某凝汽器水室流場(chǎng)分析

高良軍， 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱 150028;2.哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱 150090）

凝汽器[1]水室是凝汽器非常重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)，其承擔(dān)著冷卻水的流通循環(huán)作用。凝結(jié)水在進(jìn)入水室之后進(jìn)入到管束中，將管外的汽輪機(jī)[2]排汽冷卻到設(shè)計(jì)溫度。水室結(jié)構(gòu)合理可以對(duì)進(jìn)入到水室的冷卻水起到很好的導(dǎo)流作用，提升凝汽器的運(yùn)行性能。目前針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的市場(chǎng)形勢(shì)，設(shè)備性能的優(yōu)化成為提升設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力的主要手段,隨著機(jī)組容量的不斷增大，凝汽器水室的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。更大流量、更大容積的水室，保證水室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上如何保證流動(dòng)效率成了設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題。本文針對(duì)傳統(tǒng)凝汽器水室形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在提升設(shè)備性能，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 方案概述

針對(duì)凝汽器我公司原始結(jié)構(gòu)采用的是平頂設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工藝要求不高，制造加工較簡(jiǎn)單。但是隨著設(shè)備性能要求越來(lái)越高，凝汽器水室流線控制也成為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

針對(duì)某項(xiàng)目機(jī)組容量要求，凝汽器結(jié)構(gòu)龐大，水室也較大。傳統(tǒng)的平頂結(jié)構(gòu)對(duì)材料較為浪費(fèi)。為了增加設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，優(yōu)化水室內(nèi)部流場(chǎng)。設(shè)計(jì)人員為某大容量凝汽器進(jìn)行了水室方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的方形頂部設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將水室背板的傾斜角度由4.5°增大到12°，并且將頂板由平板改為圓弧板，如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上看，優(yōu)化后的水室結(jié)構(gòu)緊湊，耗費(fèi)材料較優(yōu)化之前減少，經(jīng)濟(jì)性較好。而從加強(qiáng)上看，優(yōu)化后水室采用肋板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，保證了水室強(qiáng)度要求。本文針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)兩種水室進(jìn)行了流場(chǎng)模擬分析。水室的流場(chǎng)分析，根據(jù)水室對(duì)應(yīng)的管束形式，采用全三維模擬計(jì)算，進(jìn)行流動(dòng)性能分析。

分析具體過(guò)程為：1）建模。使用Unigraphics NX[3]建立水室計(jì)算的三維模型，兩種結(jié)構(gòu)分別建立三維模型。2）網(wǎng)格繪制。將三維模型導(dǎo)入ANSYS ICEM中繪制計(jì)算網(wǎng)格[4]，采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。3）計(jì)算。網(wǎng)格繪制完成后，使用CFX進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算收斂后保存計(jì)算結(jié)果。4）結(jié)果分析。采用CFX進(jìn)行結(jié)果處理分析[5]。

分析兩種水室的結(jié)構(gòu)合理性以及工藝加工合理性[6]。為優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)，提升凝汽器運(yùn)行性能提供技術(shù)支撐。

圖1 優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)

2 水室建模

某凝汽器水室設(shè)計(jì)方案的水室結(jié)構(gòu)采用UG建模。凝汽器水室存在較多的支撐結(jié)構(gòu)，尤其是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有較復(fù)雜的頂部型線。因此采用三維造型方便快捷的UG軟件對(duì)實(shí)體進(jìn)行建模。由于流場(chǎng)分析時(shí)計(jì)算的是整個(gè)流動(dòng)空間的狀態(tài)，因此建模時(shí)保留流動(dòng)空間。

某大型凝汽器水室入口為循環(huán)水管道接口，出口應(yīng)為內(nèi)部換熱管，換熱管為“山形”布管形式[7]。但是實(shí)際某大型凝汽器設(shè)備每個(gè)腔室內(nèi)共有萬(wàn)余根換熱管，如果全部按照真實(shí)尺寸構(gòu)造不僅建模極其困難，而且網(wǎng)格劃分也不現(xiàn)實(shí)。就算采用服務(wù)器并聯(lián)也無(wú)法達(dá)到網(wǎng)格劃分的內(nèi)存要求，因此需要對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[8]。為了達(dá)到大型設(shè)備的分析設(shè)計(jì)目的，采用等效模型簡(jiǎn)化，可以保證整個(gè)分析過(guò)程的可行性，以及分析結(jié)果的可靠性。針對(duì)某大型凝汽器等效模型簡(jiǎn)化的目的是減少計(jì)算量，保證網(wǎng)格劃分以及計(jì)算量在計(jì)算機(jī)承受的范圍之內(nèi)。簡(jiǎn)化的方法是減少換熱管的數(shù)量，保證流通面積比例的一致性，即增大每根管的直徑。簡(jiǎn)化模型采用等效簡(jiǎn)化方法，保證了模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果的合理統(tǒng)一，具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

