凝汽器喉部流場數(shù)值模擬

張 勇， 賈昌盛， 許衍軍

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710021)

凝汽器是汽輪機(jī)系統(tǒng)中的重要輔機(jī)之一，而凝汽器喉部又是凝汽器的重要組成部分，連接著汽輪機(jī)的排汽口和凝汽器的主凝結(jié)區(qū)，起著輸送乏汽的作用[1]。凝汽器喉部布置低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽口的機(jī)組中，一方面布置低壓加熱器后其運行的真空常低于設(shè)計值；另一方面給水泵汽輪機(jī)排汽口的溫度和壓力都與主汽輪機(jī)排汽不同，導(dǎo)致凝汽器喉部流場更為復(fù)雜。喉部流場的分布特性不但影響整個喉部的安全和凝汽器的工作性能，而且直接影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。因此，研究凝汽器喉部流場及低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽口的布置位置具有重要的意義。

研究凝汽器喉部流動情況的方法目前一般有兩種：模型吹風(fēng)試驗和數(shù)值模擬[2]。筆者采用數(shù)值模擬的方法，對凝汽器喉部布置低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽口時的流場進(jìn)行模擬。依據(jù)最大限度減少凝汽器喉部汽阻和盡可能增加凝汽器喉部出口流場均勻性，確立了凝汽器喉部的改造思路；并利用Fluent軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，結(jié)合Simple算法進(jìn)行模擬，分別討論了660 MW火電機(jī)組凝汽器喉部低壓加熱器布置在不同高度和給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在不同位置時，對凝汽器工作特性的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

凝汽器喉部是凝汽器的上部殼體部分，上部入口與汽輪機(jī)低壓缸排汽口相連，下部與凝汽器主凝汽區(qū)相連，是汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器的通道，具有一定擴(kuò)散角的棱臺結(jié)構(gòu)。凝汽器喉部內(nèi)一般布置有大量的支撐管件、抽汽管道、旁路減溫加壓裝置等[3]。為了節(jié)約空間和成本，凝汽器喉部還會布置低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽通道；但考慮到凝汽器喉部其他管件尺寸相對于低壓加熱器比較小，對凝汽器喉部流場影響很小。為了簡化計算，數(shù)值模擬時主要考慮低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽口兩個部分。

凝汽器喉部物理模型及網(wǎng)格劃分見圖1和圖2，凝汽器喉部入口尺寸為7.82 m×6.64 m，出口尺寸為10.4 m×8.3 m，高度為7.5 m，低壓加熱器直徑為1.82 m，給水泵汽輪機(jī)排汽口直徑為1.4 m。

圖1 布置低壓加熱器及給水泵汽輪機(jī)的凝汽器模型圖

圖2 布置低壓加熱器及給水泵汽輪機(jī)的凝汽器網(wǎng)格圖

1.2 控制方程

控制方程由連續(xù)性方程、動量方程和k-ε方程組成[4]。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ為微團(tuán)內(nèi)流體的密度，kg/m3；x、y、z分別為坐標(biāo)分量；u、v、ω分別為微團(tuán)內(nèi)流體在x、y、z方向上的速度，m/s；U為微團(tuán)內(nèi)流體質(zhì)量變化，kg/s；ui為微團(tuán)內(nèi)流體的速度，m/s；uj為微團(tuán)內(nèi)流體速度在邊界平面法向上的速度，m/s；xi、xj分別為坐標(biāo)x的分量；p為壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；t為時間，s；k為微團(tuán)內(nèi)流體流動的紊動動能，J；ε為紊動能量損耗率；Gk為渦流生成項；cμ=0.09；cε1=1.44；cε2=1.92；σk=1.0；σε=1.3[5]。

2 模擬與分析

由于凝汽器喉部內(nèi)蒸汽密度變化不大，可視為不可壓縮流體；另外蒸汽在凝汽器喉部內(nèi)基本不進(jìn)行換熱[6-7]。計算中，蒸汽來流即凝汽器喉部入口蒸汽氣流速度為80 m/s，給水泵汽輪機(jī)排汽口蒸汽氣流速度為76 m/s，凝汽器喉部出口背壓分別為12 kPa(夏季工況)和4.9 kPa(冬季工況)。

