凝汽器管束的數(shù)值模似計算及評價方法

劉克為，趙起超，趙云云

(1. 哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2. 中國航空油料有限責任公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱150036)

0　概　述

凝汽器性能與殼側(cè)蒸汽的流動及換熱狀態(tài)有著密切的關(guān)系，管束布置方案的確定，是整個凝汽器設(shè)計的核心。利用Star-CD計算機軟件并結(jié)合自定義子程序，對某型凝汽器管束內(nèi)介質(zhì)的流動狀態(tài)進行了數(shù)值模擬。依據(jù)定壓力評價法或定凝結(jié)量評價法，對該凝汽器的殼側(cè)流場進行分析和總結(jié)，同時，給出這2種評價方法的優(yōu)劣性及可操作性。

1　評判方法及分類

評判凝汽器管束性能的方法有兩大類，可分為試驗法和數(shù)值模擬計算法。試驗法又分為水模型試驗法和全尺寸實驗法。在凝汽器管束水模型的試驗中，是利用氣體流動和水在開式槽道中流動相似的原理，分析管束中汽氣混合物的流動與部分凝結(jié)模擬成水繞流在特制管束模型和部分水從管束模型中漏流狀態(tài)，從而確定管束中汽氣混合物的流型、流向及流動強弱程度，利用數(shù)值定量確定管束的性能。全尺寸實驗?zāi)軌蛘鎸嵉胤从衬鲀?nèi)部的流動狀態(tài)與傳熱特性，但耗資很大，因此該方法的應(yīng)用受到一定限制。凝汽器的殼側(cè)數(shù)值模擬，則是借助計算機工具，通過簡化凝汽器殼側(cè)蒸汽在多孔介質(zhì)中的流動，建立混合物的連續(xù)性方程、動量方程、空氣濃度組分方程等，根據(jù)輸入的邊界條件數(shù)值，模擬凝汽器的殼側(cè)流動及傳熱的具體狀態(tài)，從而在計算數(shù)值上判斷凝汽器管束的性能。

在判別方法中，試驗方法較為直觀和準確，但造價高，耗時長。在數(shù)值模似的判別方法中，雖然設(shè)定了許多假設(shè)，但通過經(jīng)驗積累，數(shù)值模擬方法的發(fā)展已經(jīng)很成熟，而且數(shù)值模擬判別方法的費用低、且快速。因此，管束數(shù)值模擬的判別方法，已成為判斷管束設(shè)計方案優(yōu)劣的重要手段。

2　數(shù)值方法及評價方法

2.1　數(shù)值方法

現(xiàn)將凝汽器殼側(cè)多相、多組分流體的復雜流動狀態(tài)，簡化為蒸汽和空氣混合氣體在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的二維穩(wěn)態(tài)流動，同時，還簡化了傳熱傳質(zhì)過程。應(yīng)用Star-CD軟件建立數(shù)值模型，并結(jié)合自定義子程序，計算凝汽器的殼側(cè)流場。在計算過程中，采用K-ε湍流模型，設(shè)定邊界條件的入口速度及出口壓力，通過simple算法進行計算求解。在計算結(jié)果中，有參數(shù)的流場分布圖、壓力分布圖、傳熱系數(shù)分布圖、空氣分布圖、凝結(jié)率分布圖。

2.2　評價方法

通常判別凝汽器管束設(shè)計方案的合理性，主要表現(xiàn)在蒸汽混合物流動順暢、空氣集聚位置、蒸汽凝結(jié)量、混合物壓力降等參數(shù)上，這些參數(shù)相互影響，相互制約，其中混合物壓降和蒸汽凝結(jié)量是標量參數(shù)。依據(jù)計算所得的參數(shù)，確立了定壓力評價方法和定凝結(jié)量評價方法。

(1)定壓力評價法

定壓力評價法是固定了凝汽器蒸汽入口處壓力進行分析。在利用Star-CD軟件計算時，設(shè)定的壓力出口邊界初始值是估算值，當計算值收斂后，提取蒸汽入口處的壓力值，若入口壓力與設(shè)計壓力不符合，則重新調(diào)節(jié)壓力出口的設(shè)定值。通過不斷地計算，使凝汽器的入口壓力值符合設(shè)計值，因此，用此方法需反復試算。對于Star-CD軟件的計算而言，試算的工作量并不大，因為在壓力出口初始值估算時，就需要用設(shè)計壓力值減去壓降，而壓降是估算的。在計算過程中，只要數(shù)值模型的計算值有收斂的趨勢，就可實時觀察蒸汽入口壓力值的變化。當蒸汽入口壓力值穩(wěn)定后，就可分析該壓力值與設(shè)計值的差別，無需讓模型計算的精度達到要求，就可暫定壓力出口的估算值。通過不斷的觀察并計算，直至蒸汽入口壓力值與設(shè)計值一致。因此，實施Star-CD軟件的定壓力評價法是可行。

