(cè)流場分布的影響，可以對水室采取相應(yīng)的改造措施。為了消除進(jìn)水室上部的渦流，需要對凝汽器進(jìn)水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。水室改造后的計(jì)算區(qū)域如圖8所示。改造前在進(jìn)水室內(nèi)的壓力損失是5 465.203 Pa，改造之后降為5 261.358 Pa，這表明凝汽器進(jìn)水室結(jié)構(gòu)改造還是取得了一定的效果。

圖10　改造后進(jìn)水室流線分布

從圖10還可以看出，在進(jìn)水室下部依然存在渦流，主要還是因?yàn)槔鋮s水從空間較小的進(jìn)水管流入空間較大的進(jìn)水室的原因，如果要消除進(jìn)水室下部的渦流，就需要將進(jìn)水室設(shè)計(jì)為漸擴(kuò)型的幾何結(jié)構(gòu)，然后同樣對改造后的凝汽器水側(cè)進(jìn)行數(shù)值模擬，這也正是凝汽器水室結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究接下來所要做的工作。

6　結(jié)論

（1）該電站凝汽器進(jìn)口水室結(jié)構(gòu)中存在明顯不合理的地方，冷卻水在水室上部和近管板處產(chǎn)生了較大的漩渦，導(dǎo)致冷卻水對管板產(chǎn)生較大的沖擊和摩擦；管板上冷卻水速度分布并不均勻，主要表現(xiàn)為上側(cè)有一部分區(qū)域的流量比較集中。在后水室內(nèi)由于冷卻水流動(dòng)方向發(fā)生變化，產(chǎn)生漩渦，但是范圍不大，并不會(huì)對循環(huán)冷卻水產(chǎn)生太大的阻力。而在出口水室壓力從管板向出水管側(cè)逐漸降低，在遠(yuǎn)離管板側(cè)出現(xiàn)了高壓低速區(qū)域；在剛進(jìn)入出水管時(shí)候冷卻水主要集中在一側(cè)，使得這一側(cè)水室壁面和出水管壁會(huì)受到很大的沖擊和摩擦。

（2）根據(jù)對凝汽器進(jìn)水室中漩渦存在原因的分析，為了消除進(jìn)水室內(nèi)的漩渦，提出相應(yīng)的改造方案，然后對改造后的模型重新進(jìn)行數(shù)值模擬，通過與改造之前的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析后可以發(fā)現(xiàn)，改造后進(jìn)水室上部的漩渦范圍和程度都有所減小。

（3）雖然在凝汽器進(jìn)水室的管板附近的漩渦不再那么明顯，但是下部的漩渦依然存在，而且流過管板截面的冷卻水流速分布也依然存在不均勻性。因此，建議以后的改造研究過程中可以考慮將進(jìn)水室設(shè)計(jì)為漸擴(kuò)型的幾何結(jié)構(gòu)，或者在進(jìn)水室下部靠近進(jìn)水管的位置處加裝合理的導(dǎo)流裝置，以減小渦流，提高管板截面處冷卻水流速的均勻性。

［1］尤清華．大型燃煤發(fā)電機(jī)組冷端系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．北京：華北電力大學(xué)，2012

［2］曲建麗．電站凝汽器的數(shù)值模擬研究與應(yīng)用［D］．濟(jì)南：山東大學(xué)，2007

［3］李永華，侯淑娟，孫剛．300 MW機(jī)組電站凝汽器水側(cè)數(shù)值模擬［J］．電站輔機(jī)，2009，30（2）：12-15

［4］蔣建飛，黃樹紅，王坤．凝汽器水側(cè)流動(dòng)的三維數(shù)值模擬［J］．動(dòng)力工程，2006，26（2）：249-252

［5］李勇，李立言，曹麗華，等．山谷型雙流程凝汽器管側(cè)流場的數(shù)值分析［J］．化工機(jī)械，2012，39（3）：351-355

［6］汪國山．電站凝汽器熱力性能數(shù)值仿真及其應(yīng)用［M］．北京：中國電力出版社，2010：18-21

［7］張卓澄．大型電站凝汽器［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：54-57

［8］柯葵，朱立明．流體力學(xué)與流體機(jī)械［M］．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2009：85-88

Flow Analysis and Alteration of Water Chamber in a Double-flow Condenser of Power Plant

Xing Leqiang，Zhang Li，Bai Luping，Gan Zhilian

（College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai，200090）

In order to predict the flow characteristic of condenser water side，the flows field of a double-flow condenser whose pipe bundle has porous medium model is simulated through CFD software．The result shows that the structure of condenser's inlet water chamber has defect which can result obvious resistance in some local parts where large vortex appears．Based on the cause of vortex，some measures have been carried out and some suggestions have been put forward to improve condenser's water chamber.

condenser，water chamber，numerical simulation，analysis，alteration

TK264

A

1674-9987（2015）02-0019-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.004

上海市科委專項(xiàng)科研項(xiàng)目。

邢樂強(qiáng) （1989-），男，碩士研究生在讀，就讀于上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院。