蒸汽通道寬度對(duì)凝汽器優(yōu)化布管的影響

張 莉,楊蔣文,程 器,王富華,宋建濤

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

蒸汽通道寬度對(duì)凝汽器優(yōu)化布管的影響

張 莉,楊蔣文,程 器,王富華,宋建濤

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

以某凝汽器為研究對(duì)象,數(shù)值模擬其殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)情況,研究了凝汽器留有的蒸汽通道寬度對(duì)凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)以及凝汽器壓力的影響.凝汽器蒸汽通道寬度的設(shè)置應(yīng)以使得其內(nèi)的蒸汽流速適中為宜,流速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致蒸汽流動(dòng)的不均勻性,增大汽阻；過(guò)小會(huì)使得蒸汽在管束區(qū)內(nèi)的流動(dòng)偏低,降低換熱效果.

凝汽器；蒸汽通道；優(yōu)化布管

電站凝汽器是火電廠汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的重要組成部分,其工作性能的好壞決定了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性.［1-2］冷卻水管作為凝汽器中最主要的部件,其布置形式對(duì)整個(gè)凝汽器的傳熱性能至關(guān)重要,因此有必要從每個(gè)細(xì)節(jié)上研究管束布置對(duì)凝汽器換熱性能的影響.

從凝汽器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)看,任何一個(gè)凝汽器的管束形式都是沿蒸汽流動(dòng)方向多層布置的,管子層數(shù)有時(shí)多達(dá)近百層,因此需要設(shè)置蒸汽通道,將汽輪機(jī)低壓缸排汽引導(dǎo)到凝汽器下部的管束.從流動(dòng)分析角度來(lái)說(shuō),若凝汽器殼體內(nèi)的蒸汽通道過(guò)于狹窄,則蒸汽速度相對(duì)較高,這時(shí)會(huì)增加凝汽器的汽阻,抬高凝汽器壓力,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起管束激震；若蒸汽通道過(guò)寬,則通道內(nèi)蒸汽速度會(huì)相對(duì)較低,使得蒸汽進(jìn)入冷卻管束的速度也較低,從而減小了冷卻管的換熱效果,降低了凝汽器的性能.在以往的凝汽器設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員會(huì)考慮殼體寬度、管束形式以及冷卻管的實(shí)際布置情況等方面的因素,按照工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),通過(guò)估算來(lái)調(diào)整蒸汽通道的寬度.現(xiàn)在,隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,模擬凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)、傳熱現(xiàn)象完全成為可能.

本文以某凝汽器為研究對(duì)象,數(shù)值模擬其殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)情況,通過(guò)對(duì)同一凝汽器管束設(shè)置不同的殼體寬度來(lái)改變凝汽器內(nèi)部蒸汽通道的寬度,研究不同蒸汽通道寬度時(shí)凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)情況,以及對(duì)凝汽器壓力的影響,以期為凝汽器工程設(shè)計(jì)人員在凝汽器管束優(yōu)化布置工作階段提供有益的參考.

1 數(shù)值計(jì)算方法

凝汽器殼側(cè)的蒸汽流動(dòng)、換熱現(xiàn)象較為復(fù)雜,它是發(fā)生在冷卻管管束間的蒸汽和不凝氣體兩組分介質(zhì)的凝結(jié)換熱的三維流動(dòng)過(guò)程.為了數(shù)值模擬這一復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱現(xiàn)象,需要對(duì)其進(jìn)行合理的假設(shè),然后建立相應(yīng)的控制方程.［3-5］根據(jù)研究?jī)?nèi)容的需要,本文將凝汽器殼側(cè)的蒸汽流動(dòng)、換熱現(xiàn)象簡(jiǎn)化為蒸汽和空氣的雙組分混合物在冷卻管束這一多孔介質(zhì)中的單相二維定常流動(dòng)過(guò)程,其中流體流過(guò)管束的凝結(jié)和阻力分別用分布質(zhì)量匯和分布阻力模擬.

由此,在直角坐標(biāo)系下,描述凝汽器殼側(cè)流動(dòng)的方程可統(tǒng)一描述為：

式中：β——蒸汽流經(jīng)區(qū)域的多孔率.

式(1)中φ分別取數(shù)值為1,u,v,k,ε或空氣濃度q時(shí),方程分別表示混合物的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流模型以及空氣濃度方程.

在控制方程的數(shù)值計(jì)算過(guò)程中,還需補(bǔ)充一些必要的關(guān)系式,如多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的分布阻力關(guān)系式、冷卻管內(nèi)外表面換熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式以及局部傳熱量計(jì)算式等,以保證方程的封閉性.此外,隨著混合物的凝結(jié),混合物組分也在改變,組成混合物的空氣和蒸汽的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化,由此還補(bǔ)充了計(jì)算蒸汽和空氣若干物理性質(zhì)(如密度、黏度、質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)等)隨狀態(tài)而變的計(jì)算式.本文作者所在的課題組曾經(jīng)就凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)、傳熱數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)做過(guò)大量工作,鑒于本文的凝汽器數(shù)值計(jì)算中涉及的這些內(nèi)容與之前的工作［5］無(wú)異,故在此不再贅述.

