600 MW等級汽輪機凝汽器管型數值仿真分析

權亮杰，尹剛，陳家衛，向娟，姚潤賢

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 前言

在現代大型電站凝氣式汽輪機組的熱力循環中，凝汽器主要承擔系統冷源作用，其主要任務是將汽輪機排汽凝結成水并在汽輪機排氣口建立并維持一定真空度。根據電廠運行卡諾循環，循環熱效率見式（1）。

其中Tcond為凝汽器的凝結溫度，是凝汽器背壓的單值函數，凝汽器背壓越低，總的循環熱效率越高。

根據工程經驗，凝汽器背壓每降低0.5 kPa，循環效率提高0.4%，對于600 MW等級的汽輪機，可提高2.4 MW的發電量，每天可為電廠增加2.9萬元的收益。而凝汽器背壓的維持主要是通過凝汽器冷卻管凝結換熱來實現，不同的凝汽器冷卻管型結構對凝汽器整體的換熱效率有著較大差異，進而凝汽器背壓也大不相同。因此冷卻排管結構的優劣對電廠發電效率有著至關重要的影響。

目前國內600 MW等級常規火電項目凝汽器排管結構是普遍采用雙山型管束結構，典型性布置如圖1（a）所示。該排管結構經過長期的工程實踐驗證，汽流阻力小、流場分布均勻，具有良好的換熱性能。隨著我國火電機組容量不斷增大，該管束結構在600 MW等級及以上大型電站汽輪機組應用時需要進行適應性優化，方能保證在兼顧凝汽器的結構經濟型同時實現換熱性能的最優化，優化后的管型如圖1（b）型所示。

國內某公司開發出1種新型的仿生雙聯樹形管束結構，具體管束結構形式如圖1（c）所示。

國內另一公司針對600 MW等級機組凝汽器開發出了塔型側抽式管束結構，如圖1（d）所示。

圖1 汽輪機凝汽器主要管型結構

為了更全面地了解上述各種管束結構的熱力性能，采用專業化的凝汽器管束分析軟件，分別對上述A、B、C、D管束結構汽側空間的流場進行數值仿真計算，通過對不同管束結構凝汽器汽側空間的壓力場、空氣濃度場、傳熱系數分布場、速度矢量場進行綜合分析，對不同管型結構的換熱性能的優劣進行評估。

1 凝汽器管型計算輸入參數

為保證對各管型結構分析結果的一致性與準確性，在分析過程中，各管型結構均以某600 MW火電機組設計運行數據為計算輸入條件，凝汽器設計結構形式為剛性支撐、雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器。其余相關設計參數見表1。

表1 凝汽器管型主要計算輸入參數

2 凝汽器管型結構幾何模型對比

根據前述的技術輸入條件，在保持相同的換熱面積、管板高度的情況下，結合A、B、C、D 4種管型結構的布置特點，進行相應的排管布置，形成不同管型結構的幾何模型，如圖2所示。

圖2 各管型結構幾何模型

根據不同管型幾何模型布置情況，對不同管型結構的主凝結區、空冷區、抽氣口、擋汽板布置等結構進行對比分析，結果見表2。

表2 不同管型結構幾何模型對比分析

在前述各管型結構幾何模型的基礎上，利用專用的凝汽器熱力性能數值仿真分析軟件對各管型結構進行數值仿真分析，根據仿真分析結構分別針對各管型結構的壓力場、不凝結氣體濃度場、傳熱系數場、速度矢量場進行對比分析，進一步得出各管型的熱力性能特點。

