1 000 MW機(jī)組凝汽器水側(cè)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

周蘭欣，　張　娜

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

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1 000 MW機(jī)組凝汽器水側(cè)流場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

周蘭欣，張娜

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

摘要：以某1 000 MW機(jī)組為例，利用Fluent軟件對(duì)凝汽器水側(cè)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬.結(jié)果表明：循環(huán)水在高壓凝汽器和低壓凝汽器前水室產(chǎn)生的較大漩渦區(qū)和循環(huán)水對(duì)管板的沖擊，增加了循環(huán)水的阻力損失，影響了管束區(qū)水速的分布；在進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板和隔板上加裝凸起扣板后，水室內(nèi)的漩渦區(qū)明顯減小，水速變得均勻平順，循環(huán)水對(duì)隔板沖擊現(xiàn)象明顯減弱，且沿著凸起扣板方向進(jìn)入管束，管束區(qū)平均水速提高了0.033 m/s，整體平均傳熱系數(shù)增大了28 W/(m2·K)，改善了凝汽器水側(cè)管束的傳熱效果.

關(guān)鍵詞：凝汽器； 水室； 管束； 傳熱系數(shù)； 導(dǎo)流板； 凸起扣板

汽輪機(jī)排汽所需的循環(huán)水量隨機(jī)組容量增大急劇上升，循環(huán)水進(jìn)入巨大的凝汽器水室很容易引起傳熱管水力及水速分布不均，從而影響凝汽器管束的整體傳熱效果[1].

筆者以某1 000 MW超超臨界機(jī)組凝汽器為研究對(duì)象，采用Fluent軟件對(duì)凝汽器水側(cè)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，找出水力分配不均的部位和原因，提出了改善凝汽器水側(cè)流動(dòng)特性的方法和措施，為提高傳熱效果創(chuàng)造條件.

1計(jì)算模型及方法

某1 000 MW機(jī)組凝汽器型號(hào)為N-53000，循環(huán)水為雙進(jìn)雙出，凝汽器橫向布置[1].采用CFD軟件對(duì)凝汽器水側(cè)的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，凝汽器水側(cè)有4個(gè)前水室和4個(gè)后水室，流動(dòng)分為2組：第一組在最外側(cè)，中間通過U形管連接；第二組在中間，通過圓管連接.凝汽器參數(shù)見表1.

表1　凝汽器參數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)對(duì)N-53000凝汽器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)量為109萬.

1—低壓凝汽器1；2—低壓凝汽器2；3—高壓凝汽器1；4—高壓凝汽器2.

圖1凝汽器計(jì)算網(wǎng)格示意圖

Fig.1Computational grid of the condenser

1.1多孔介質(zhì)模型[2]

由于凝汽器水側(cè)存在幾千根循環(huán)水管,其外徑與長度相比相對(duì)很小，而CFD軟件計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量取決于模型的最小結(jié)構(gòu)尺度.因此,模擬實(shí)際流體在眾多循環(huán)水管內(nèi)的流動(dòng)將導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大,往往超出目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力.在Fluent軟件中，為方便計(jì)算，定義了多孔介質(zhì)模型，可用于模擬計(jì)算問題域幾何特征對(duì)流體產(chǎn)生的壓降.以凝汽器外側(cè)一組流程為例，流體區(qū)域劃分如圖2所示.

圖2　凝汽器流體區(qū)域劃分示意圖

求解Fluent軟件中介質(zhì)的流動(dòng)特性和固體區(qū)域的幾何形狀對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生的影響，多孔介質(zhì)模型在原始動(dòng)量方程的基礎(chǔ)上添加了附加動(dòng)量損失.附加動(dòng)量損失由2部分組成:一部分是黏性阻力損失項(xiàng)，另一部分是內(nèi)部阻力損失項(xiàng).

(1)

式中：Si為i向(x,y,z)動(dòng)量源項(xiàng)；Dij和Cij為規(guī)定的矩陣；μ為循環(huán)水動(dòng)力黏度，Pa·s；vj為循環(huán)水速，m/s；ρ為循環(huán)水密度，kg/m3.

對(duì)于簡單的均勻多孔介質(zhì)，則有

(2)

式中：α為滲透性系數(shù)；C2為內(nèi)部阻力系數(shù)，可以看成是沿著流動(dòng)方向每一單位長度的損失系數(shù).

多孔介質(zhì)中的壓降與動(dòng)量源項(xiàng)的關(guān)系為

(3)

式中：Δn為多孔介質(zhì)區(qū)域的真實(shí)厚度.

1.2控制方程組[2]

計(jì)算中采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，使用的控制方程有k方程和ε方程.

k方程為

(4)

ε方程為

(5)

其中，5個(gè)常數(shù)分別為Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，στ=1.3[3].