2.1 低壓加熱器布置在凝汽器喉部不同高度

分別在凝汽器喉部出口背壓為12 kPa和4.9 kPa時，對低壓加熱器布置在不同高度的凝汽器喉部進(jìn)行模擬，得出的凝汽器喉部汽阻和凝汽器喉部出口流場均勻性系數(shù)的特性曲線，見圖3和圖4。

圖3 背壓為12 kPa時凝汽器喉部出口的汽阻和均勻性系數(shù)的變化

圖4 背壓為4.9 kPa時凝汽器喉部出口的汽阻和均勻性系數(shù)的變化

低壓加熱器的存在會增加凝汽器喉部流場的汽阻，以及影響凝汽器喉部出口流場的均勻性；但不同低壓加熱器的布置位置對凝汽器喉部流場的影響不同。當(dāng)?shù)蛪杭訜崞魑恢镁嚯x凝汽器喉部出口較遠(yuǎn)時，對蒸汽來流造成阻礙，汽阻較大；當(dāng)其位置與喉部出口位置之間距離減小時，汽阻迅速降低，但低壓加熱器對蒸汽氣流的干擾使得整個擴(kuò)散流動無法及時恢復(fù)，造成汽阻增加和喉部出口均勻性系數(shù)降低。

低壓加熱器布置位置應(yīng)綜合考慮凝汽器內(nèi)部流場和汽阻變化等問題。對比數(shù)據(jù)分析得出，低壓加熱器布置最好是低壓加熱器中心在凝汽器喉部出口上部2.2～2.4 m，此時汽阻最小，喉部出口均勻性系數(shù)最大。

2.2 給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在不同位置

分別在凝汽器喉部出口背壓為12 kPa和4.9 kPa時，將給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在低壓加熱器上、下、左、右四個位置，考慮到低壓加熱器左、右兩側(cè)蒸汽流場對稱分布，所以在此只選取在低壓加熱器左側(cè)布置給水泵汽輪機(jī)排汽口。筆者分別對給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在低壓加熱器的正上部、正下部和左側(cè)的三種喉部結(jié)構(gòu)內(nèi)的蒸汽流場進(jìn)行模擬分析。圖5、圖6、圖7為背壓為12 kPa時，排汽口布置在不同位置的模擬流場圖，背壓為4.9 kPa時流場與此近似。

圖5 給水泵汽輪機(jī)排汽口在上部時喉部速度流場分布

圖6 給水泵汽輪機(jī)排汽口在左側(cè)時喉部速度流場分布

圖7 給水泵汽輪機(jī)排汽口在下部時喉部速度流場分布

由圖5可得：當(dāng)汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器喉部后，氣流首先受到給水泵汽輪機(jī)排汽的沖擊，同時給水泵汽輪機(jī)排汽也干擾了進(jìn)入喉部的蒸汽氣流，在低壓加熱器正上方區(qū)域是減速過程；給水泵汽輪機(jī)排汽的沖擊和干擾造成蒸汽氣流在低壓加熱器兩側(cè)形成的高速繞流提前脫離，加劇了低速漩渦區(qū)的擴(kuò)大，阻礙了低速漩渦的脫落，使得靠近給水泵汽輪機(jī)排汽側(cè)位置出現(xiàn)了一個較大的低速區(qū)域，并一直延伸到凝汽器喉部出口，喉部出口速度分布更加不均勻；而兩側(cè)的擴(kuò)散繞流則削弱了喉部下方的低速回流，改善了給水泵汽輪機(jī)排汽側(cè)邊角處的低速現(xiàn)象，另外，由于繞流擴(kuò)散的作用，在低速區(qū)域外圍氣流速度較高，遠(yuǎn)離給水泵汽輪機(jī)排汽區(qū)域，喉部氣流流場受干擾較小，出口速度分布相對均勻。

