百萬火電凝汽器管束分析

薛英喜 羅小明

（1.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090；2.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

凝汽器是驅(qū)動汽輪機做功后排出的蒸汽變成凝結水的熱交換設備。凝汽器的主要任務是在汽輪機的排氣口建立并維持規(guī)定的真空度，并將汽輪機的排汽凝結成水回收工質(zhì)。凝汽器的真空度對機組運行的安全性和經(jīng)濟性有很大的影響。因此，凝汽器的性能直接影響機組的效益，而決定凝汽器性能的主要因素之一就是布管。應用Star-CD軟件對百萬火電凝汽器某管束進行數(shù)值模擬，最終得到殼側流場和壓力分布、管束區(qū)換熱系數(shù)和凝結率及混合氣分布情況與性能參數(shù)。

1 模型分析

1.1 繪制網(wǎng)格

根據(jù)凝汽器設計的CAD圖紙，確定計算區(qū)域，由于該凝汽器是對稱結構，故選取半個殼體的管束區(qū)及其周圍區(qū)域作為計算域，該方案的管束分布區(qū)域如圖1所示，計算域?qū)?505mm，高15072mm。凝汽器管束為三角形叉排管束，節(jié)距Pt=32mm，網(wǎng)格單元長度為32sin60°≈27.71mm，寬度為32/2=16mm。

圖1 該方案計算管束域

1.2 物性參數(shù)及邊界條件

該凝汽器為單流程，根據(jù)現(xiàn)有資料確定模擬參數(shù)如下（單殼體）：汽輪機排汽壓力5380Pa，排汽溫度35℃，入口蒸汽速度76m/s，冷卻水平均溫度25℃，冷卻水平均流速2.296m/s。

2 計算結果

圖2為該凝汽器的速度矢量，圖3、圖4和圖5是其熱力參數(shù)分布，包括凝汽器殼側壓力分布、空氣濃度分布、管束區(qū)傳熱系數(shù)分布。

從圖2中可以看出，汽輪機的排汽自上而下進入凝汽器，中間部分蒸汽因擾流低加圓筒形成典型的繞流脫體現(xiàn)象，使得低加圓筒左側區(qū)域蒸汽流速很高；而管束和擋板的布置使蒸汽通流面積減小，對進入的蒸汽產(chǎn)生了排擠效應，導致在管束左側的殼壁蒸汽通道和抽空氣區(qū)上方的蒸汽速度很高。由于低加圓筒的正下方形成渦流區(qū)，自上而下進入中間蒸汽通道的蒸汽很少，速度很低，因此才形成了蒸汽在蒸汽通道中的大回流。山型管束下方開了對稱的長條空白，避免了蒸汽在回流入管束區(qū)時形成渦流，減少壓力損失。

圖2 速度矢量

圖3 壓力分布

由圖3可以看到，在管束區(qū)的最上方，進入凝汽器的蒸汽由于受到管束的阻滯，剛剛進入管束區(qū)時的蒸汽速度下降、壓力上升。隨著繼續(xù)往前流動，蒸汽速度、壓力快速下降，出口邊界條件設置為4900Pa，抽氣口平均壓降約327.5Pa。經(jīng)軟件模擬計算，凝汽器進口壓力為5227.5Pa。實際設計的蒸汽進口壓力為5380Pa，因為模型計算時將凝汽器上部的支撐管、抽汽管組等管路簡化去掉，只保留低加，而通過其他軟件計算凝汽器上部的損失約為150Pa，所以此次設置出口壓力為4900Pa，計算的蒸汽進口壓力符合設計值，此次設置的邊界條件合理。

由圖4可見，兩種邊界計算的不凝結氣體積聚在山形管束中間抽空氣口下方，即空冷區(qū)，出口處空氣的質(zhì)量分數(shù)為35%。

圖4 空氣濃度分布

圖5 管束區(qū)傳熱系數(shù)分布

由圖5可知，山型的兩側管束布置較窄，但是傳熱系數(shù)較高，分布較好，因此山型上部管束布置無需設計翅型，而在山型底部管束布置設計了翅型，有利于蒸汽進入管束中間，因此該部分的傳熱系數(shù)仍很高。所以，該凝汽器的管束布置較為合理。計算結果顯示，管束區(qū)平均傳熱系數(shù)為 3224.3W/（m2·k）。

蒸汽由上而下沖刷，因此管束的邊緣和中間部分蒸汽流速較高，換熱的效果較好，蒸汽的凝結率較高。綜合管束區(qū)計算結果，可以得出，管束區(qū)傳熱系數(shù)大于平均值，局部空氣聚集處傳熱系數(shù)很小。計算結果顯示，管束區(qū)蒸汽平均凝結率為1.044kg/（s·m3）。

3 結論

通過Star-CD軟件對凝汽器內(nèi)混合氣體流動和換熱進行數(shù)值分析，模擬結果能夠合理地反映凝汽器內(nèi)混合氣體的流動和換熱情況。管束區(qū)的蒸汽流速、傳熱系數(shù)、壓力分布及空氣濃度分布較為合理，該凝汽器山型管束設計合理。

[1]董建華，董愛華.管束布置對凝汽器性能影響的數(shù)值模擬分析[J].汽輪機技術，2014，56（3）：176-178

[2]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993：112-113.