基于CFD的小機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化

洪大智 盧鵬宇 高世杰 李燕平 青可兒

摘 要：凝汽器管壁清潔度直接影響汽輪機(jī)背壓和凝汽器的上下端差，是影響濕冷機(jī)組換熱效果的一項(xiàng)重要因素。循環(huán)水水質(zhì)、凝汽器清洗裝置的運(yùn)行對凝汽器清潔度有較大影響，采用循環(huán)水二次濾網(wǎng)是提高循環(huán)水水質(zhì)最有效的方法之一，對于采用膠球清洗裝置的系統(tǒng)，膠球清洗管路對清洗效率也有直接影響。鑒于此，結(jié)合CFD有限元分析軟件Fluent，對不同的膠球清洗管路布置、不同形制的濾網(wǎng)網(wǎng)板的流體動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：循環(huán)水;CFD;膠球清洗系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM621.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）09-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.015

0 ? ?引言

北方地區(qū)氣候變化大，冷卻塔填料老化嚴(yán)重，隨著冷卻塔填料破碎脫落，循環(huán)水中填料碎片變多，碎片垃圾進(jìn)入凝汽器會(huì)堵塞換熱管，導(dǎo)致凝汽器換熱面積減少;碎片垃圾進(jìn)入收球網(wǎng)區(qū)域，會(huì)貼敷在網(wǎng)板上，導(dǎo)致收球網(wǎng)的網(wǎng)板堵塞膠球，進(jìn)而影響膠球系統(tǒng)的運(yùn)行效果，影響凝汽器清潔度。如何保持凝汽器管束的清潔度是各火電廠非常關(guān)心的問題之一，因?yàn)樾∑啓C(jī)是火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)，而小機(jī)凝汽器是小汽輪機(jī)的重要設(shè)備，故凝汽器管束的清潔度對于小機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，對其進(jìn)行改造可實(shí)現(xiàn)火電廠節(jié)能降耗，確保機(jī)組高效運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)集團(tuán)公司的節(jié)能目標(biāo)。

某廠在進(jìn)行膠球系統(tǒng)管路優(yōu)化時(shí)，對存在問題的循環(huán)水濾網(wǎng)網(wǎng)板也進(jìn)行了處理。網(wǎng)板的多項(xiàng)因素均對過濾效果存在影響，考慮到工期及成本，本工程不對濾網(wǎng)框架進(jìn)行更換，因此需對濾網(wǎng)網(wǎng)板選型展開分析。網(wǎng)板有網(wǎng)絲板和沖孔板兩種常見形制，由于循環(huán)水水質(zhì)較差，存在片狀、絲狀等形態(tài)不同的雜物，因此采用的沖孔板多為圓孔交錯(cuò)布置。

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，利用簡單而又相互作用的單元，可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。它用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解，將求解域看成是由許多被稱為“有限元”的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解[1]。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[2]。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在設(shè)計(jì)方面有著廣泛的應(yīng)用[3]，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。Fluent可用來模擬從不可緊縮到高度可緊縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采納了多種求解方式和多重加速收斂技術(shù)，F(xiàn)luent能達(dá)到最正確的收斂速度和求解精度。

1 ? ?管路優(yōu)化

某廠某期兩臺(tái)機(jī)組小機(jī)膠球系統(tǒng)管路布置：A側(cè)小機(jī)凝汽器循環(huán)水膠球系統(tǒng)共有11個(gè)彎頭，B側(cè)小機(jī)凝汽器循環(huán)水膠球系統(tǒng)共有9個(gè)彎頭。小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)膠球泵出口至收球室管道存在“幾”字型彎管段（以下簡稱“幾”字彎），高度為2 000 mm，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部阻力，影響膠球泵的出力，使得管路內(nèi)流體及其攜帶的膠球動(dòng)能不足;小機(jī)A、B側(cè)裝球室至小機(jī)凝汽器循環(huán)水入口管道布置過高，A側(cè)投球管約高6 000 mm，B側(cè)投球管約高4 500 mm，與循環(huán)水出口收球管路3 500 mm存在高差。

