某凝汽器水室流場分析

高良軍， 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱 150028;2.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

凝汽器[1]水室是凝汽器非常重要的一個結構，其承擔著冷卻水的流通循環作用。凝結水在進入水室之后進入到管束中，將管外的汽輪機[2]排汽冷卻到設計溫度。水室結構合理可以對進入到水室的冷卻水起到很好的導流作用，提升凝汽器的運行性能。目前針對越來越嚴峻的市場形勢，設備性能的優化成為提升設備競爭力的主要手段,隨著機組容量的不斷增大，凝汽器水室的設計要求也越來越高。更大流量、更大容積的水室，保證水室結構強度的基礎上如何保證流動效率成了設計關鍵問題。本文針對傳統凝汽器水室形式進行結構優化，旨在提升設備性能，增強市場競爭力。

1 方案概述

針對凝汽器我公司原始結構采用的是平頂設計，這種結構設計簡單，工藝要求不高，制造加工較簡單。但是隨著設備性能要求越來越高，凝汽器水室流線控制也成為重要的設計參數之一。

針對某項目機組容量要求，凝汽器結構龐大，水室也較大。傳統的平頂結構對材料較為浪費。為了增加設備的經濟性，優化水室內部流場。設計人員為某大容量凝汽器進行了水室方案優化設計，在傳統的方形頂部設計基礎上，設計人員進行了結構優化，將水室背板的傾斜角度由4.5°增大到12°，并且將頂板由平板改為圓弧板，如圖1所示。

從結構上看，優化后的水室結構緊湊，耗費材料較優化之前減少，經濟性較好。而從加強上看，優化后水室采用肋板加強結構，保證了水室強度要求。本文針對傳統設計方案以及優化設計方案對兩種水室進行了流場模擬分析。水室的流場分析，根據水室對應的管束形式，采用全三維模擬計算，進行流動性能分析。

分析具體過程為：1）建模。使用Unigraphics NX[3]建立水室計算的三維模型，兩種結構分別建立三維模型。2）網格繪制。將三維模型導入ANSYS ICEM中繪制計算網格[4]，采用六面體非結構化網格。3）計算。網格繪制完成后，使用CFX進行計算，計算收斂后保存計算結果。4）結果分析。采用CFX進行結果處理分析[5]。

分析兩種水室的結構合理性以及工藝加工合理性[6]。為優化水室結構，提升凝汽器運行性能提供技術支撐。

圖1 優化水室結構

2 水室建模

某凝汽器水室設計方案的水室結構采用UG建模。凝汽器水室存在較多的支撐結構，尤其是優化后的結構具有較復雜的頂部型線。因此采用三維造型方便快捷的UG軟件對實體進行建模。由于流場分析時計算的是整個流動空間的狀態，因此建模時保留流動空間。

某大型凝汽器水室入口為循環水管道接口，出口應為內部換熱管，換熱管為“山形”布管形式[7]。但是實際某大型凝汽器設備每個腔室內共有萬余根換熱管，如果全部按照真實尺寸構造不僅建模極其困難，而且網格劃分也不現實。就算采用服務器并聯也無法達到網格劃分的內存要求，因此需要對模型結構進行簡化處理[8]。為了達到大型設備的分析設計目的，采用等效模型簡化，可以保證整個分析過程的可行性，以及分析結果的可靠性。針對某大型凝汽器等效模型簡化的目的是減少計算量，保證網格劃分以及計算量在計算機承受的范圍之內。簡化的方法是減少換熱管的數量，保證流通面積比例的一致性，即增大每根管的直徑。簡化模型采用等效簡化方法，保證了模擬結果與真實結果的合理統一，具有實際的指導意義。

根據實際計算條件，在保證結果的前提下，最后將凝汽器水室后管束減少，形狀保持原布置形狀，水室流動空間也進行了相應的等效簡化，保證了尺寸比例的統一性。通過模型等效簡化，解決了某大型凝汽器分析過程中節點和單元數過于龐大問題，節省了建模和計算時間，提高了分析效率。

3 計算模型

采用ICEM對兩種水室結構進行網格劃分，網格采用六面體非結構化網格，網格質量在0.5以上。ICEM對網格劃分非常便利，可以在網格劃分的同時修正實體建模時的一些接觸面的連貫性，保證計算網格的質量[9]。在引入UG模型后，由于入口口徑較大，在ICEM的操作環境下，增加進口流道長度，保證計算中入口的回流比例，保證計算的收斂性[10]。

