汽輪機凝汽器換熱特性的多孔介質(zhì)建模研究

李文科 劉志超 王建剛 張漢柱 姚坤 劉東旭

摘 要：火電機組凝汽器內(nèi)部換熱特性對機組整體運行性能具有非常重要的意義。本文針對汽輪機的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)的流固耦合復(fù)雜特性，基于多孔介質(zhì)三維仿真策略，對凝汽器汽側(cè)壓力場的進行簡化建模研究，考慮冷卻水溫度沿管長呈線性分布的特性及其對蒸汽凝結(jié)量和換熱量分布的影響，利用Fluent軟件對其進行仿真。計算結(jié)果與實際物理過程基本吻合，簡化合理。這對實際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：汽輪機 冷凝器 壓力場 多孔介質(zhì) 建模仿真

中圖分類號：TK12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0112-02

冷凝器是汽輪機非常重要的輔助設(shè)備，特別是大型汽輪機冷凝器，其尺寸比較大，冷凝管數(shù)量多且布置方式有異于一般冷凝器。而且，隨著蒸汽的凝結(jié)，多相混合物流速、空氣濃度、換熱系數(shù)和熱負荷等參數(shù)沿流程的劇烈變化，其內(nèi)部的流動與傳熱現(xiàn)象更加復(fù)雜。因此，正確合理預(yù)測冷凝器內(nèi)部復(fù)雜物理場，對實際工程項目具有非常重要的指導(dǎo)意義，一直以來都受到許多研究者的重視[1-3]。文獻[4]和[5]提出了多孔介質(zhì)建模思路，為凝汽器特性研究提供了一定的思路。但是，針對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況的研究較少。

因此，本文首先采用多孔介質(zhì)模型，對某大型汽輪機的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)內(nèi)汽側(cè)的復(fù)雜壓力場做適當(dāng)簡化后，然后利用Fluent軟件對其進行二維數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實際物理過程基本吻合。然后在此基礎(chǔ)上，進行了一些理論分析，得到了一些有參考價值的結(jié)論，對實際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1 多孔介質(zhì)物理建模策略

蒸汽凝結(jié)放出的熱量由金屬管壁吸收，然后通過對流換熱方式由循環(huán)冷卻水帶走。對于不可避免的一定漏氣量，通過抽汽保持真空。

1.1 汽側(cè)壓力場物理模型的簡化過程

一般，由于整個冷凝器尺寸與大型凝氣器內(nèi)凝結(jié)區(qū)管束的管徑相比已經(jīng)相當(dāng)小了，因此，在整個冷凝器物理場的模擬中，將凝結(jié)區(qū)管束作為多孔介質(zhì)處理的假設(shè)是合理的。蒸汽在管束區(qū)流動，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽質(zhì)量不斷減少，將蒸汽在管壁上凝結(jié)量，分布到整個管束區(qū)中，可看作是連續(xù)性方程中的一個源項，即分布質(zhì)量匯。同樣將蒸汽在管束區(qū)流動的阻力分布在整個管束區(qū)中，作為動量方程的一個源項，即分布阻力。

因此，為了簡化計算并能確保模型具有一定的精度，在建立冷凝器的模型時，根據(jù)大型冷凝器工作情況，進行如下假設(shè)：冷卻水管束區(qū)按一族處理，采用具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的模型模擬管束區(qū)的物理場；由于只模擬汽側(cè)物理場，因此忽略不凝性氣體的影響、忽略冷凝器散熱、忽略凝結(jié)水的體積；由于蒸汽流速較高，汽側(cè)湍流較強，而且在凝結(jié)區(qū)內(nèi)，由于是相變傳熱，因此忽略粘性耗散。通過以上的合理簡化，最終可以將冷凝器汽側(cè)復(fù)雜的汽相流動和傳熱過程，簡化為蒸汽在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的單相定壓定常湍流流動。