針對膠球系統(tǒng)管路布置分析如下：

（1）A、B側(cè)膠球泵出口至裝球室入口處有“幾”字彎，高度為2 000 mm，長度1 500 mm，由于連續(xù)彎頭造成的局部阻力，膠球系統(tǒng)流場受到直接影響，流體壓力損失較為嚴(yán)重，進(jìn)而會(huì)影響到其攜帶的膠球，使得膠球沒有足夠的動(dòng)能進(jìn)入循環(huán)水入口管路。

圖1為優(yōu)化前“幾”字彎處流體流動(dòng)矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)彎頭中，流體運(yùn)動(dòng)方向局部變化劇烈，多個(gè)彎頭對流動(dòng)影響較大?；诜抡婺Ｐ蛯πC(jī)膠球流場進(jìn)行分析，膠球泵出口至裝球室，揚(yáng)程損失占小機(jī)膠球系統(tǒng)的37.20%。

（2）A側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置約高6 000 mm，B側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置約高4 500 mm，均會(huì)產(chǎn)生對循環(huán)水出口至膠球泵管路的高差，影響膠球循環(huán)。具體改造方案如下：取消A、B側(cè)膠球泵出口至裝球室入口處“幾”字彎，降低管路高度，將A側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置降低至3 500 mm，B側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置降低至3 500 mm，以減小膠球系統(tǒng)阻力，裝球室抬高200 mm，如圖2所示。改造后A側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)將減少2個(gè)彎頭，B側(cè)小機(jī)凝汽器膠球系統(tǒng)將減少1個(gè)彎頭。

（3）圖3為優(yōu)化后原“幾”字彎處流體流動(dòng)矢量圖，可以發(fā)現(xiàn)減少彎頭后，彎頭對流動(dòng)影響明顯降低?；诜抡婺Ｐ蛯πC(jī)膠球流場進(jìn)行分析，膠球泵出口至裝球室，揚(yáng)程損失占小機(jī)膠球系統(tǒng)的14.83%。

2 ? ?循環(huán)水二次濾網(wǎng)選型優(yōu)化

本文所述小機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)，在進(jìn)行過空冷島尖峰改造后，循環(huán)水流速較大，由2.5 m/s提升至2.8 m/s，結(jié)合現(xiàn)場循環(huán)水管路及循環(huán)水池尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算后得出，網(wǎng)板處入口平均流速為0.8 m/s。如圖4、圖5所示，基于Solidworks建立500 mm×500 mm的網(wǎng)板局部平面模型，導(dǎo)入CFD軟件內(nèi)的Geometry模塊，其中網(wǎng)絲編織型網(wǎng)板的網(wǎng)絲直徑為2 mm，網(wǎng)絲網(wǎng)孔尺寸為5 mm×5 mm;沖孔板圓孔直徑7 mm，網(wǎng)孔交錯(cuò)布置，間距為2 mm。

如圖6、圖7所示，將所建模型在mesh模塊內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采取四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為21 954 506，在Fluent模塊內(nèi)進(jìn)行邊界參數(shù)設(shè)置，流體模型計(jì)算采用k-ε湍流模型，入口速度邊界為0.8 m/s，可得到流場各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。

圖8、圖9為兩種網(wǎng)板局部流線的分析結(jié)果。網(wǎng)絲板各孔道流體的流線分布均勻，網(wǎng)孔入口方向轉(zhuǎn)換平緩，流場內(nèi)除網(wǎng)孔處流體速度達(dá)到1.5 m/s外，入口及出口均在1.0 m/s以下，流體無較大的速度梯度，網(wǎng)板前后方均無較大的渦流或死區(qū);沖孔板流線分布相對雜亂，在網(wǎng)孔入口平面速度梯度大，入口處存在速度為0的點(diǎn)，網(wǎng)孔處最大速度達(dá)到了2.13 m/s，網(wǎng)板前后存在大量局部速度漸變點(diǎn)，即存在數(shù)量較大的局部渦流，且網(wǎng)板后方存在較大的死區(qū)。從對流體中網(wǎng)孔處流線的分析來看，網(wǎng)絲板在流場中的效果遠(yuǎn)優(yōu)于沖孔板。