由圖6可得：當(dāng)汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器喉部后，在低壓加熱器上部受阻，氣流速度減小，但由于喉部左側(cè)蒸汽氣流受到給水泵汽輪機(jī)排汽的沖擊，造成其上方的蒸汽氣流阻力的增大，迫使氣流改變流動方向，擠壓了低壓加熱器右側(cè)蒸汽繞流，使得繞流速度增加；而位于給水泵汽輪機(jī)排汽口下側(cè)的區(qū)域，由于排汽對上部氣流的截流，導(dǎo)致其下方蒸汽流速急劇下降，形成局部低速漩渦區(qū)，并一直延伸到喉部出口，該區(qū)域也對低壓加熱器下方形成的低速渦流區(qū)產(chǎn)生了一定干擾。在喉部出口速度分布中可以看到給水泵汽輪機(jī)排汽側(cè)出現(xiàn)的低速區(qū)域，在遠(yuǎn)離給水泵汽輪機(jī)排汽的位置速度分布所受影響較小，喉部出口流場相對均勻。

由圖7可得：當(dāng)汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器喉部后，排汽氣流受到低壓加熱器的干擾，在其兩側(cè)形成高速繞流，并在其下方形成低速渦流區(qū)。由于受到來自低壓加熱器正下方給水泵汽輪機(jī)排汽的沖擊，靠近給水泵汽輪機(jī)排汽側(cè)區(qū)域的低速渦流區(qū)部分得到消除；但給水泵汽輪機(jī)正下方仍出現(xiàn)了明顯的低速區(qū)，并且延伸到喉部出口，這是由于給水泵汽輪機(jī)排汽沖擊引起的。從整體上來講，位于低壓加熱器下方的給水泵汽輪機(jī)排汽消弱了喉部出口中間的低速帶狀區(qū)域，從而降低了喉部出口流場不均勻程度。這對凝汽器下部管束區(qū)的蒸汽均勻分布十分有利，使得凝汽器的工作性能得到一定提高。

由于給水泵汽輪機(jī)排汽的影響，導(dǎo)致凝汽器喉部汽阻增大。在凝汽器喉部出口背壓分別為12 kPa和4.9 kPa時，給水泵汽輪機(jī)排汽口在低壓加熱器上部布置時喉部汽阻最大，分別達(dá)到94.09 Pa和92.34 Pa；而給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在低壓加熱器下部時，由于削弱了給水泵汽輪機(jī)排汽對主蒸汽氣流的影響，汽阻變化趨于平緩，最大汽阻分別減小到44.65 Pa和45.81 Pa。給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在不同位置時的汽阻、壓損系數(shù)和均勻性系數(shù)見表1和表2。

表1 背壓為12 kPa時排汽口布置在不同位置數(shù)據(jù)

表2 背壓為4.9 kPa時排汽口布置在不同位置數(shù)據(jù)

從表1和表2中也可以看出：凝汽器喉部出口背壓分別為12 kPa和4.9 kPa時，相對于其他兩種布置位置，給水泵汽機(jī)排汽口布置在低壓加熱器正下部時壓損系數(shù)最小，分別為0.18和0.15，均勻性系數(shù)最大，分別達(dá)到89.85%和90.67%。給水泵汽輪機(jī)排汽口布置在低壓加熱器正下部時布置方式較為合理，這對降低喉部汽阻和減少喉部出口的不均勻程度以提高凝汽器的工作性能及機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性十分有利。

3 結(jié)語

(1) 凝汽器喉部內(nèi)置低壓加熱器和給水泵汽輪機(jī)排汽口會造成對喉部蒸汽氣流的阻礙和擾動。

(2) 低壓加熱器布置位置過高，會增大喉部汽阻，而過低的布置位置則會使喉部出口的汽阻和不均勻性均增大。通過數(shù)據(jù)對比分析，低壓加熱器布置為其中心在凝汽器喉部出口上部2.2～2.4 m處時汽阻最小，喉部出口均勻性系數(shù)最大。

(3) 給水泵汽輪機(jī)排汽對蒸汽氣流的沖擊加劇了喉部流場的擾動。布置在低壓加熱器上部和兩側(cè)時，給水泵汽輪機(jī)排汽對來流的阻礙使其下方出現(xiàn)低速渦流區(qū)，并一直延伸到凝汽器喉部出口，致使喉部出口流場均勻性很差；布置在下部時，給水泵汽輪機(jī)排汽減弱了蒸汽繞流低壓加熱器形成的低速渦流區(qū)，很大程度上減小了喉部出口流場不均勻程度，有利于提高凝汽器的工作性能。