根據(jù)實(shí)際計(jì)算條件，在保證結(jié)果的前提下，最后將凝汽器水室后管束減少，形狀保持原布置形狀，水室流動(dòng)空間也進(jìn)行了相應(yīng)的等效簡(jiǎn)化，保證了尺寸比例的統(tǒng)一性。通過(guò)模型等效簡(jiǎn)化，解決了某大型凝汽器分析過(guò)程中節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)過(guò)于龐大問(wèn)題，節(jié)省了建模和計(jì)算時(shí)間，提高了分析效率。

3 計(jì)算模型

采用ICEM對(duì)兩種水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上。ICEM對(duì)網(wǎng)格劃分非常便利，可以在網(wǎng)格劃分的同時(shí)修正實(shí)體建模時(shí)的一些接觸面的連貫性，保證計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量[9]。在引入U(xiǎn)G模型后，由于入口口徑較大，在ICEM的操作環(huán)境下，增加進(jìn)口流道長(zhǎng)度，保證計(jì)算中入口的回流比例，保證計(jì)算的收斂性[10]。

網(wǎng)格劃分時(shí)首先進(jìn)行較粗網(wǎng)格劃分，修正結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，保證整體結(jié)構(gòu)的正確性，無(wú)斷點(diǎn)。粗網(wǎng)格劃分成功后，細(xì)化局部網(wǎng)格，對(duì)水室進(jìn)口以及換熱管部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，保證局部網(wǎng)格質(zhì)量。劃分完后進(jìn)行初步計(jì)算，計(jì)算收斂后，再進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，對(duì)整體和局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，加密后進(jìn)行計(jì)算。將兩次結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。保證了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性后，采用較少網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行最終的細(xì)化計(jì)算。

計(jì)算時(shí)模擬采用κ－ε模型[11]，考慮重力的影響，流動(dòng)介質(zhì)材料為水。在進(jìn)行模擬時(shí)，每一組進(jìn)口給定總溫總壓條件，總壓為0.5 MPa，總溫為20.8℃，出口邊界條件為循環(huán)水流量出口，流量G=13 956 kg/s。假定為外壁絕熱，對(duì)兩種網(wǎng)格進(jìn)行了多次試算，保證了收斂特性[12]。

4 結(jié)果分析

4.1 流場(chǎng)分布

考慮重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計(jì)算水室流場(chǎng)分布[13]，流場(chǎng)分布如圖2～圖3所示。從圖中可以看出原始結(jié)構(gòu)的上部由于平頂設(shè)計(jì)，冷卻水進(jìn)入到水室后，由于有換熱管結(jié)構(gòu)的存在，水流有流出引導(dǎo)作用，進(jìn)水會(huì)向換熱管的方向靠近，導(dǎo)致平頂在主流線以外有較大的空隙，水流在這部分空間形成流動(dòng)旋渦。一方面這樣的流動(dòng)導(dǎo)致了流動(dòng)空間中有一部分滯留流體，造成對(duì)主流的影響。另一方面這部分空間沒(méi)有參與流動(dòng)導(dǎo)向作用，造成空間的浪費(fèi)。

反觀12°傾角模型，主流線以外幾乎沒(méi)有浪費(fèi)的空間。水流進(jìn)入腔室之后沿著一個(gè)統(tǒng)一的彎折方向靠近換熱管，換熱管的流動(dòng)導(dǎo)向沿著主流線的方向。只在頂部?jī)A角區(qū)域少量流動(dòng)渦流。從流線可以明顯看出優(yōu)化的12°傾角模型，介質(zhì)流動(dòng)更為合理。充分利用了水室的空間，節(jié)約材料又保證了流動(dòng)導(dǎo)流，是合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

兩個(gè)模型流速的最大點(diǎn)都基本在進(jìn)口位置。水室是個(gè)開(kāi)放性的空間，水流進(jìn)入之后進(jìn)行分散流動(dòng)，速度降低，所以這一流速最大點(diǎn)位置合理，分析結(jié)果可靠。

具體計(jì)算結(jié)果分析：1）原始水室結(jié)構(gòu)模型流場(chǎng)分布不均勻，水室上部存在較大空腔，流體流動(dòng)過(guò)程中在空腔內(nèi)存在大尺度 漩 渦 ；2）優(yōu)化方案12°水室結(jié)構(gòu)模型內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，流線的走向與模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)吻合，整個(gè)水室內(nèi)產(chǎn)生的渦流區(qū)域較小，水室流動(dòng)性較好；3） 兩 種模型的流速最大位置都在接近進(jìn)口位置區(qū)域。水室為腔室結(jié)構(gòu)，水流進(jìn)入后進(jìn)入較大空間，流速降低。

