直接空冷機組凝結水下降管流場改造與分析

李國棟，黃賽冬，金紅偉，劉　學，李　超，毛雪平

（1.華電重工股份有限公司，北京　100160；2.上海電力股份有限公司，上海　200010；3.華北電力大學，北京　102206）

直接空冷機組凝結水下降管流場改造與分析

李國棟1，黃賽冬2，金紅偉1，劉學1，李超3，毛雪平3

（1.華電重工股份有限公司，北京100160；2.上海電力股份有限公司，上海200010；3.華北電力大學，北京102206）

空冷機組從空冷平臺收集凝結水，凝結水經過凝結水管道流回地面的凝結水收集裝置以再利用。由于凝結水下降管落差大，同時存在著非滿管的流動狀態，使得凝結水對回水管道產生沖擊，導致下降管振動，嚴重影響生產安全。對下降管的振動原因進行分析，提出在下降管豎直段內增加孔板及彎管段來減弱振動的方法，并采用計算流體力學軟件Fluent對改造前后的下降管內凝結水流動進行模擬分析。模擬結果表明，改造方案能較好地改善管道的振動特性。

空冷機組；凝結水管；振動；流場分析

0　引言

振動是電廠管道中普遍存在的問題。電廠管道的振動有其自身特點：振動頻率比較低，屬于低頻振動，振動持續時間比較長，容易引起管道疲勞，嚴重情況下導致管道破裂、發生泄漏等嚴重事故。引起管道振動的原因有很多，包括：管道附件的振動連帶引發管道本體振動，管道內流體的壓力脈動對管道造成沖擊引發管道振動，以及外界的激振力（如風、地震等）誘發的管道振動。

對于直接空冷機組而言，汽輪機排汽經空冷凝汽器冷卻后變為凝結水。空冷島普遍高度在35 m以上，凝結水從空冷島經凝結水下降管流至地面的凝結水聯箱。在此過程中，凝結水下落的高度差達到30 m，對管道造成巨大沖擊。此外，由于凝結水流量的變化，使得管內凝結水對管道彎頭產生沖擊，尤其是在凝結水下降管豎直管段的底部，水流產生的沖擊影響十分明顯。

凝結水管道的振動影響直接空冷機組的安全運行，一旦管道受損嚴重將會造成非正常停機，對電廠的經濟運行和安全運行都將造成不可估量的損失。

關于空冷系統凝結水下降管振動的問題國內外已有學者對其進行了研究分析。張春等認為［1］，導致空冷機組凝結水下降管振動有管道內部流體介質流動的不穩定性和管系本身固有頻率太低兩種可能性。吳斌蕾認為［2］，管道振動以及管內爆鳴聲產生的主要原因是管內汽水兩相流所致。郭明臣等認為［3］，凝結水下降管的振動，是由于水柱沖擊釋放大量能量，同時管道系統具有低頻振蕩的頻率，容易產生共振所致。張都清認為［4］，流體渦流激振也是管道振動的一個影響因素。Li等人認為［5］，凝結水下降管振動主要由氣液兩相流動引起。

對下降管的振動原因進行分析，提出改造方案，并用fluet軟件對實際管道及其改造方案進行模擬。

1　下降管結構

以某330 MW直接空冷機組為例，該機組采用獨立空冷島平臺。一個空冷島平臺共有6列30個冷卻單元，每個冷卻單元配有1個大型軸流風機。每列空冷單元獨立使用1列凝結水管，且各凝結水下降管系相互獨立，匯集于回水母管。空冷島高度大約為35 m，豎直管段的頂點標高為30.7 m，下端連接水平管段處彎頭的標高為3.6 m，整個下降管豎直段的高度差達到了27 m之多。在整個回水管系末端連接有一水封。圖1是凝結水下降管示意圖，其中AB段是豎直管部分，BC段是底部水平管部分。

圖1　凝結水管道示意

2　振動原因分析

2.1管道振動現象

通過對不同機組的調研發現，雖然各個機組的容量、凝結水下降管布置走向、高度差以及流動參數各不相同，但是所呈現出來的規律大致相同。總結發現，凝結水下降管振動并非總是存在，當機組處于滿負荷運行時，凝結水下降管的噪音和振動不太明顯。當機組負荷低于額定負荷的50%左右時噪音和振動也比較小。但是當機組的負荷處于50%負荷到滿負荷范圍時，管道的振動開始加劇，管內流體產生的噪音也逐漸變大。