2結(jié)果及分析

2.1凝汽器水側(cè)模擬

圖3給出了凝汽器流體區(qū)域的水流跡線分布.通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，進(jìn)出口水管和前后水室中存在較大的水頭損失，主要是因?yàn)橥鈴綖?.8 m的進(jìn)口水管拐彎變向后，高速水流進(jìn)入巨大水室，對(duì)水室隔板產(chǎn)生沖擊.尤其是在水室上下部和四角處出現(xiàn)高速漩渦，水流在每根傳熱管中分配不均，使得汽側(cè)管束區(qū)水速明顯偏低[4].若提高整體管束區(qū)水速，需要改善水室內(nèi)水流軌跡.

圖3　凝汽器水流跡線分布圖

2.2水室加裝導(dǎo)流板

在高壓凝汽器和低壓凝汽器進(jìn)口水室各加裝4塊導(dǎo)流板(見圖4)，以提高循環(huán)水在水室流動(dòng)的均勻性.導(dǎo)流板為不銹鋼板，采用鋼筋固定在水室中，導(dǎo)流板的尺寸為2.8 m×0.8 m×0.02 m.4塊導(dǎo)流板布置在距循環(huán)水管進(jìn)口右側(cè)0.5 m，其中導(dǎo)流板1位于高出循環(huán)水管中心位置1.5 m處，與+x軸水平方向成45°，導(dǎo)流板2位于高出循環(huán)水管中心位置0.5 m處，導(dǎo)流板3位于低于循環(huán)水管中心位置0.5 m處，導(dǎo)流板2和導(dǎo)流板3沿x軸方向水平布置，導(dǎo)流板4位于低于循環(huán)水管中心位置1.5 m處，與-x軸水平方向成30°，如圖5所示.

2.3水室加裝導(dǎo)流板后的水速模擬

對(duì)水室加裝導(dǎo)流板后的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，首先對(duì)水室的流體流動(dòng)情況進(jìn)行分析，y=2 m截面水室加裝導(dǎo)流板前后的水速云圖如圖6所示.

循環(huán)水在進(jìn)入傳熱管束前，高速流體分布在凝汽器的水室中心區(qū)域，水室頂部與下部形成漩渦區(qū)域，水室加裝導(dǎo)流板后，漩渦強(qiáng)度明顯減弱，高速流體所占比例減小，水室內(nèi)流體流動(dòng)變得相對(duì)均勻.

圖4　水室內(nèi)導(dǎo)流板布置方案

圖5　水室內(nèi)導(dǎo)流板安裝示意圖

(a)水室加裝導(dǎo)流板前(b)水室加裝導(dǎo)流板后

圖6y=2 m截面水室加裝導(dǎo)流板前后的水速云圖

Fig.6Velocity contours in the water chamber with and without guide plates on sectiony=2 m

高壓水室和低壓水室加裝導(dǎo)流板前后，x=0 m截面管束區(qū)水速分布云圖如圖7和圖8所示.由圖7和圖8可知，水室加裝導(dǎo)流板后，循環(huán)水在水室內(nèi)分布趨于均勻，靠近四周及四角的管束區(qū)水速較以前提高；外圍管束區(qū)水速相較中心管束區(qū)水速低的現(xiàn)象得到改善；還存在循環(huán)水對(duì)水室隔板中央?yún)^(qū)域沖擊回流，致使外圍管束區(qū)水速偏低的現(xiàn)象[5-6].

2.4管板結(jié)構(gòu)優(yōu)化模擬

為了減小循環(huán)水對(duì)隔板的撞擊，使進(jìn)入外圍管束區(qū)的循環(huán)水沿凸起扣板導(dǎo)入傳熱管束，在高壓凝汽器和低壓凝汽器進(jìn)口水室管板加裝了3塊凸起扣板.如圖9所示，其中1為塔形凸起扣板，長4.2 m、寬0.5 m，2、3為錐形凸起扣板，長3.12 m、寬0.38m，3塊凸起扣板最大凸出厚度相同，模擬了4種凸起厚度方案，分別為0.1 m、0.15 m、0.2 m和0.25 m，凸起扣板布置在山谷形管束的谷峰中心定位點(diǎn).

圖7水室加裝導(dǎo)流板前x=0 m截面管束區(qū)水速分布云圖

Fig.7Velocity contours on sectionx=0 m in tube bundle area before adding guide plates in the water chamber

圖8　水室加裝導(dǎo)流板后x=0 m截面管束區(qū)水速分布云圖

Fig.8Velocity contours on sectionx=0 m in tube bundle area after adding guide plates in the water chamber

圖9　隔板加裝凸起扣板布置方案

加裝凸起扣板后對(duì)水室進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)循環(huán)水進(jìn)入管束前的回流現(xiàn)象減弱，撞擊隔板的循環(huán)水沿著凸起方向進(jìn)入管束區(qū)(見圖10).

循環(huán)水沿著凸起扣板進(jìn)入管束，減小了循環(huán)水由于撞擊回流而產(chǎn)生的壓降，使循環(huán)水管束外圍的水速提高，x=0 m截面管束區(qū)水速分布云圖如圖11所示.