4.2 壓力損失

水室的另外一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是水室的壓降。凝汽器的壓降直接影響著冷卻水泵功率的選擇。因此要求各部分盡可能地降低壓損。對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)及原始結(jié)構(gòu)兩個(gè)模型進(jìn)行定量分析時(shí)，計(jì)算的水室的壓力損失計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖2 原始結(jié)構(gòu)凝汽器水室流線分布

圖3 優(yōu)化方案12°凝汽器水室流線

表1 水室的壓力損失計(jì)算結(jié)果 Pa

通過(guò)對(duì)比可知，原始結(jié)構(gòu)水室壓力損失最小，優(yōu)化12°結(jié)構(gòu)模型次之。這是由于原始結(jié)構(gòu)有較大的水室空間，以空間的浪費(fèi)來(lái)降低水室流動(dòng)的壓損。兩種水室結(jié)構(gòu)內(nèi)部都存在DN75的支撐管，支撐管的存在會(huì)對(duì)流體的流動(dòng)造成影響，增大壓力損失。而原始結(jié)構(gòu)部分支撐管以及支撐管的部分有的并沒(méi)有主流介質(zhì)繞流，因此對(duì)整個(gè)主流的影響較小。而對(duì)于優(yōu)化12°結(jié)構(gòu)模型由于流動(dòng)是布滿整個(gè)流動(dòng)空間的，因此主流需要繞流每一根支撐管[15]，增加了整個(gè)流動(dòng)的流動(dòng)損失，造成壓力損失比原始結(jié)構(gòu)稍大。

1）原始結(jié)構(gòu)中有18根支撐管，從圖3流場(chǎng)分布圖可見(jiàn)，較少流體掠過(guò)水室上部支撐管，這也減少了支持管對(duì)流體的壓損，除上部空腔內(nèi)存在漩渦，支撐管處流場(chǎng)分布均勻；2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)12°模型中有13根支撐管，從圖4流場(chǎng)分布圖可見(jiàn)，下部支撐管處流場(chǎng)分布不均，存在一定的渦流現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過(guò)CFX流場(chǎng)計(jì)算得到了兩種水室結(jié)構(gòu)模型的流場(chǎng)分布及壓力損失情況，觀察水室內(nèi)部流場(chǎng)分布的情況，原始結(jié)構(gòu)上部存在較大的空腔，造成結(jié)構(gòu)的浪費(fèi)，而優(yōu)化結(jié)構(gòu)12°模型可以較好地吻合流體的流向，流線分布均勻；而從壓力損失來(lái)看，原始水室結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐管的布置對(duì)流線的壓損最小。支撐管的存在稍微加大了阻力損失，但是增加不多。因此優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)方案合理，制造工藝簡(jiǎn)單。

［參考文獻(xiàn)］

[1] 中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 史月濤,丁興武,蓋永光.汽輪機(jī)設(shè)備與運(yùn)行[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008.

[3] 田衛(wèi)軍,李郁.UG NX曲面建模實(shí)例教程[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[4] 紀(jì)兵兵,陳金瓶.ANSYS ICEMCFD網(wǎng)格劃分技術(shù)實(shí)例詳解[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2012.

[5] 謝龍漢,趙新宇,張炯明.ANSYS CFX流體分析及仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[6] 朱棟.凝汽器水室制造工藝[J].余熱鍋爐,2012(3):25-29.

[7] 許喜樂(lè),譚蓮萍.660MW超超臨界純凝機(jī)組雙背壓凝汽器設(shè)計(jì)[J].東方電氣評(píng)論,2010,24(4):40-43.

[8] 杜平安.建立有限元模型的基本原則[J].機(jī)械與電子,2001,1(4):40-42.

[9] 齊學(xué)義,邵元忠,李鳳成,等.ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分中有洞問(wèn)題的分析[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,37(1):41-44.

[10] 李清剛,郭力文,趙慧敏,等.交叉輸水管道流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].江淮水利科技,2007(6):14-16.

[11] 梁建永,梁軍,范士杰,等.轎車(chē)外流場(chǎng)CFD分析中常用k-ε湍流模型的對(duì)比[J].汽車(chē)工程,2008,30(10):846-852.

[12]康順,石磊,戴麗萍,等.CFD模擬的誤差分析及網(wǎng)格收斂性研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2010,V31(12):2009-2013.

[13]王文群.秦山二期擴(kuò)建工程凝汽器水室有限元分析[J].電站系統(tǒng)工程,2009,25(1):19-20.

[14]范存新.殼體式水室的結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),1998(3):60-64.

[15]劉娟,董啟明.ANSYS-CFX軟件在鈍體繞流和流固耦合中的應(yīng)用研究[J].四川建筑,2014(2):131-132.