1.2 凝結(jié)水溫度場物理模型的簡化過程

針對冷凝器內(nèi)部甚為復(fù)雜的流動與傳熱現(xiàn)象以及受多種因素影響的凝結(jié)水形成過程，簡化策略如下：

（1）凝結(jié)水存在過冷度問題。

（2）將流固耦合的兩相流問題轉(zhuǎn)化為等效的單相問題進行研究。

（3）冷卻水管束區(qū)按一族建模，采用具有多空介質(zhì)模型策略。

（4）非管束區(qū)域有凝結(jié)水在流動，如圖1所示。

2 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

2.1 基本數(shù)學(xué)模型

一般來說，連續(xù)方程、動量方程、湍流方程來描述具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的蒸汽流動和凝結(jié)換熱過程，其通用形式如下式（1）所示：

針對研究問題的特殊性，只需進行源項的單獨處理。

2.2 多孔介質(zhì)模型的建立策略

所假設(shè)的冷卻水溫度線性分布，冷卻水管束區(qū)按一族處理，采用多孔介質(zhì)模型模擬管束區(qū)復(fù)雜流場。

（1）非管束區(qū)沒有質(zhì)量與能量的損耗，源項為0。

（2）管束區(qū)忽略凝結(jié)水的體積，質(zhì)量與能量都有一定的損耗，在管束區(qū)各添加是一個負的質(zhì)量源項與能量源項分別如下式2和3所示：

目前，計算中常用的近似溫度為平均溫度，與實際中的臥式冷凝器的溫度分布有所差異。所以，本文采用線性溫度分布特性的假設(shè)條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于中間部分的冷凝水管分布區(qū)域（即多孔介質(zhì)區(qū)域）對研究起重要作用，因而網(wǎng)格可以根據(jù)計算需要而進行加密細化，圖1為間隔4個網(wǎng)格點顯示效果。此外由于管束區(qū)與非管束區(qū)之間存在一個過渡，內(nèi)部條件與壁面也存在一個過渡，因此，為了使模擬結(jié)果更加準確，在這些過渡區(qū)域部分進行網(wǎng)格加密處理。

邊界條件設(shè)為：蒸汽垂直排入冷凝器內(nèi)，質(zhì)量流量入口；多孔介質(zhì)區(qū)域，采用均勻質(zhì)量與溫度分布條件；其余為壁面條件。

壓力分布模擬結(jié)果如下圖2所示，從結(jié)果中可以看出，模擬結(jié)果與實際結(jié)果有一定吻合度，表示模型存在合理的地方。在實際中，由于汽側(cè)壓力的改變會導(dǎo)致很多因素的改變，間接對凝結(jié)水過冷度造成影響。

4 結(jié)語

針對目前缺乏對冷卻水溫度、蒸汽凝結(jié)量與換熱量的耦合情況加以考慮的凝汽器特性模擬研究的現(xiàn)狀，本文首先采用多孔介質(zhì)模型，對某大型汽輪機的冷凝器內(nèi)凝結(jié)管束區(qū)做適當(dāng)簡化后進行二維數(shù)值模擬，計算結(jié)果與實際物理過程基本吻合。然后在此基礎(chǔ)上，進行了一些理論分析，得到了一些有參考價值的結(jié)論，對實際工程問題具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 杜小澤，金衍勝，姜劍波，等.火電廠直接空冷凝汽器傳熱性能實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2009，30（1）：99-101.

[2] 王曼華，楊立軍，杜小澤，等.梯形空冷凝汽器布局下直接空冷系統(tǒng)的流動傳熱性能[J].中國電機工程學(xué)報， 2013，33（14）：59-66.

[3] 韓成龍，張莉，曾申富，等.管板尺寸對凝汽器性能影響的研究[J].汽輪機技術(shù)，2017，59（2）：107-110.

[4] 周霄，崔國民，姜濤.大型電站凝汽器汽側(cè)物理場的數(shù)值模擬[A].中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議[C].2009.

[5] 何金橋，肖波，湯盛萍，等.基于多孔介質(zhì)模型的電廠凝汽器汽側(cè)流動特性[J].中南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013， 44（5）：2113-2117.