冷卻水流徑對(duì)于凝汽器性能影響的數(shù)值模擬分析

董建華，武 君，董愛華

（ 1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150090;2.哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱 150090）

0 引 言

在現(xiàn)代大型電站凝汽式汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽器設(shè)備起著冷源的作用，其設(shè)計(jì)、制造和工作性能將直接影響整個(gè)發(fā)電廠運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。現(xiàn)代電站汽輪機(jī)一般配備雙流程型凝汽器，管束排列分為上、下兩部分，根據(jù)冷卻水進(jìn)水主要有上進(jìn)下出和下進(jìn)上出兩種方式，近年來引進(jìn)的歐美及日本機(jī)組多采用前者，而國產(chǎn)和前蘇聯(lián)的機(jī)組多采用后者［1－3］。

由于凝汽器的結(jié)構(gòu)尺寸較大，殼側(cè)汽/水混合物的流動(dòng)和凝結(jié)換熱現(xiàn)象復(fù)雜，目前國內(nèi)主要采用美國HEI標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于雙流程凝汽器，這種方法不能考慮冷卻水進(jìn)水方式等因素的影響［4］。

文中采用東芝公司開發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法以及相應(yīng)的自定義子程序，應(yīng)用STAR－CD軟件分別針對(duì)3種不同管束布置類型的凝汽器產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)算和分析，綜合評(píng)估不同的冷卻水流徑對(duì)于凝汽器運(yùn)行性能的影響［5］。

1 物理模型

文中選擇N313(AT型)、N－324(向心型)以及N－341(帽型)3種管束布置類型的雙流程凝汽器進(jìn)行數(shù)值分析，物理模型包括凝汽器的蒸汽進(jìn)口、喉部、管束區(qū)、空冷區(qū)、抽氣口以及擋板和低加通道，忽略熱阱部分。管束布置詳如圖1～圖3所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)詳見表1。

圖1 AT型管束布置圖

圖2 向心型管束布置圖

圖3 帽形管束布置

表1 凝汽器管束主要參數(shù)

為了模擬凝汽器殼側(cè)蒸汽復(fù)雜的流動(dòng)、換熱過程，文中選取垂直于凝汽器管束軸向的平面進(jìn)行二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，不考慮冷卻水沿軸向的溫度變化。由于凝汽器整體布局具有對(duì)稱型，計(jì)算區(qū)域可以截取1/2。本次數(shù)值模擬進(jìn)行以下的簡化和假設(shè):

(1)采用多孔介質(zhì)模型模擬管束區(qū)以及空冷區(qū)內(nèi)的蒸汽流動(dòng)。

(2)假設(shè)不凝結(jié)氣體均由汽輪機(jī)的排汽帶入凝汽器，在整個(gè)凝結(jié)過程中絕對(duì)含量不變。

(3)假設(shè)殼側(cè)的蒸汽和空氣是一種均勻混合的理想氣體，具有相同的速度，其溫度等于蒸汽分壓力下的飽和溫度。

(4)忽略蒸汽凝結(jié)液體具有的動(dòng)量以及占據(jù)的空間。

(5)忽略凝汽器與外界的熱交換。

通過以上簡化和假設(shè)，將殼側(cè)多相、多組分的復(fù)雜流場處理為蒸汽和空氣的混合氣體(理想氣體，蒸汽處于飽和狀態(tài))在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的二維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

2 數(shù)值模擬方法

文中應(yīng)用商用CFD軟件STAR－CD進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、求解以及后處理。計(jì)算過程基于有限體積法，即通過積分將離散后的偏微分控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組進(jìn)行迭代求解。同時(shí)，為了求解N－S時(shí)均方程，采用東芝公司開發(fā)編寫的STAR－CD用戶子程序補(bǔ)充所需的關(guān)系式。

2.1 網(wǎng)格劃分

文中針對(duì)1/2結(jié)構(gòu)建立二維模型，采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于布置管束的主凝結(jié)區(qū)和空冷區(qū)，由于采用多孔介質(zhì)模型，單元網(wǎng)格的尺寸固定為1/2節(jié)距(Px)×管束排間距(Py=Px·sin60°)，如圖4所示。對(duì)于其它區(qū)域，可以根據(jù)情況適當(dāng)放大網(wǎng)格尺寸，以減少計(jì)算單元數(shù)量。

