大型直接空冷機(jī)組排汽管道均流等壓優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

邵罡北，沈 春

（1.華潤電力（寧武）有限公司，山西 忻州 036700；2.內(nèi)蒙古京能電力檢修有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引言

目前，在直接空冷凝汽器的設(shè)計(jì)過程中，蒸汽分配管道的設(shè)計(jì)并沒有考慮各列、各單元因管道長度、彎頭差異而產(chǎn)生的流動(dòng)不均現(xiàn)象，而是假設(shè)各空冷單元內(nèi)流入的蒸汽量是均勻的，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)管道的差異、雙向流的復(fù)雜性等原因，必定會(huì)導(dǎo)致蒸汽分配管道內(nèi)壓力分布的不均勻、蒸汽流量分配的不均勻，影響設(shè)備的正常壽命。

1 模型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 數(shù)學(xué)模型

針對本研究的重點(diǎn)，對于排汽管道模型進(jìn)行簡化和假設(shè)：一是管道內(nèi)蒸汽流場為穩(wěn)態(tài)，不可壓縮；二是在模擬各個(gè)支管流量分配情況時(shí)各分配管出口壓力相同[1]；三是忽略重力造成的壓力損失。

汽相湍流的模擬從雷諾時(shí)均N-S[2]方程組出發(fā)，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型加以封閉。壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法，在簡化和假設(shè)的條件下，飽和蒸汽流經(jīng)排汽管道的控制方程組如下。

a）連續(xù)性方程

管道壁面?zhèn)鳠幔寒?dāng)在壁面施加一個(gè)固定的溫度條件時(shí)，流體單元對壁面的傳熱為

其中，hf表示流體側(cè)傳熱系數(shù)，Tf為固體溫度，Tw為壁面溫度，qrad為輻射熱通量。

1.2 幾何模型

直接空冷機(jī)組汽輪機(jī)由1根直徑為6 m的主排汽管道引出，經(jīng)上升管進(jìn)入水平歧管段，管徑沿流動(dòng)方向逐漸減小，變徑后各管段直徑分別為3.6 m和2.6 m，蒸汽分配管直徑為2.6 m?，F(xiàn)將主排汽管道入口稱為入口，蒸汽分配管出口共6個(gè)，從左至右分別為出口1～6，具體情況如圖1所示。

圖1 排汽管道幾何模型

1.3 邊界條件

入口條件：在排汽管道入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，給定入口蒸汽的質(zhì)量流量。

出口條件：取各分配管道為壓力出口邊界條件，給定參考出口壓力，假設(shè)各分配管出口壓力相同。

其他邊界條件：湍流描述采用k-ε模型，考慮水蒸氣在排汽管道內(nèi)流動(dòng)過程中通過管壁與外界環(huán)境進(jìn)行能量交換。

2 排汽管道均流等壓優(yōu)化方案

在汽輪機(jī)熱耗保證THA（turbine heat acceptance）工況下，對排汽管道流場進(jìn)行計(jì)算及分析，并在排汽管道原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)現(xiàn)排汽管道均流均壓的優(yōu)化方案，并對各種優(yōu)化方案進(jìn)行對比。

2.1 基于原設(shè)計(jì)的排汽管道流場計(jì)算分析

在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對排汽管道進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果分析排汽管道流場均勻性，沿+x向6條配汽管道出口分別記為出口1～6，各出口流量見表1。外側(cè)的1號、2號、5號、6號排汽管道流量相近，而中間位置的3號、4號管道流量最大，明顯高于其他4條管道。

表1 原設(shè)計(jì)各出口流量分布

DN6000～DN2600和DN3600～DN2600三通來流方向的倒角區(qū)域存在較大的速度梯度；所有豎直配汽管道沿徑向（平行水平歧管方向）存在速度梯度，來流一側(cè)速度較小，該現(xiàn)象在中間配汽管內(nèi)最為明顯。