3 凝汽器各管型結構壓力場分布對比分析

通過對凝汽器管束結構的壓力場分布進行分析，進而了解管束不同結構位置的壓力分布情況，如圖3所示，可進一步評估管束的汽流阻力特性。

圖3 各管型結構壓力場分布

根據不同管型結構的壓力場分布情況，可看出不同管束結構的壓力場分布均有各自的特點，具體分析結果見表3。

表3 不同管型結構壓力場對比分析

通過上述分析，在壓力場分布對凝汽器整體性能影響方面，A、B 2種管型的壓力場性能明顯優于其他2種管型結構。

4 凝汽器各管型結構不凝結氣體濃度場分布對比分析

進入凝汽器的汽輪機排汽不可避免會攜帶部分系統泄漏的不凝結氣體，在凝汽器主凝結區域凝結過程中，大量的蒸汽不斷被凝結成水，而不凝結氣體則在冷卻管外壁不斷聚集，最終形成一層氣膜阻斷蒸汽與冷卻管的接觸換熱，將大大降低凝汽器換熱性能。因此在凝汽器管束結構設計過程中通常設置有相應的抽氣口，將含有大量不凝結氣體的汽-氣混合物抽走排至凝汽器外部，降低不凝結氣體薄膜對凝汽器性能的影響。因此凝汽器抽氣口的布置型式和布置位置對凝汽器熱力性能有著非常大的影響。通過對凝汽器管束結構的不凝結氣體濃度場分布進行分析，進而了解管束不同結構不凝結氣體的濃度分布情況，可進一步對管束不凝結氣體的收斂性進行評估，由此判斷抽氣口布置的合理性。各管型結構的不凝結氣體濃度場分布如圖4所示。

圖4 各管型結構不凝結氣體濃度場分布

根據不同管型結構的不凝結氣體濃度場分布情況，可看出不同管束結構的不凝結氣體濃度場分布有較大差異，具體分析結果見表4。

表4 不同管型結構不凝結氣體濃度場對比分析

通過上述分析，在不凝結氣體濃度場對凝汽器整體性能影響方面，B、C 2種管型的不凝結氣體收斂性明顯優于其他2種管型結構。

5 凝汽器各管型結構傳熱系數場分布對比分析

凝汽器的凝結換熱功能主要體現在傳熱系數的大小和分布情況。通過分析凝汽器管型結構的傳熱系數場分布，可了解管束不同區域冷卻管的傳熱情況，進而熟悉凝汽器的整體傳熱性能的優劣。各管型結構的傳熱系數場分布如圖5所示。

圖5 各管型結構傳熱系數場分布

根據不同管型結構的傳熱系數場分布情況對各管型結構的傳熱系數分布及綜合傳熱性能進行對比分析，具體情況見表5。

表5 不同管型結構幾何模型對比分析

通過上述分析，各管型結構傳熱系數高值區均集中在主凝結區域，各管型的平均傳熱系數基本相當，其中B、D管型略有優勢。

6 凝汽器各管型結構速度矢量場分布對比分析

汽輪機排氣在凝汽器管束空間的氣流組織情況對蒸汽在管束空間的分布均勻性具有重要影響，進而影響管束各區域的傳熱性能。通過凝汽器管型結構的速度矢量場分布可快速了解到蒸汽的氣流組織情況以及管束渦流區域的分布區域，進而可對管束區的氣動性能進行評判。各管型結構的速度矢量場分布如圖6所示。

圖6 各管型結構速度矢量場分布

通過對上述各管型結構的速度矢量場分布情況進行對比分析，得出不同管型結構的氣流組織特點，具體分析結果見表6。

表6 不同管型結構速度矢量場對比分析

通過上述分析，各管型結構氣流組織各有特點，綜合紊流區域對凝汽器的整體性能影響情況，B、C管型結構略有優勢。

7 結論

本文通過數值仿真的方法對A、B、C、D 4種管型結構的壓力場、不凝結氣體濃度場、傳熱系數場、速度矢量場進行綜合分析，不同管型結構在不同的凝汽器性能方面具有各自的特點。

經優化后的B管型結構具有明顯的綜合優勢。其中C管型在汽流組織與抽汽口布置方面具有一定優勢。D管型在傳熱性能方面有一定優勢。本研究對凝汽器各管型結構的進一步優化具有一定指導意義。