采用定壓力評價法，可得到凝汽器在設(shè)計壓力下的蒸汽凝結(jié)量參數(shù)。在評定中可知，該模型的蒸汽凝結(jié)量大、壓力損失小。由模擬計算得知，將空氣聚集在空冷區(qū)的凝汽器管束設(shè)計方案更為合理。

(2) 定凝結(jié)量評價法

定凝結(jié)量評價方法是固定了蒸汽凝結(jié)量進行分析，即根據(jù)設(shè)計標準，確定了蒸汽凝結(jié)量，通過不斷調(diào)整出口壓力的設(shè)定參數(shù)，使模型計算的蒸汽凝結(jié)量與標準值相符。此評價方法也需不斷地試算，而且每次計算都需要模型的計算值不斷收斂，且出口壓力值與凝結(jié)量無直接的函數(shù)關(guān)系。對于設(shè)定值，無法根據(jù)理論進行估算。因為定凝結(jié)量評價方法需進行大量的試算，所以該方法的實施有一定的難度。

定凝結(jié)量評價方法是考核凝汽器入口的壓力值，即考核了凝汽器的背壓值，采用這種評價方法，對于背壓較低的凝汽器管束設(shè)計方案更為合理。

綜合分析定壓力評價法及定凝結(jié)量評價法的差別，雖然都需要試算，但評價點不同，可操作性也不同。定壓力評價法的壓力初始值是可以估計的，可以根據(jù)理論知識和經(jīng)驗值確定每次試算的方向，而對于定凝結(jié)量評價法，壓力與凝結(jié)量無直接函數(shù)關(guān)系，只能根據(jù)經(jīng)驗，確定每次試算值的差別。因此，壓力評價法的可實施性更強。

3　定壓力評價法的應(yīng)用

3.1　應(yīng)用對象

以某機組凝汽器的設(shè)計方案為例，在設(shè)計時，有2種相似的管束布管結(jié)構(gòu)，但凝汽器的循環(huán)水參數(shù)、蒸汽參數(shù)、冷卻管根數(shù)及長度均相同。2種相似管束的布管結(jié)構(gòu)，分別如圖1中a、b所示。現(xiàn)利用Star-CD計算軟件，并在采用自定義程序的基礎(chǔ)上，利用定壓力評價法，對2種相似管束布管結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣進行評判。

3.2　計算結(jié)果及分析

該凝汽器內(nèi)的流場分布圖，如圖2所示。從圖2可知，在低壓加熱器殼體附近，蒸汽已形成典型的繞流脫體現(xiàn)象，分離點附近的流速較大 (通流面積減小 )， 在前滯止點附近和尾跡區(qū)的流速較小，

(a)　　　　　　　　　　(b)

圖12種管束的區(qū)布置圖

(a)　　　　　　　　　　 (b)

圖2凝汽器內(nèi)的流場分布圖

在尾跡區(qū)產(chǎn)生了較小的漩渦。由于管束區(qū)分布阻力的存在，所以管束區(qū)的流速較小。從圖2(a)中可知，凝汽器中間通道內(nèi)蒸汽的流速較高，約為105.3 m/s。管束區(qū)的流場分布幾乎對稱，在靠壁面通道和中間通道內(nèi)均有蒸汽到達。隨后，蒸汽進入下部管束區(qū)換熱后凝結(jié)。在圖2(b)的結(jié)構(gòu)中，流體在管束區(qū)上部形成了立式橢圓形，而管束區(qū)兩側(cè)的蒸汽通道較寬，靠近中心處的蒸汽流量比圖2(a)中顯示的流量要大。