圖10、圖11為兩種網(wǎng)板入口平面速度矢量分布，網(wǎng)絲板入口平面速度矢量成束分布，沿流體方向較為整齊，對網(wǎng)板后方流體有一定整流作用;沖孔板入口平面處速度矢量雜亂，每個(gè)網(wǎng)孔位置速度分布有明顯的分散，網(wǎng)板前方存在與速度方向垂直且速度為0的矢量，同時(shí)也證明了沖孔板前方存在相當(dāng)數(shù)量的局部渦流，對網(wǎng)板后方的流體流動(dòng)影響較大，易形成局部渦旋，導(dǎo)致動(dòng)能損失較大。從對網(wǎng)板入口流體速度矢量的分析來看，網(wǎng)絲板在流場中的效果遠(yuǎn)優(yōu)于沖孔板。

結(jié)合流線與速度矢量的分析不難發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絲板相對沖孔板有較好的表現(xiàn)。其原因是網(wǎng)板在流場中的截面不同，邊緣的曲率也就不同，流體對于網(wǎng)絲板局部為圓柱形擾流，對于沖孔板局部則為長方形擾流，邊界曲率不同造成了流體過網(wǎng)板時(shí)壓力梯度不同，故對流體邊界層分離的影響也不相同。

目前流速下，從對流場影響的角度分析，網(wǎng)絲板全面優(yōu)于沖孔板，但不同形制的網(wǎng)板對流速變化的適應(yīng)性不同，需針對不同流速對兩種網(wǎng)板的影響進(jìn)行分析。從安全性出發(fā)，不同流速下網(wǎng)板的承壓是需考慮的最主要因素。

如表1及圖12所示，隨著流速的增加，兩種網(wǎng)板的承壓均呈逐漸增大的趨勢，但相同流速承壓的幅度與流速變化時(shí)網(wǎng)板承壓的變化幅度有著較大差別。網(wǎng)絲板在不同流速下承壓較小，且隨著流速的增加，網(wǎng)板承壓增加幅度較小，最大流速2.8 m/s時(shí)為681 Pa，且從流速2.67 m/s至2.8 m/s，網(wǎng)板平均承壓增加了190 Pa;沖孔板承壓幅度較大，最大流速2.8 m/s時(shí)為1 194 Pa，且從流速2.67 m/s至2.8 m/s，網(wǎng)板平均承壓增加了345 Pa;從各流速的承壓及隨流速變化承壓的變化速度來看，網(wǎng)絲板的運(yùn)行安全性遠(yuǎn)優(yōu)于沖孔板。

同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)影響，循環(huán)水相同流速、同面積下，網(wǎng)絲板承壓較沖孔板小39%，網(wǎng)絲板的編織結(jié)構(gòu)特性使得其在交變應(yīng)力下可以進(jìn)行應(yīng)力釋放，且由于圓柱形編織結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絲板即使出現(xiàn)破損，也大多僅局限在局部。

沖孔板在工程上工藝簡單，成本較網(wǎng)絲板低，過流面積較網(wǎng)絲板大5.76%，且其板面平整光滑，垃圾易于分離，不掛絲、不纏絲;但其對交變應(yīng)力的抗性差，易出現(xiàn)破損，且出現(xiàn)破損時(shí)容易導(dǎo)致較大范圍的破裂。綜上所述，在流場的流體特性、網(wǎng)板的承壓方面，網(wǎng)絲板均優(yōu)于沖孔板。

3 ? ?結(jié)語

本文所采用的仿真分析方法，可在現(xiàn)場試驗(yàn)條件受限的情況下，結(jié)合仿真建模的方式對膠球系統(tǒng)收球管路及循環(huán)水濾網(wǎng)網(wǎng)板進(jìn)行輔助計(jì)算，并可對多種方案進(jìn)行比較分析，對解決實(shí)際問題有幫助，在實(shí)際的工程實(shí)施中可起到一定的借鑒作用。

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收稿日期：2022-02-15

作者簡介：洪大智（1985—），男，吉林人，工程師，研究方向：熱能與動(dòng)力工程。