排汽管道出口壓力與排氣管入口壓力總壓降為531.132 Pa。各配汽管道入口壓力及排汽管道入口到各配汽管道入口壓降如表2所示。由表2可知，排汽管道入口到中間2條配汽管道入口壓降最小，到2號、5號管道入口壓降最大，到最外側(cè)1號、6號管道入口壓降位于二者之間。

表2 原設(shè)計(jì)各配汽管入口壓降

2.2 彎頭及三通局部導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對彎頭、三通區(qū)域流場，調(diào)整導(dǎo)流板的數(shù)目、間距和形狀，如在壓損較大區(qū)域?qū)?dǎo)流板進(jìn)行加密，適當(dāng)延長導(dǎo)流板長度等，對該區(qū)域的流場分布進(jìn)行優(yōu)化。綜合考慮原有結(jié)構(gòu)下排氣管道流場分布特征以及各位置結(jié)構(gòu)特性，在各三通、彎頭原有導(dǎo)流板基礎(chǔ)上在氣流下游方向增加1塊平板，即對原有導(dǎo)流板進(jìn)行延長。其中，主管的三通DN 6000-1導(dǎo)流板延長410 mm，立管上端的三通DN 6000-2延長300 mm，彎頭DN 2600導(dǎo)流板延長250 mm。

各出口流量如表3所示。由表3可知，2號、5號排汽管道流量最小，1號、6號排汽管道流量次之，而靠近中間位置的3號、4號管道流量最大。優(yōu)化方案與原設(shè)計(jì)方案相比，流量分布有所改善，中間管道的流量有明顯的降低。

表3 局部優(yōu)化后各出口流量分布

排汽管道出口壓力與排氣管入口壓力總壓降為609.326 Pa。各配汽管道入口壓力及排汽管道入口到各配汽管道入口壓降如表4所示。由表4可知，排汽管道入口到中間2條配汽管道入口壓降最小，到2號、5號管道入口壓降最大，到最外側(cè)1號、6號管道入口壓降位于二者之間。

表4 局部優(yōu)化后各配汽管入口壓降

2.3 三通及彎頭處延長導(dǎo)流板組合優(yōu)化計(jì)算分析

采用三通處增加導(dǎo)流板，三通、彎頭處延長導(dǎo)流板組合優(yōu)化后，各出口流量分布如表5所示。由于三通處增加導(dǎo)流板未起到優(yōu)化作用，所以兩者組合優(yōu)化后流量分布并未得到優(yōu)化。

表5 延長導(dǎo)流板組合優(yōu)化后各出口流量分布

排汽管道出口壓力與排氣管道入口壓力總壓降為601.923 Pa。各配汽管道入口壓力及排汽管道入口到各配汽管道入口壓降如表6所示。

表6 延長導(dǎo)流板組合優(yōu)化后各配汽管入口壓降

2.4 三通與彎頭處優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過上述計(jì)算結(jié)果可以得出，三通、彎頭處延長導(dǎo)流板效果較佳，為了實(shí)現(xiàn)排汽管道蒸汽流向各配汽管道更加均勻，在此基礎(chǔ)上，將水平歧管中間三通DN6000-2內(nèi)部導(dǎo)流片分別在原來的基礎(chǔ)上向中間移動(dòng)一定距離。為便于表述，將各導(dǎo)流片由上至下分別標(biāo)為導(dǎo)流片1～7，如圖2所示。其中最上側(cè)的弧形導(dǎo)流片1位置不變，導(dǎo)流片3向中間移動(dòng)距離最大，各方案導(dǎo)流片3移動(dòng)距離分別定為60 mm、100 mm、150 mm、180 mm、200 mm、220 mm及250 mm，其他導(dǎo)流片移動(dòng)距離以導(dǎo)流片3為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整。通過計(jì)算該優(yōu)化工況，得出各出口流量分布如表7所示，壓降如表8所示。