在運行現場發現，管道存在著明顯的水流聲，并在BC管存在著比較明顯的水平面內的振動，影響機組的安全運行和經濟運行。

2.2空冷系統凝結水下降管振動原因分析

對于電廠管道來說，與管道相連的機械設備的振動，管道上閥門突然關閉或者泵突然停止運行等導致的水錘效應［6］，管內水流沖擊以及管內流動空化形成的壓力波動都是造成管道振動的原因。

從實際情況來看，空冷機組凝結水下降管系統分別與管道末端的凝結水箱和空冷島凝結水集箱相連接，管系中不存在泵、水輪機等旋轉設備。所以不存在因為旋轉機械設備而產生振動的可能。同時在機組正常的運行過程當中，凝結水下降管上的閥門也不進行操作，因此不存在由閥門開啟及關閉瞬間造成的壓力波動而導致管內水錘產生的可能。所以對于空冷凝結水管來說，凝結水空化效應是管道振動的主要影響因素。

空化現象是指流體在流動過程中因為阻力或者其他動力因素的作用，使得流場的局部區域形成了低壓，而當局部壓力小于當前溫度下的介質的飽和壓力時，液體介質將發生汽化而出現“空泡”的現象［7］。

汽泡周界壓力越高越容易使得空泡發生潰滅，空泡的快速潰滅使得周圍介質迅速填充空泡區域，出現瞬時的高溫高壓現象，即熱點［8］。同時形成強烈的壓力波動，對周圍介質產生劇烈的機械攪拌作用，這就是空化的機械效應［9］。Hammitt［10］經過計算研究發現，空泡潰滅產生的沖擊壓強最高時可達到691 MPa，并在極短的時間內對周圍固體表面形成數百次高強度的沖擊。

3　數值模擬及管道改造

3.1原管道的數值模擬分析

從管內介質流動過程以及計算時程上來看，管內壓力最大值出現在管道豎直段底部彎頭處，因此，提取該點壓力隨時間變化的曲線來觀察管內壓力最大值的時刻，如圖2所示。由圖2壓力時程圖可知，管內壓力在較短的時間內存在著較大幅度的波動。壓力波傳遞過程中若沒有受到阻礙則使得管道局部壓力過大，反復出現的壓力大幅波動則會造成管道振動，對管道的安全存在不利影響。

管內豎直段最低點壓力存在較大波動與現場實際運行過程中該點存在著較大的振動情況相符合。

圖2　管內豎直段最低點壓力時程

圖3為豎直管內中心截面液相體積分數云圖。由圖3可知，進入豎直段管道后液相逐漸較少，說明管內開始出現空化現象，且隨著高度的下降空化區域呈現出先上升后下降的趨勢，在18 m處空化現象有明顯減弱。其原因在于在直管道內介質受到重力的作用，流動過程中速度加快導致介質靜壓不斷向動壓轉換，當靜壓值小于當前溫度下的飽和壓力時則發生空化現象。但是隨著空化的不斷進行，汽泡的逐漸膨脹長大，當汽泡潰滅之后，局部形成空腔，形成更大的負壓，使得周圍介質迅速回流填充。

圖3　豎直管內中心截面液相體積分數云

圖4為管內28 m處截面液相分布。從圖4中可以發現，在空化開始階段管內最先發生空化的區域在管道中心，而管壁處由于介質本身的粘性以及管壁對介質的摩擦阻力，使得壁面周圍的介質速度相對中心介質速度較小，流動過程中靜壓向動壓的轉換量較小，介質發生空化的現象不明顯。

圖5是豎直段液相密度分布。由圖5可知空化過程主要發生在19～29 m之間。在19～20 m之間管內密度存在大幅度的階躍，而21～29 m間密度變化較為平緩說明空化發生空泡生長過程較為緩和而空泡潰滅則較為迅速。

圖4　管內28 m處截面液相分布

圖5　豎直段液相密度分布

圖6為豎直段中心截面的速度云圖。速度在頂部區域相對較小，進入豎直管段后速度云圖的顏色逐漸變紅，后開始減小。而從圖7豎直方向速度分布圖可知，速度最高點位置在20 m附近，之后速度減緩，即隨著速度加快空化變得嚴重，導致液相汽化密度降低。