凝汽器管束區(qū)的速度矢量圖，如圖3所示。在圖3(a)中可知，因擋板位置靠近管束下部的第一排冷卻管，所以，上部管束區(qū)內(nèi)蒸汽流量較大，下部的蒸汽流量較小，以致上部空冷區(qū)的蒸汽流量相對較多。由圖3(b)中可知，檔板位于管束上下部的中間位置，所以在管束的下部區(qū)域內(nèi)充滿了蒸汽，在空冷區(qū)的蒸汽仍具有一定的速度(從傳熱系數(shù)分布圖及凝結(jié)率分布圖分析，仍可知空冷區(qū)內(nèi)的蒸汽量相對較多)。對比2種流場的分布狀態(tài)可知，在圖3(a)所示結(jié)構(gòu)中，管束中間通道處的蒸汽流量較少，以至使到達液面的蒸汽量較少，在下部管束外圍的蒸汽最低流速，約為7 m/s，而在圖3(b)所示結(jié)構(gòu)中，下部管束完全被蒸汽包圍，最低蒸汽流速約為20 m/s。

(a)　　　　　　　　　　　　 (b)

圖3管束區(qū)速度矢量圖

凝汽器內(nèi)的壓力分布圖，如圖4所示。考慮到汽輪機排汽壓力和蒸汽在凝汽器喉部及上部的壓力損失，因此，需不斷調(diào)整參數(shù)，使模型中蒸汽進口的壓力值符合設(shè)計要求。為此，采用了定壓力評價法。從圖4可知，在低壓加熱器殼體前滯止點附近、以及在管束區(qū)入口處的壓力最大，由于在這些區(qū)域突遇阻礙物，蒸汽的流速迅速減小，壓力增大。同理，在管束區(qū)前端的壓力梯度最大。由圖4(b)可知，壓力最低的位置集中在空冷區(qū)。經(jīng)計算，在圖4(a)中的壓降，為377 Pa(蒸汽入口壓力與出口壓力的差值)。在圖4(b)中的壓降，為289 Pa。

(a)(b)

圖4壓力分布圖

管束區(qū)的總傳熱系數(shù)分布圖，如圖5所示。經(jīng)計算，總平均傳熱系數(shù)的差別較小，分別為2 709 W/(m2·K)、2 764 W/(m2·K)。

管束區(qū)的蒸汽凝結(jié)量分布圖，如圖6所示。從圖6中可知，凝結(jié)率的分布與壓力分布、速度矢量的分布是一致的，在空冷區(qū)附近的蒸汽流速和壓力較低、傳熱系數(shù)小、蒸汽凝結(jié)率低。經(jīng)計算，在圖6(a)的結(jié)構(gòu)中，蒸汽的平均凝結(jié)率為0.945 kg/(s·m3)。在圖6(b)結(jié)構(gòu)中，蒸汽的平均凝結(jié)率為0.968 kg/(s·m3)。計算結(jié)果中的參數(shù)對比，如表1所示。

(a) (b)

(注：實際傳熱系數(shù)值=圖中傳熱系數(shù)值×10 000)

圖5管束區(qū)的總傳熱系數(shù)分布圖

(a) (b)

(注：實際凝結(jié)量值=圖中凝結(jié)量值×1000)

圖6凝結(jié)率分布圖

表1計算結(jié)果中的參數(shù)對比

管束類型圖6(a)結(jié)構(gòu)圖6(b)結(jié)構(gòu)入口平均靜壓/Pa52015201出口平均靜壓/Pa48114912靜壓損失/Pa390289總傳熱系數(shù)/(W·(m2·K)-1)27092764蒸汽凝結(jié)率/%97.2399.80

基于Star-CD計算軟件，對2種管束的布管類型，采用壓力評價法進行評價，發(fā)現(xiàn)在凝汽器管束(b)布管方式中，管束的壓降、傳熱系數(shù)、凝結(jié)量等均要高優(yōu)于管束(a)方式，同時，在布管方式(b)的結(jié)構(gòu)中，蒸汽的未凝結(jié)量符合設(shè)計標準。因此，對于該凝汽器的設(shè)計方案，宜采用(b)方式的布管方案，才能使凝汽器的性能較佳。

4　結(jié)　語

在Star-CD計算軟件的基礎(chǔ)上，通過對凝汽器管束數(shù)值模擬的評價方法及可實施性分析，論述了凝汽器管束數(shù)值模擬計算的評價方法。在使用數(shù)值模擬凝汽器殼側(cè)流動時，較易設(shè)定蒸汽的進口速度及壓力出口的邊界條件，所以，定壓力評價法的可實施性較高。通過實例分析，認為定壓力評價法比較符合設(shè)計理念，而且是可在工程中實際運用的評價方法。

參考文獻：

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