2 研究對(duì)象簡(jiǎn)介及計(jì)算分析

2.1 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

本文選定某300 MW機(jī)組的凝汽器為研究對(duì)象,該凝汽器為雙流程、單背壓凝汽器,凝汽器殼體內(nèi)布置有兩個(gè)管束模塊.圖1為該凝汽器的管束示意圖.表1為該凝汽器在額定工況下的基本參數(shù).

圖1 某300 MW機(jī)組凝汽器管束示意

表1 凝汽器額定工況基本參數(shù)

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

由于凝汽器殼側(cè)管束模塊的對(duì)稱性,計(jì)算時(shí)可取凝汽器的一半?yún)^(qū)域進(jìn)行計(jì)算,以減少網(wǎng)格的數(shù)目.本文選取了該凝汽器的左半部分進(jìn)行計(jì)算.

對(duì)所選定的凝汽器在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算時(shí)的邊界條件基于該凝汽器的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置.

(1)入口邊界 凝汽器入口為入口邊界,設(shè)為質(zhì)量流量邊界條件,由設(shè)計(jì)工況的蒸汽負(fù)荷數(shù)據(jù)折算得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量流量；假定該凝汽器的真空嚴(yán)密性為優(yōu)秀,據(jù)此在入口處設(shè)置混合物的空氣濃度.

(2)出口邊界 凝汽器出口(即抽氣器入口)為出口邊界,設(shè)為壓力邊界條件,同時(shí)假定凝汽器的未凝結(jié)氣體在此邊界全部被下游的抽氣設(shè)備抽走.為了在相同條件下進(jìn)行分析比較,本文的所有計(jì)算均將出口壓力設(shè)為4 600 Pa.

(3)固體壁面邊界 凝汽器殼體壁面及空冷區(qū)罩板為固體壁面邊界,設(shè)置為絕熱、無(wú)滑移的壁面邊界條件.

(4)對(duì)稱邊界 凝汽器左、右兩半?yún)^(qū)域的對(duì)稱線為對(duì)稱邊界,故將本文計(jì)算區(qū)域的右邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件.

2.3 凝汽器殼側(cè)流動(dòng)分析

應(yīng)用上述的數(shù)值模擬方法,經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了凝汽器殼側(cè)蒸汽-空氣混合物流動(dòng)、換熱現(xiàn)象的速度、壓力、空氣濃度、傳熱系數(shù)、凝結(jié)率等熱力參數(shù)的分布情況,基于這些計(jì)算結(jié)果便可以進(jìn)行深入的討論和分析.圖2為部分參數(shù)分布的計(jì)算結(jié)果.

圖2 某300 MW機(jī)組凝汽器殼側(cè)蒸汽參數(shù)分布的計(jì)算結(jié)果

由圖2可知,由凝汽器喉部流入凝汽器的蒸汽-空氣混合物有一部分直接進(jìn)入管束模塊的上部管束,剩余部分則以較高的流動(dòng)速度沿著近殼壁的、管束間的和管束模塊間的3個(gè)豎直蒸汽通道流往中下部管束的外圍各處,沿途不同程度地流進(jìn)管束區(qū).隨著蒸汽從管束的外圍逐步深入至管束內(nèi)部,蒸汽逐漸被凝結(jié),速度和壓力也逐漸降低,空氣濃度也隨之逐漸升高.最后,主凝結(jié)區(qū)未凝結(jié)的蒸汽和空氣匯集到空冷區(qū)的入口,然后再次進(jìn)入空冷區(qū)被冷卻水冷凝和冷卻,空氣濃度得到進(jìn)一步提升.通過(guò)圖2還可以看出,該凝汽器的蒸汽通道起到了較好的蒸汽引流作用,整個(gè)管束區(qū)的負(fù)荷分配較為均勻,凝汽器管束設(shè)計(jì)較為合理.但同時(shí)還應(yīng)注意到,在速度矢量圖中,中間蒸汽通道內(nèi)蒸汽的下沖力度偏大,局部區(qū)域速度甚至高達(dá)120 m/s,由此也造成左下角存在一個(gè)低速漩渦區(qū),表明該凝汽器殼側(cè)蒸汽流場(chǎng)還存在一定的不合理性,蒸汽流場(chǎng)還有優(yōu)化空間.

3 不同凝汽器殼體寬度的比較

在對(duì)原凝汽器殼側(cè)蒸汽流動(dòng)分析的基礎(chǔ)上,保持其他條件不變而只改變凝汽器殼體的寬度,進(jìn)一步分析蒸汽通道內(nèi)蒸汽流速的大小對(duì)蒸汽凝結(jié)和凝汽器壓力的影響.將凝汽器殼體寬度分別改為原來(lái)寬度的0.9倍、1.1倍、1.2倍,然后分別對(duì)這3種不同殼體寬度的凝汽器進(jìn)行模擬.圖3至圖5分別給出了它們?cè)谕瑯庸r下的殼側(cè)蒸汽熱力參數(shù)的分布圖.

