汽輪機排汽通道三維數值模擬

李 慧，喬春珍，王 浩，彭 曄，蘇蘭青

(北方工業大學，北京 100144)

汽輪機排汽通道將汽輪機排汽引入凝汽器，并把末級出口的蒸汽動能轉化為壓力能提高排汽通道性能，可有效降低汽輪機排汽壓力，提高機組經濟性[1]。對大功率汽輪發電機組，排汽缸能量相當于總可用能量的2%以上，約占機組總損失的0.15%[2]。研究表明，蒸汽流速在50 m/s以下時，凝汽器管束局部對流換熱系數隨入口蒸汽速度上升而增大[3]。因此，研究排汽通道出口蒸汽流場及影響因素，對降低汽輪機排汽壓力，提高機組經濟性具有重要意義。

汽輪機排汽通道內部結構比較復雜，包含低壓加熱器、低壓抽汽管道、支撐桁架、加強筋板等。這些內部元件勢必干擾蒸汽流動，對喉部出口截面蒸汽流場的均勻性和凝汽器管束換熱效果產生影響。

將排汽通道作為整體研究其內部主要元件對出口截面蒸汽流場的影響。曹麗華、周蘭欣等人通過三維數值模擬，認為小汽輪機排汽的接入對喉部出口流場均勻性會產生一定影響[4-5]。崔國明、郭玉雙研究發現低壓加熱器影響會對喉部均勻性產生極大破壞[6-7]；劉暉民研究發現機組排汽通道中存在渦流，會影響凝汽器傳熱效果及傳熱端差[8]。陳濤文對有加強筋板的汽輪機進行優化，發現筋板會對流場有擾動作用[9]。以上研究對凝汽器喉部設計具有指導意義，但是考慮支撐管道、四壁加強筋影響的研究相對較少。

本文在此基礎上，建立了4個模型，每個模型單獨考慮了低壓加熱器、低壓抽汽管道、支撐管道、四壁加強筋，分別分析了4個部件對排汽通道流場的影響。依據電廠機組的結構圖紙，采用專業軟件構建了包含低壓缸在內的整個排汽通道模型，并利用計算流體力學的專用軟件對排汽通道蒸汽流場進行模擬研究。

1 幾何模型和控制方程

1.1 幾何模型

以600 MW汽輪機排汽缸為研究對象，主要分析低壓加熱器、低壓抽汽管道、支撐管道與筋板對流場的影響。為了計算方便，模型僅包括上述4個構件，同時考慮到該模型結構及流場分布對稱性，本文僅模擬了其一半結構，簡化的物理模型見圖1。

(a)模型1：考慮抽汽管道模型

(b)模型2：考慮低壓加熱器模型

(c)模型3：考慮支撐管道模型

(d)模型4：考慮四壁加強筋模型圖1 600 MW汽輪機排汽缸物理模型

支撐管道的布置分為兩部分，一部分位于喉部入口處的橫向支撐管道，水平放置于抽汽管道兩側，左右對稱平鋪上下兩層，共12根管道長度為3 800 mm；另一部分位于喉部下部的豎向支撐管道，從喉部入口傾斜到出口，放置成2排，由上層12根長度為3 710 mm、下層12根長度為1 470 mm的管道組成。四壁加強筋分布在喉部四周壁面上，上下各11個，等距分布。

1.2 幾何尺寸

本文采用Gambit建模，Fluent模擬計算。在模擬計算過程中，排汽缸采用非結構化網格進行劃分，經網格無關性檢驗后確定網格總數約為63萬個。

1.3 控制方程及邊界條件

基于k-ε湍流模型，采用了三維SIMPLE算法求解N-S方程，并利用ANSYS模擬排汽通道耦合流動。模型有2個進口邊界，進口均假設為均勻進汽，采用質量流量進口邊界條件。第1個進口為排汽缸的4個進口(即末級排汽口)，進口方向分別沿X軸正向和負向；第2個進口為小汽輪機喉部入口，小汽輪機排汽平行于低壓加熱器，沿Y軸負向流入。一般都采用軸向環形進汽和向下排汽，出口邊界為壓力出口邊界條件。

在Fluent軟件平臺上，求解由連續性方程和動量方程組成的方程組。選取速度進口和壓力出口作為邊界條件；壁面為無滑移壁面邊界；選擇SIMPLE作為壓力-速度耦合方式。