圖4 管束區(qū)網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 控制方程

在二維直角坐標(biāo)系中，具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的混合氣體的流動(dòng)和凝結(jié)換熱過程可以通過連續(xù)方程、動(dòng)量方程以及空氣組分方程表示:

連續(xù)方程:

式中:u、v為混合氣體在x、y方向上的速度分量;ρ為混合氣體密度;ε為孔隙率，即控制體積內(nèi)流體空間與控制體積的比;Q為質(zhì)量源項(xiàng);Fu和Fv為單位體積流體在x、y方向上的流動(dòng)阻力分量;μc為當(dāng)量粘性系數(shù);Γ和Sq則分別代表擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)。由于采用水蒸汽分壓力確定溫度，不需要求解能量方程。

2.3 補(bǔ)充關(guān)系式

2.3.1 混合氣體的密度

式中:ρa(bǔ)和ρs為分壓力下空氣和蒸汽的密度。

2.3.2 混合氣體的動(dòng)力粘度

采用低壓氣體混合物粘度 Wilke［4］計(jì)算方法:

式中:ys和ya分別為蒸汽和空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù);μs和μa分別為蒸汽和空氣的動(dòng)力粘度;Φ為系數(shù)。

2.3.3 分布阻力(動(dòng)量源項(xiàng))

計(jì)算表明分布阻力的設(shè)置對(duì)于整個(gè)流場的模擬結(jié)果影響很大，在凝汽器的研究中曾提出過不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，需根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合理選擇。該子程序中應(yīng)用的計(jì)算公式為:

式中:UP為當(dāng)?shù)亓魉?ξu、ξv分別為管束區(qū)內(nèi) x、y方向上壓力損失系數(shù)。

2.3.4 蒸汽的凝結(jié)率(質(zhì)量源項(xiàng))

對(duì)于管束區(qū):Q為單位體積內(nèi)蒸汽凝結(jié)率。

式中:L為蒸汽潛熱;V為控制體積;Aa為熱交換面積;Δtm為蒸汽與冷卻水間的溫差;K為總傳熱系數(shù)。

2.4 湍流方程

文中的數(shù)值模擬采用渦粘模型，選擇典型的兩方程k－epsilon湍流模型封閉方程。

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過SIMPLE算法針對(duì)3種不同管束布置的凝汽器結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解，模擬相同運(yùn)行工況下上進(jìn)下出和下進(jìn)上出兩種不同進(jìn)水方式時(shí)凝汽器的運(yùn)行情況，用以評(píng)估兩種流徑設(shè)計(jì)對(duì)于凝汽器性能的影響。各型號(hào)凝汽器的運(yùn)行參數(shù)詳見表2。

表2 凝汽器運(yùn)行參數(shù)

對(duì)于N－313型凝汽器，如圖所示，其空冷區(qū)布置在上部管束區(qū)中，不凝結(jié)氣體(空氣)均通過上部的抽氣口抽出。當(dāng)流徑采用下進(jìn)上出方式時(shí)，由于下部冷卻水溫度較低，更多的蒸汽將在下部管束區(qū)內(nèi)凝結(jié)。由于下部沒有布置抽氣口，凝聚的大量不凝結(jié)氣體無法順利的從上部抽氣口抽走，直接導(dǎo)致下部管束區(qū)內(nèi)空氣含量明顯增高，不僅嚴(yán)重影響了換熱效果，同時(shí)也增大了壓力損失。此時(shí)，凝汽器的平均傳熱系數(shù)為4451.3 w/(m·℃)，壓力損失達(dá)到497.9 Pa。改用上進(jìn)下出方式后，上部冷卻水溫較低，大部分蒸汽將在上部管束區(qū)凝結(jié)，不凝結(jié)氣體也可以經(jīng)由抽氣口及時(shí)抽走，平均傳熱系數(shù)可以提高至4516.4 w/(m2·℃)，而壓力損失降至122.1 Pa。

