不同管束結構凝汽器殼側數值分析

趙云云

（哈爾濱汽輪機廠 輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

汽輪機機組的重要輔機之一就是凝汽器，它維持著低壓缸的背壓，其性能影響著整個發電機組的經濟性和安全性。管束是凝汽器的重要組成部分。管束設計的主要任務是將熱力計算得出的一定數量的冷卻管，在殼體空間范圍內合理地優化排列和組合，構成一定形狀的管束，確保凝汽器運行時達到熱力設計的各項指標（如傳熱量、真空度、凝結水的過冷度及含氧量等）[1]。隨著數值模擬技術的發展，數值模擬方法被越來越多地應用于各種復雜傳熱流動方面，如凝汽器換熱和流動問題，以減少實驗的周期以及成本[2]。本文應用凝汽器性能分析軟件對布管型式為山型（a）、AT型（b）、教堂窗型（c）這三種管束結構的凝汽器進行數值模擬分析，分別得到每種布管方案的凝汽器殼側的流場、壓損、空氣濃度分布、凝結量和熱負荷分布，并對這三種管束方案進行對比分析。

1 物理模型

某凝汽器結構為單流程對稱結構，因此選取凝汽器的一半結構作為計算域，三種方案的管束分布區域如圖1所示。為對比不同管束區域對凝汽器性能影響，三種方案除布管類型不一致外，其他設計參數相同，凝汽器背壓為4220kPa，進汽量是758.415t/h，冷卻水入口溫度20.8℃，流量90500m3/h。

2 計算結果

圖1～圖4為三種布管方案的流速、壓損、空氣濃度等值線圖。圖中，所有黑點●處表示最大/最小值。

由圖1可知，三種布管方案的凝汽器的蒸汽流動路徑相似，一部分蒸汽直接進入管束區凝結換熱，一部分流經管束與殼體間蒸汽通道和管束之間的蒸汽通道，從側面進入管束區，剩余部分在管束區下方的水平蒸汽通道匯合，并對凝結水進行熱力除氧后，向上流動進入管束區，最后流經空冷區，不凝結氣體抽氣口抽出。凝汽器殼體與膨脹節連接處有擋板，因此在擋板下面會形成一個小漩渦，同時由于低壓加熱器的存在改變蒸汽流動分布，三種方案在低加下方、管束區上方均存在漩渦。

對比分析三種結構的凝汽器流場，發現管束區流場分布對稱。這三種凝汽器管束區外圍的蒸汽流速基本一致，分別為61m/s、64m/s和62m/s。而空冷區蒸汽流速大小區別較大，山型管束在空冷區的蒸汽流速為0.04m/s，而AT形管束空冷區的蒸汽流速為0.38m/s，教堂窗形空冷區的蒸汽相對偏高，而且空冷區流速不一致，分別為12.9m/s、8.91m/s、2.18m/s。因此，布管結構為教堂窗型的凝汽器空冷區結構需要進一步的優化。從空冷區蒸汽流速大小可以看出，山型布管結構的凝汽器的換熱性能較好。

圖1 速度等值線圖

由圖2可知，凝汽器上部的低壓加熱器的阻礙流動的作用導致蒸汽動能、勢能的轉換，使得此處蒸汽壓力突變。從圖2可以看出，混合氣體的壓力損失是隨著蒸汽逐漸進入管束區內傳熱而逐漸增大。a方案最大壓損為614Pa（最大值點如圖中管束左側黑點●），空冷區和抽空氣口壓損為497Pa；b方案最大壓損為617Pa（最大值點如圖中管束中部黑點●），空冷區和抽空氣口壓損為477Pa；c方案最大壓損為658Pa（最大值點如圖中管束中部下方黑點●），空冷區和抽空氣口壓損為519Pa。通過壓力損失對比發現，a結構凝汽器管束壓損較大的區域主要集中在空冷區；b結構凝汽器壓力損失集中在中間管束側的空冷區上，而靠近殼側的空冷區壓損反而相對較小；c結構凝汽器壓損較大的區域集中在管束的下方，同樣的空冷區處的壓損相對較小。因此，對比這幾種管束結構，c結構凝汽器的空冷區的設置需要優化，a凝汽器結構較為合理。

由圖3可知，a結構抽空氣口積聚了大量空氣，空氣濃度較高，管束布置較為合理。b結構抽空氣口的空氣濃度相對于整個管束的空氣濃度較低，c結構的抽空氣口的空氣濃度更低。空氣濃度低，表明此處的蒸汽含量大，不易再次設置抽空氣口，因此c結構的抽空氣結構需要優化。

通過計算和比較這三種管束方案，a結構凝汽器區傳熱系數較高，傳熱系數在1721W/（m2·K）以上（不包含空冷區）；b結構凝汽器管束下半部分靠近中心側處傳熱系數相對較低；c結構凝汽器的傳熱系數都很高，空冷區的傳熱系數也較高（主要原因是混合氣體流速相對較高），雖然傳熱系數較高但是蒸汽的流速高，蒸汽的凝結量低，凝汽器性能反而較低。

圖2 壓損等值線圖

圖3 空氣濃度等值線圖

因此，綜合比較，a結構凝汽器的管束布置較為合理，三種凝汽器結構性能參數對比如表1所示。

表1 三種凝汽器性能參數對比

3 結論

在本文特定的設計工況下，AT型布管結構和教堂窗型布管結構的凝汽器性能稍差，壓損較大，蒸汽凝結量小。與二者相比，山型布管結構的凝汽器殼側壓損較小，蒸汽凝結量大，凝汽器的相對性能較高，傳熱性能較好。