圖6　豎直段中心截面的速度云

圖7　豎直方向速度分布

圖8為凝結水管道豎直段中心截面壓力云圖。管道豎直段底部處的壓力場的顏色更靠近紅色，說明此處管道所受的壓力最大。壓力最大點集中在豎直段最底部彎頭處，最大值高達2.6 MPa。

圖8　管道下部截面壓力云

結合管內速度、汽液分布以及圖2管內豎直段最低點壓力的時程圖，可以認為，此處壓力值較大的原因有兩個：其一是豎直段內介質因為流速的加快發生空化，隨著空化的進行，汽泡逐漸長大并破裂，進而引發高壓沖擊；其二是豎直管段的豎直方向上無其他部件吸收空化產生的壓力，故壓力波傳遞到底部彎頭使得此處壓力較高。

綜合認為管道振動產生的主要因素為管內介質在流動過程中發生空化。空化的產生使得管道有瞬時較高的壓力存在，而管內間歇性高壓的出現對管道造成較為嚴重的振動。

3.2改造方案的提出

根據以上對凝結水管道振動原因分析的結果，應采取措施防止凝結水在長直立管中的空化。故提出以下解決方案，抑制凝結水的靜壓向動壓轉換以破壞空化效應的形成。

在凝結水管道立管上分段設置彎管增加阻力以降低自流過程中凝結水流速。

在凝結水管道立管上設置節流孔板增加阻力，以進一步降低自流過程中凝結水流速尤其是管內中心區域介質的流速。

在原管道基礎上進行改造，主要對豎直管段進行改造。在整個豎直管段3個適當高度處改變直管為彎管，并增加孔板。

3.3改造后管道的數值模擬及分析

對改造方案進行數值模擬，同樣提取管內豎直段底部彎頭處的壓力隨時間變化的曲線，如圖9所示。

圖9　豎直段最低點處壓力時程變化曲線

由圖9可知，管內壓力在較短時間內存在著波動，但是波動幅度較小且在一段時間后管內壓力開始趨于穩定。對比原管道管內壓力時程圖可知，雖然解決方案的管內壓力隨時間依舊存在著一定程度的波動，但是變化幅度明顯減小且隨著時間的增加壓力逐漸穩定。以下著重分析管內壓力穩定時的流場汽液分布、速度變化、壓力值等情況并與原管道進行對比分析。

圖10為同一豎直段內的流場的液相分布圖。在整個豎直段流場的上端區域出現了局部小范圍的空化現象。

空化開始位置與第二個孔板的位置相接近，原因在于孔板的安裝使得流通面積的減小，流量一定流通面積的減小使得該區域的速度加快，導致靜壓迅速降低發生空化，隨著空化區域逐漸穩定，在24 m處空化現象基本消失。圖11是豎直段管道密度隨高度的變化曲線，由圖可知密度在28 m處有所下降，這與管內空化區域位置相一致。空化區域密度最小值為500 kg/m3左右，而原管道密度最小值在200 kg/m3左右。

與原管道相比，管內空化區域明顯降低，從原先近10 m的區域下降到4 m左右，在其他區域幾乎不出現空化現象。可見雖然所提出的解決方案在局部仍會發生空化，但是空化區域已經減小。從管內空化區域密度最小值來看，管內空化的程度與原管道相比有明顯的下降。從流場液相分布角度來看，由于孔板以及彎管的設置，管內空化現象得到了較好的抑制，彎管和孔板布置的目的初步達到。

圖10　豎直段液相體積分數云

圖11　豎直段管道密度變化

圖12為管道豎直方向截面速度云圖。由圖可知，在孔板后由于流通面積的減小使得速度加快，此處速度存在一定程度的上升。而在其他區域內速度的變化較為平緩，僅在彎管處由于慣性的作用局部速度有小幅度的變化。可認為孔板對流場其他區域的影響相對較小。圖13為管道豎直方向速度分布圖，可以看出，管內速度在28 m處開始上升并存在小幅度的波動并迅速趨于穩定。

原管道管內速度變化幅度較大，而所提出的解決方案管內速度變化相對緩和。此外，與原管道的管內速度最大值相比，所提出的解決方案的管內速度值由原來的21.8 m/s下降到現在的13.9 m/s，原管道管內速度均值比較大在15 m/s左右，而所提出的解決方案的管內速度均值在8 m/s左右。從速度場的分布角度來看，彎管和孔板的設置對于降低管內流速、減小靜壓和動壓的轉換，取得了良好的效果。