由圖3的速度矢量圖可以看出,當(dāng)殼體寬度減小至0.9倍時(shí),由于中間蒸汽通道寬度減小,其內(nèi)蒸汽的下沖力度更大,蒸汽在凝汽器底部的竄流區(qū)域朝著殼體壁面?zhèn)扔兴鶖U(kuò)大,造成管束區(qū)蒸汽負(fù)荷明顯不均勻,對(duì)應(yīng)的壓力分布圖也顯示出由于流動(dòng)不均勻性所導(dǎo)致的管束區(qū)上方凝汽器壓力的抬高.而當(dāng)殼體寬度增大至1.1倍時(shí),則圖4的計(jì)算結(jié)果顯示,蒸汽通道內(nèi)蒸汽流速減小,尤其是中間蒸汽通道流速的降低對(duì)凝汽器底部蒸汽的竄流有一定的改善,提高了蒸汽在管束區(qū)內(nèi)流動(dòng)的均勻性,這不僅減小了流動(dòng)汽阻,而且從凝汽器出口空氣濃度的提高也可以看出蒸汽凝結(jié)量的提高,相應(yīng)的凝汽器壓力也有所下降.當(dāng)殼體寬度增大至1.2倍時(shí),盡管蒸汽流動(dòng)的均勻性又有小幅提高,但出口空氣濃度的提高和凝汽器壓力的降低的幅度不大,這表明繼續(xù)加寬蒸汽通道寬度未必能收到更好的凝汽器壓力降低效果.這可能是因?yàn)楫?dāng)蒸汽通道中的蒸汽速度低至一定程度時(shí),進(jìn)入管束區(qū)的蒸汽流速較小,減小了蒸汽與冷卻管的傳熱效果,反而不利于蒸汽的凝結(jié).本文的計(jì)算表明當(dāng)蒸汽通道的寬度使得蒸汽速度為70～80 m/s時(shí)為宜.

圖3 0.9倍殼體寬度時(shí)殼側(cè)蒸汽參數(shù)分布的計(jì)算結(jié)果

圖4 1.1倍殼體寬度時(shí)殼側(cè)蒸汽參數(shù)分布的計(jì)算結(jié)果

圖5 1.2倍殼體寬度時(shí)殼側(cè)蒸汽參數(shù)分布的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)凝汽器管束布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作可以使凝汽器獲得更好的換熱效果,隨著凝汽器布管技術(shù)的發(fā)展,有必要從各個(gè)細(xì)節(jié)討論凝汽器的管束布置.

(2)對(duì)同一凝汽器管束設(shè)置不同的殼體寬度,則凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)情況不同,且對(duì)凝汽器壓力的影響也不同.

(3)凝汽器蒸汽通道寬度的設(shè)置應(yīng)以使得其內(nèi)的蒸汽流速適中為宜,流速過(guò)大會(huì)導(dǎo)致蒸汽流動(dòng)的不均勻性,增大汽阻；過(guò)小會(huì)使得蒸汽在管束區(qū)內(nèi)的流動(dòng)速度偏低,降低換熱效果.

(4)對(duì)于本文的研究對(duì)象來(lái)說(shuō),蒸汽在通道內(nèi)的流速以80 m/s為宜.

(5)凝汽器工程設(shè)計(jì)人員在凝汽器管束優(yōu)化布置工作階段應(yīng)預(yù)先采用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)凝汽器蒸汽通道寬度進(jìn)行優(yōu)化,以有助于提高凝汽器性能.

［1］楊善讓.汽輪機(jī)凝汽設(shè)備及運(yùn)行管理［M］.北京：水利電力出版社,1993：1.

［2］張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1993：1-2.

［3］俞茂錚,姚秀平,汪國(guó)山,等.大功率汽輪機(jī)凝汽器汽相流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值分析［J］.動(dòng)力工程,1995,15(6)：42-48.

［4］汪國(guó)山.電站凝汽器熱力性能數(shù)值仿真及其應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社,2010：16-21.

［5］王思平.污垢對(duì)凝汽器及汽輪機(jī)組性能影響的數(shù)值分析［D］.上海：上海電力學(xué)院,2013.

(編輯 白林雪)

Influence of Steam W idth upon Optim ization of Pipe Layout in Condensers

ZHANG Li,YANG Jiangwen,CHENG Qi,WANG Fuhua,SONG Jiantao
(School of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)

A condenser is chosen as the research object to simulate the steam flow in the shell side.The effect of thew idth of steam channel to the steam flow and the condenser pressure is studied.The w idth of steam channel should be set so that the steam flow rate ismoderate.If the steam channel is too narrow,itw ill increase the steam resistance.If the steam channel is too w ide,itw ill make the steam in the pipe bundle flow w ith low velocity and reduce the heat transfer effect.

condenser；steam channel；optimization of pipe layout

TK264.11

A

1006-4729(2015)05-0404-05

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.05.002

2015-03-23

張莉(1973-),女,博士,教授,河南商丘人.主要研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備的流動(dòng),傳熱分析. E-mail：mm lzhang@163.com.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)專項(xiàng)項(xiàng)目(11DZ2210500,12DZ2280300).