表7 導(dǎo)流板延長導(dǎo)流與移位后各出口流量分布kg/s

圖2 三通DN6000-2導(dǎo)流片示意

排汽管道出口壓力與排氣管入口壓力總壓降為621.52 Pa。由表8可知，排汽管道入口到中間2條配汽管道入口壓降最小，到2號、5號管道入口壓降最大，到1號、6號管道入口壓降次之。

表8 導(dǎo)流板延長導(dǎo)流與移位后各配汽管入口壓降Pa

綜上所述，采用DN6000-2三通處導(dǎo)流片向里移動(dòng)250 mm、導(dǎo)流板延長到三通出口端面優(yōu)化方案，得到的蒸汽分配管出口處的蒸汽流量分配最為均勻。

3 排汽管道最優(yōu)方案推薦

3.1 推薦方案一

主管三通DN6000-1導(dǎo)流板向下游方向延長410 mm，水平歧管中間三通DN6000-2導(dǎo)流片在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上向中間移動(dòng)最大250 mm并向兩側(cè)延長至三通出口端面，同時(shí)將DN2600彎頭內(nèi)的導(dǎo)流板向下游方向延長250 mm。依據(jù)該方案得到的各部件結(jié)構(gòu)及尺寸與原結(jié)構(gòu)相比，7個(gè)導(dǎo)流片由上至下分別向中間移動(dòng)0 mm、120 mm、250 mm、200 mm、150 mm、100 mm、50 mm。

3.2 推薦方案二

主管三通DN6000-1及DN2600彎頭優(yōu)化方式同方案一，水平歧管中間三通DN6000-2導(dǎo)流板在原基礎(chǔ)上向中間移動(dòng)最大200 mm并向兩側(cè)延長至三通出口端面。此外，配汽管道2號、5號處三通DN3600~DN2600增設(shè)3個(gè)導(dǎo)流板。依據(jù)該方案得到的各部件結(jié)構(gòu)及主要尺寸與原結(jié)構(gòu)相比，7個(gè)導(dǎo)流片由上至下分別向中間移動(dòng)0 mm、100 mm、200 mm、160 mm、120 mm、80 mm、40 mm。

4 結(jié)論

a）通過對各優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，對比各優(yōu)化方案的流量分配，推薦優(yōu)化方案一：將水平歧管中間三通DN6000-2導(dǎo)流片向中間移動(dòng)250 mm并向兩側(cè)延長到三通出口端面，同時(shí)延長主管三通DN6000-1、彎頭處的導(dǎo)流板；推薦優(yōu)化方案二：將水平歧管中間三通DN6000-2導(dǎo)流片向中間移動(dòng)200 mm并向兩側(cè)延長到三通出口端面，同時(shí)延長主管三通DN6000-1、彎頭處的導(dǎo)流板，且在配汽管道2號、5號三通DN3600~DN2600內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板。

b）在汽輪機(jī)最大連續(xù)出力工況下，減小DN6000-2三通處頂部導(dǎo)流板長度后，壓力分布趨勢與推薦優(yōu)化方案相同，壓力較大區(qū)域存在于各三通及導(dǎo)流板處，中間3號、4號管道壓降較推薦方案中間3號、4號管道壓降??；但是各蒸汽分配管道流量較推薦的2個(gè)優(yōu)化方案效果差，最大流量與最小流量相差分別為1.673 kg/s與2.142 kg/s。

c）在氣輪機(jī)熱耗保證工況下，采用優(yōu)化方案一得到的各流量分配為2號管道流量偏小，為33.866 kg/s，最大流量與最小流量相差0.85 kg/s；采用優(yōu)化方案二得到的各流量分配中2號管道流量偏小，較優(yōu)化方案一增加，為33.931 kg/s，最大流量與最小流量相差0.718 kg/s。

d）在汽輪機(jī)熱耗保證工況下，采用兩種優(yōu)化方案得到的管道最大壓降分別為667.519 5 Pa和644.896 Pa，該工況下入口壓力為9.7 kPa，空冷平臺最外側(cè)兩列蒸汽分配入口壓力不低于8.78 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。