網格劃分時首先進行較粗網格劃分，修正結構關聯性，保證整體結構的正確性，無斷點。粗網格劃分成功后，細化局部網格，對水室進口以及換熱管部位進行網格細化，保證局部網格質量。劃分完后進行初步計算，計算收斂后，再進行網格細化，對整體和局部網格進行加密，加密后進行計算。將兩次結果進行對比，驗證網格無關性。保證了網格無關性后，采用較少網格數量的網格進行最終的細化計算。

計算時模擬采用κ－ε模型[11]，考慮重力的影響，流動介質材料為水。在進行模擬時，每一組進口給定總溫總壓條件，總壓為0.5 MPa，總溫為20.8℃，出口邊界條件為循環水流量出口，流量G=13 956 kg/s。假定為外壁絕熱，對兩種網格進行了多次試算，保證了收斂特性[12]。

4 結果分析

4.1 流場分布

考慮重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計算水室流場分布[13]，流場分布如圖2～圖3所示。從圖中可以看出原始結構的上部由于平頂設計，冷卻水進入到水室后，由于有換熱管結構的存在，水流有流出引導作用，進水會向換熱管的方向靠近，導致平頂在主流線以外有較大的空隙，水流在這部分空間形成流動旋渦。一方面這樣的流動導致了流動空間中有一部分滯留流體，造成對主流的影響。另一方面這部分空間沒有參與流動導向作用，造成空間的浪費。

反觀12°傾角模型，主流線以外幾乎沒有浪費的空間。水流進入腔室之后沿著一個統一的彎折方向靠近換熱管，換熱管的流動導向沿著主流線的方向。只在頂部傾角區域少量流動渦流。從流線可以明顯看出優化的12°傾角模型，介質流動更為合理。充分利用了水室的空間，節約材料又保證了流動導流，是合理的優化結構。

兩個模型流速的最大點都基本在進口位置。水室是個開放性的空間，水流進入之后進行分散流動，速度降低，所以這一流速最大點位置合理，分析結果可靠。

具體計算結果分析：1）原始水室結構模型流場分布不均勻，水室上部存在較大空腔，流體流動過程中在空腔內存在大尺度 漩 渦 ；2）優化方案12°水室結構模型內流場分布均勻，流線的走向與模型內部結構吻合，整個水室內產生的渦流區域較小，水室流動性較好；3） 兩 種模型的流速最大位置都在接近進口位置區域。水室為腔室結構，水流進入后進入較大空間，流速降低。

4.2 壓力損失

水室的另外一個重要的設計參數是水室的壓降。凝汽器的壓降直接影響著冷卻水泵功率的選擇。因此要求各部分盡可能地降低壓損。對優化結構及原始結構兩個模型進行定量分析時，計算的水室的壓力損失計算結果如表1所示。

圖2 原始結構凝汽器水室流線分布

圖3 優化方案12°凝汽器水室流線

表1 水室的壓力損失計算結果 Pa

通過對比可知，原始結構水室壓力損失最小，優化12°結構模型次之。這是由于原始結構有較大的水室空間，以空間的浪費來降低水室流動的壓損。兩種水室結構內部都存在DN75的支撐管，支撐管的存在會對流體的流動造成影響，增大壓力損失。而原始結構部分支撐管以及支撐管的部分有的并沒有主流介質繞流，因此對整個主流的影響較小。而對于優化12°結構模型由于流動是布滿整個流動空間的，因此主流需要繞流每一根支撐管[15]，增加了整個流動的流動損失，造成壓力損失比原始結構稍大。

1）原始結構中有18根支撐管，從圖3流場分布圖可見，較少流體掠過水室上部支撐管，這也減少了支持管對流體的壓損，除上部空腔內存在漩渦，支撐管處流場分布均勻；2）優化結構12°模型中有13根支撐管，從圖4流場分布圖可見，下部支撐管處流場分布不均，存在一定的渦流現象。

5 結論

通過CFX流場計算得到了兩種水室結構模型的流場分布及壓力損失情況，觀察水室內部流場分布的情況，原始結構上部存在較大的空腔，造成結構的浪費，而優化結構12°模型可以較好地吻合流體的流向，流線分布均勻；而從壓力損失來看，原始水室結構內支撐管的布置對流線的壓損最小。支撐管的存在稍微加大了阻力損失，但是增加不多。因此優化水室結構方案合理，制造工藝簡單。

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