圖12　豎直段截面速度分布

圖13　管內豎直段上速度變化

圖14是管道下部區域的壓力云圖。從圖中壓力的分布可以看出，底部彎頭側的壓力最大，最大值為0.163 MPa，此時的壓力主要由液柱靜壓造成。對比管道最低點處的最大壓力值，原管道中該區域的壓力最大值為2.6 MPa，可見在解決方案中流體對管道壓力作用有大幅度的下降。

結合管內壓力、速度、汽液分布情況以及管道豎直段最低點處壓力的時程圖可以認為，解決方案中管內的壓力波動沒有持續產生，對管道壁面沒有產生持續的作用而引發持續振動，說明解決方案使得管道振動明顯減弱。

3.4結果對比分析

對比分析管道布置原管道、解決方案，得到以下結論。

圖14　管道豎直段底部區域壓力云

從管內液相分布圖與管內壓力分布圖可知，解決方案的管內液相比例比原管道有所上升，空化區域明顯下降。管內壓力最大值相比原管道有大幅度下降且壓力波動幅度平緩。表明改造方案的管內空化效果得到明顯的抑制，空化引起的壓力波動減弱，對管壁的壓力大幅度降低，減弱了管道振動。

從管內速度分布圖可知，改造方案的管內速度值最大值降低為原管道管內速度值最大值的一半左右。孔板及彎管區域的設置不僅降低了水流介質對管道的沖擊，而且降低了靜壓向動壓的轉換量，從而抑制了空化的發生，減弱了管道振動。

綜上分析，從管內流場角度來說改造方案對于減弱管內因空化引起的壓力波動的效果明顯，對于緩解管道振動起到了良好效果。

4　結語

對比分析改造前后的管道模擬結果發現，從管內流場角度來看在凝結水下降管內增設孔板和彎管對于減小空化引起壓力波動具有較好的效果，管道振動得到明顯改善。

［1］張春，劉振盛，姜擁軍，等.空冷凝汽器凝結水下降管振動原因分析［J］.現代電力，2010，27（3）：66-69.

［2］吳斌蕾.針對空冷島凝結水下降管振動大的優化研究［J］.電子質量，2012（11）：22-24.

［3］郭民臣，李鵬.空冷系統凝結水下降管振動的分析及對策［J］.現代電力，2011，28（3）：80-84.

［4］張都清，張廣成，曹立春.電廠中汽水管道的振動原因及對策［J］.山東電力技術，2006，33（1）：56-57.

［5］Li L M，Peng J Y，Li H，et al.Condensate Pipe Vibration Analysis in the Air Cooling System［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，321：1278-1283.

［6］龍俠義.輸配水管線水錘數值模擬與防護措施研究［D］.重慶大學，2013

［7］褚學森，王志，顏開.自然空化流動數值模擬中參數取值影響的研究［J］.船舶力學，2007（1）：32-39

［8］SUSLICK K S.Sonochemistry［J］.Science，1990，247：1439-1445

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［10］Mitchell T M，Hammitt F G Asymmetric cavitation bubble collapse［J］.Fluids EngngTrans，ASME，1973，195：27-29

Analysis and Transform of Condensate Vertical Downward Pipes in Direct Air Cooling Unit

LI Guodong1，HUANG Saidong2，JIN Hongwei1，LIU Xue1，LI Chao3，MAO Xueping3
（1.Huadian Heavy Industry Co.，Ltd.Beijing，100160 China；2.Shanghai Electric Power Co.，Ltd.200010 China；3.North China Electric Power University，Beijing，102206 China）

The air cooling unit collects condensate from the air-cooled platform，and condensate flows back through condensate pipes to condensate collection devices on the ground for reuse.Since there exists a huge altitude gap between the inlet and aircooled platform of the downward pipe and non-full pipe flow state at the same time，impaction on pipes and vibration are caused when condensate comes down，which is harmful to the operation.We analyze causes of the vibration，and put forward some measures to weaken the vibration，such as adding hole-plates and elbows in the downward vertical segment of the pipeline.The computational fluid dynamics software Fluent is used to simulate the pipe flow before and after the transformation. Simulation results show significant improvement in the vibration characteristics of pipeline reconstruction scheme.

air cooling unit；condensate pipe；flow field analysis

TM621.7

A

1007-9904（2015）09-0032-06

2015-04-16

李國棟（1972），男，高級工程師，主要從事電力設備結構研究。