對(duì)于N－341型凝汽器，如圖5所示，空冷區(qū)布置在下部管束區(qū)中，上部管束區(qū)凝結(jié)過程析出的不凝結(jié)氣體需要流經(jīng)下部管束區(qū)后才能由抽氣口排出，易于在上部管束區(qū)內(nèi)形成明顯的空氣阻塞區(qū)。這種管束布置不僅傳熱效果差，而且流動(dòng)阻力大，殼側(cè)蒸汽流場分布不合理。但是相對(duì)而言，流徑采用下進(jìn)上出方式時(shí)凝汽器的傳熱性能略優(yōu)于采用上進(jìn)下出方式，傳熱系數(shù)高出3.4%，但是流動(dòng)阻力增加了約1%。

圖5 N－341型凝汽器殼側(cè)空氣濃度分布

不同于以上兩種凝汽器結(jié)構(gòu)，N－324型凝汽器在上、下部管束區(qū)內(nèi)均設(shè)置了單獨(dú)的空冷區(qū)，如圖4所示，不凝結(jié)氣體可以通過上、下兩個(gè)抽氣口分別排出。因此，無論采用哪種冷卻水流徑，對(duì)于凝汽器的運(yùn)行性能影響均較小，平均傳熱系數(shù)相差不到1%。采用上進(jìn)下出進(jìn)水方式時(shí)，冷卻水由上部進(jìn)入，汽水兩側(cè)的溫差較大，蒸汽的平均凝結(jié)量增大，這種流徑的平均凝結(jié)率比下進(jìn)上出方式時(shí)的高2.6%。同時(shí)，由于大部分蒸汽在上部凝結(jié)，有效地減少了蒸汽的流經(jīng)長度，明顯降低了壓力損失(上進(jìn)下出方式的壓力損失比下進(jìn)上出方式的壓損降低了約240)。

綜上所述，可以得到以下結(jié)論:

(1)對(duì)于各種管束布置類型的雙流程凝汽器，當(dāng)冷卻水采用上進(jìn)下出方式時(shí)，凝汽器殼側(cè)的壓力損失較小，見表3。這主要是由于冷卻水由上部進(jìn)入時(shí)，上部管束區(qū)內(nèi)的冷卻水溫度較低，大部分蒸汽將在這部分區(qū)域內(nèi)凝結(jié)，可以減小蒸汽的流經(jīng)長度，明顯降低了蒸汽的壓力損失。這一點(diǎn)與參考文獻(xiàn)［1］的結(jié)論是一致的。

表3 凝汽器殼側(cè)壓力損失

(2)對(duì)于不同管束布置形式的雙流程凝汽器，冷卻水流徑的影響也不盡相同。這主要是與空冷區(qū)的位置以及抽氣口的設(shè)計(jì)有關(guān)。例如，對(duì)于N－313型凝汽器，流徑采用上進(jìn)下出方式時(shí)傳熱效果較好;而對(duì)于N－341型凝汽器，采用下進(jìn)上出方式時(shí)具有更好的傳熱效果。分析可知，由于冷卻水一流程的換熱效率更高，將冷卻水一流程布置在空冷區(qū)和抽氣口所在的管束區(qū)內(nèi)，更有利于不凝結(jié)氣體的及時(shí)抽出，不僅凝汽器的熱效果更好，也避免了不凝結(jié)氣體的聚積阻塞。

4 結(jié)束語

根據(jù)以上3種類型凝汽器采用不同冷卻水流徑時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果，分析可以得到以下結(jié)論:

(1)冷卻水流徑采用上進(jìn)下出形式可以有效降低凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)的壓力損失，有利于降低凝汽器的工作壓力，提高電廠運(yùn)行性能。

(2)冷卻水的第一流程應(yīng)布置在主要抽氣口所在的管束區(qū)，以防止空氣濃度過高造成阻塞區(qū)，不利于換熱。

［1］汪國山.冷卻水流徑對(duì)雙流程凝汽器熱力性能的影響［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2005，47(4).

［2］吳金卓，馬 琳，林文樹.生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性研究綜述［J］.森林工程，2012，28(5):102 －106.

［3］張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［4］姜 利，張麗娜.熱棒位置與熱棒效果關(guān)系的研究關(guān)［J］.森林工程，2014，30(1):117 －119.

［5］余茂錚，姚秀平，汪國山，等.大功率汽輪機(jī)凝汽器汽相流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值分析［J］.動(dòng)力工程，1995，15(6):42 －48.