2 計算條件及數值模擬分析

2.1 計算條件

模擬過程中做如下假設：假設流動工質蒸汽是單相的；忽略重力影響；假設排汽通道絕熱；蒸汽在排汽通道單相呈湍流流動[10-12]。

2.2 數值模擬分析

數值模擬分別模擬了圖1的4種情況，模擬結果如下，汽流速度分布見圖2—圖5，汽流流動方向為Z方向，壓力分布圖見圖6。

由圖2(a)可知，汽流在低壓抽汽管道入口處呈高速區，速度為120～180 m/s；在管道周圍則產生少部分低速區，速度為20～60 m/s。在經過低壓抽汽管道后，圖2(b)出口處有2個旋渦，低速區也明顯擴大，速度為0～24 m/s。

(a)入口 (b)出口圖2 模型1：低壓抽汽管道入口、出口截面汽流速度分布

低壓加熱器凝汽器喉部入口、出口截面的速度分布見圖3。由圖3可知，汽流經過低壓加熱器后，由于加熱器的阻擋，使此區域原有的旋渦區增大(藍色區域)，高速區減小，說明低壓加熱器影響了流場分布，有一定的擾動作用。

(a)入口 (b)出口圖3 模型2：低壓加熱器凝汽器喉部入口、出口截面速度分布

支撐管道凝汽器喉部入口、出口截面的速度分布見圖4。圖4(a)支撐管道凝汽器喉部入口流場出現2處旋渦，而圖4(b)支撐管道凝汽器喉部出口旋渦減少。雖然支撐管道的出口流場打碎了旋渦，但是對邊緣的汽流產生了一定影響，因此在支撐管道四周出現了小部分高速區。

(a)入口 (b)出口圖4 模型3：支撐管道凝汽器喉部入口、出口截面速度分布

四壁加強筋凝汽器喉部入口、出口截面的速度分布見圖5。由圖5(a)可知，汽流未經加強筋前，四周有少部分高速區，速度范圍在140～200 m/s。分布在兩側的旋渦呈低速區，流場分布不均勻；在經過四壁加強筋后，圖5(b)喉部出口四周高速區減少，入口處出現的旋渦消失，速度均勻分布在24～72 m/s，這說明加強筋通過對渦流的打碎作用來減弱汽流對流場的擾動。

(a)入口 (b)出口圖5 模型4：四壁加強筋凝汽器喉部入口、出口截面速度分布

上述結果表明，由于低壓加熱器位于喉部，對于入口截面沒有影響，因此將圖3(a)低壓加熱器凝汽器喉部入口作為基準。抽汽管道位于入口截面上部，因此對入口流場產生了影響。比較圖2(a)、圖3(a)可知，經過了抽汽管道的入口截面四周高速區增加，低速區速度減小且范圍縮小，對流場產生擾動，使流速分布不均勻。支撐管道、四壁加強筋由于分為兩部分，在入口截面上方有一部分，也對流場產生了一定影響。由圖4(a)、圖5(a)可知，入口截面也受到了影響，使得低速區減小，阻斷旋渦效果明顯。

由圖2(b)、圖3(b)可知，平均流速有所降低，由于繞圓柱流動產生的旋渦脫體，使得下方形成了低速流區，其兩側為高速流區，對流場產生了擾動，使流速分布不均勻。由圖4(b)、圖5(b)可知，通過阻斷旋渦，提高了排汽缸的靜壓恢復能力，降低喉部出口截面流場的不均勻性，這說明在有支撐管道、加強筋的通道渦內，旋渦被打碎的作用增大，排汽缸出口不均勻系數減小。

(a) (b)

(c) (d)圖6 模型1—4壓力

由圖6(a)、 (b)對比可知，有抽汽管道的位置壓力較大；有低壓加熱器的模型2，平均壓力低于模型1。因此，相比較而言，低壓加熱器產生的總壓損更大。

由圖6(c)、(d)對比可知，有支撐管道的部位壓力明顯減小，真空度降低，壓力范圍為380～820 Pa；在有四壁加強筋的位置，壓力區明顯減小，總壓損增加。

3 結論

a. 當喉部僅單獨布置低壓加熱器、低壓抽汽管道時，出口平均流速降低，會對流場產生擾動；當喉部僅單獨布置加強筋和支撐管道時，支撐管道和四壁加強筋會增加流場的復雜性，提高排汽缸的靜壓恢復能力，降低喉部出口截面流場均勻性，總壓損增加。

b. 布置支撐管道和四壁加強筋相比，加強筋更能提高排汽缸的靜壓恢復能力，降低出口不均勻性，同時增加的總壓損也比較大；布置低壓加熱器與低壓抽汽管道相比，低壓加熱器出口平均流速降低更快，低壓加熱器下方所形成的低速流區和高速流區差別也較為明顯。

c. 低壓加熱器、低壓抽汽管道、四壁加強筋和支撐管道對喉部的汽動性能均有明顯影響，這些影響因素不可能是單一的，其實際流場會更加復雜。