對(duì)凝汽器進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板及隔板加裝凸起扣板前后管束區(qū)水速變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖12所示.由圖12可知，加裝導(dǎo)流板和凸起扣板后，整體管束區(qū)水速提高.

凝汽器管束區(qū)水速的提高有利于管束與汽輪機(jī)排汽進(jìn)行換熱[7].美國傳熱學(xué)會(huì)(HEI)利用數(shù)學(xué)解析式分析得出了傳熱系數(shù)k與凝汽器管束區(qū)水速vm的關(guān)系.

(a) 加裝凸起扣板前

(b) 加裝凸起扣板后

圖11　加裝導(dǎo)流板和凸起扣板后x=0 m截面管束區(qū)水速分布云圖

圖12　加裝導(dǎo)流板和凸起扣板前后的管束區(qū)水速對(duì)比

(6)

式中：C為循環(huán)水管外徑的計(jì)算系數(shù)；ξ0為清潔系數(shù)；βt為循環(huán)水溫修正系數(shù)；βm為循環(huán)水管的材料與壁厚修正系數(shù)[8-9].

根據(jù)式(6)中傳熱系數(shù)與凝汽器管束區(qū)水速的關(guān)系，取循環(huán)水管外徑的計(jì)算系數(shù)C為2 665，清潔系數(shù)ξ0為0.85[10]，高壓凝汽器、低壓凝汽器側(cè)循環(huán)水溫修正系數(shù)βt分別為1.03和0.99，循環(huán)水管的材料與壁厚修正系數(shù)βm為1.06，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的管束區(qū)平均水速[11-15]，計(jì)算出管束區(qū)截面的平均傳熱系數(shù)K[10]，如表2所示.

通過以上模擬結(jié)果，在凝汽器的進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板可以使管束區(qū)水速提高，增大管束平均傳熱系數(shù).

在凝汽器進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板和凸起扣板后，在低壓凝汽器1和低壓凝汽器2側(cè)，管束區(qū)平均水速分別提高了0.029 m/s和0.033 m/s，平均傳熱系數(shù)分別增大了24 W/(m2·K)和27 W/(m2·K)；在高壓凝汽器1和高壓凝汽器2側(cè)，管束區(qū)平均水速分別提高了0.034 m/s和0.037 m/s，平均傳熱系數(shù)分別增大了29 W/(m2·K)和32 W/(m2·K).

表2　管束區(qū)截面的平均傳熱系數(shù)

3結(jié)論

(1) 凝汽器進(jìn)口水管的高速流體對(duì)水室隔板中部有沖擊現(xiàn)象，使得高壓凝汽器和低壓凝汽器進(jìn)口水室水力分配不均，上下部和四角出現(xiàn)高速漩渦，管束區(qū)水速差別較大.

(2) 凝汽器進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板后，漩渦區(qū)明顯減小，水室和管束的流體流動(dòng)趨于均勻穩(wěn)定，管束區(qū)平均水速提高，管束平均傳熱系數(shù)增大.

(3) 在進(jìn)口水室加裝導(dǎo)流板和凸起扣板后，水量在水室分布趨于均勻，高速流體對(duì)隔板的沖擊減弱，管束區(qū)的循環(huán)水量更加均勻，管束區(qū)平均水速提高了0.033 m/s，整體平均傳熱系數(shù)增大了28 W/(m2·K).

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3D Simulation on Flow Field at Condenser Water Side of a 1 000 MW Unit

ZHOULanxin,ZHANGNa

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：Taking a 1 000 MW unit as an example, numerical simulations were conducted on flow characteristics at its condenser water side using Fluent software. Results show that the large vortex produced by circulating water in the water chamber of high- and low-pressure condenser and the impact of circulating water on the tube plate would lead to the increase of resistance loss and the non-uniform distribution of water velocity in tube bundle areas; the phenomenon of water swirl can be significantly reduced by adding guiding plates and convex buckles in the water chamber, where the water velocity would become uniform and smooth, the impingement on baffle plate would be weakened, and the water would flow into the tube bundle along the direction of convex buckles, resulting in increased average water velocity by 0.033 m/s and raised overall heat-transfer coefficient by 28 W/(m2·K), indicating obvious improvement of heat-transfer effect at water side of the condensers.

Key words：condenser; water chamber; tube bundle; heat-transfer coefficient; guiding plate; convex buckle

收稿日期：2015-08-25

作者簡介：周蘭欣(1956-)，男，河北保定人，教授，碩士，主要從事直接空冷機(jī)組節(jié)能研究及汽輪機(jī)節(jié)能優(yōu)化方面的研究.

文章編號(hào)：1674-7607(2016)07-0525-05中圖分類號(hào)：TK284.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類號(hào)：470.20

張娜(通信作者)，女，碩士研究生，電話(Tel．)：15733221342；E-mail：15733221342@163.com．