董建華，武 君，董愛華

（ 1.哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150090;2.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

0 引 言

在現(xiàn)代大型電站凝汽式汽輪機組的熱力循環(huán)中，凝汽器設備起著冷源的作用，其設計、制造和工作性能將直接影響整個發(fā)電廠運行的安全性和經(jīng)濟性?，F(xiàn)代電站汽輪機一般配備雙流程型凝汽器，管束排列分為上、下兩部分，根據(jù)冷卻水進水主要有上進下出和下進上出兩種方式，近年來引進的歐美及日本機組多采用前者，而國產(chǎn)和前蘇聯(lián)的機組多采用后者［1－3］。

由于凝汽器的結構尺寸較大，殼側汽/水混合物的流動和凝結換熱現(xiàn)象復雜，目前國內(nèi)主要采用美國HEI標準進行設計。對于雙流程凝汽器，這種方法不能考慮冷卻水進水方式等因素的影響［4］。

文中采用東芝公司開發(fā)的二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬方法以及相應的自定義子程序，應用STAR－CD軟件分別針對3種不同管束布置類型的凝汽器產(chǎn)品進行計算和分析，綜合評估不同的冷卻水流徑對于凝汽器運行性能的影響［5］。

1 物理模型

文中選擇N313(AT型)、N－324(向心型)以及N－341(帽型)3種管束布置類型的雙流程凝汽器進行數(shù)值分析，物理模型包括凝汽器的蒸汽進口、喉部、管束區(qū)、空冷區(qū)、抽氣口以及擋板和低加通道，忽略熱阱部分。管束布置詳如圖1～圖3所示，結構參數(shù)詳見表1。

圖1 AT型管束布置圖

圖2 向心型管束布置圖

圖3 帽形管束布置

表1 凝汽器管束主要參數(shù)

為了模擬凝汽器殼側蒸汽復雜的流動、換熱過程，文中選取垂直于凝汽器管束軸向的平面進行二維穩(wěn)態(tài)計算，不考慮冷卻水沿軸向的溫度變化。由于凝汽器整體布局具有對稱型，計算區(qū)域可以截取1/2。本次數(shù)值模擬進行以下的簡化和假設:

(1)采用多孔介質模型模擬管束區(qū)以及空冷區(qū)內(nèi)的蒸汽流動。

(2)假設不凝結氣體均由汽輪機的排汽帶入凝汽器，在整個凝結過程中絕對含量不變。

(3)假設殼側的蒸汽和空氣是一種均勻混合的理想氣體，具有相同的速度，其溫度等于蒸汽分壓力下的飽和溫度。

(4)忽略蒸汽凝結液體具有的動量以及占據(jù)的空間。

(5)忽略凝汽器與外界的熱交換。

通過以上簡化和假設，將殼側多相、多組分的復雜流場處理為蒸汽和空氣的混合氣體(理想氣體，蒸汽處于飽和狀態(tài))在具有分布阻力和分布質量匯的多孔介質中的二維穩(wěn)態(tài)流動。

2 數(shù)值模擬方法

文中應用商用CFD軟件STAR－CD進行建模、網(wǎng)格劃分、求解以及后處理。計算過程基于有限體積法，即通過積分將離散后的偏微分控制方程轉化為代數(shù)方程組進行迭代求解。同時，為了求解N－S時均方程，采用東芝公司開發(fā)編寫的STAR－CD用戶子程序補充所需的關系式。

2.1 網(wǎng)格劃分

文中針對1/2結構建立二維模型，采用四邊形網(wǎng)格進行計算。對于布置管束的主凝結區(qū)和空冷區(qū)，由于采用多孔介質模型，單元網(wǎng)格的尺寸固定為1/2節(jié)距(Px)×管束排間距(Py=Px·sin60°)，如圖4所示。對于其它區(qū)域，可以根據(jù)情況適當放大網(wǎng)格尺寸，以減少計算單元數(shù)量。

圖4 管束區(qū)網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 控制方程

在二維直角坐標系中，具有分布阻力和分布質量匯的混合氣體的流動和凝結換熱過程可以通過連續(xù)方程、動量方程以及空氣組分方程表示:

連續(xù)方程:

式中:u、v為混合氣體在x、y方向上的速度分量;ρ為混合氣體密度;ε為孔隙率，即控制體積內(nèi)流體空間與控制體積的比;Q為質量源項;Fu和Fv為單位體積流體在x、y方向上的流動阻力分量;μc為當量粘性系數(shù);Γ和Sq則分別代表擴散系數(shù)和源項。由于采用水蒸汽分壓力確定溫度，不需要求解能量方程。

2.3 補充關系式

2.3.1 混合氣體的密度

式中:ρa和ρs為分壓力下空氣和蒸汽的密度。

2.3.2 混合氣體的動力粘度

采用低壓氣體混合物粘度 Wilke［4］計算方法:

式中:ys和ya分別為蒸汽和空氣的質量分數(shù);μs和μa分別為蒸汽和空氣的動力粘度;Φ為系數(shù)。

2.3.3 分布阻力(動量源項)

計算表明分布阻力的設置對于整個流場的模擬結果影響很大，在凝汽器的研究中曾提出過不同的經(jīng)驗關系式，需根據(jù)試驗數(shù)據(jù)合理選擇。該子程序中應用的計算公式為:

式中:UP為當?shù)亓魉?ξu、ξv分別為管束區(qū)內(nèi) x、y方向上壓力損失系數(shù)。

2.3.4 蒸汽的凝結率(質量源項)

對于管束區(qū):Q為單位體積內(nèi)蒸汽凝結率。

式中:L為蒸汽潛熱;V為控制體積;Aa為熱交換面積;Δtm為蒸汽與冷卻水間的溫差;K為總傳熱系數(shù)。

2.4 湍流方程

文中的數(shù)值模擬采用渦粘模型，選擇典型的兩方程k－epsilon湍流模型封閉方程。

3 計算結果分析

通過SIMPLE算法針對3種不同管束布置的凝汽器結構進行求解，模擬相同運行工況下上進下出和下進上出兩種不同進水方式時凝汽器的運行情況，用以評估兩種流徑設計對于凝汽器性能的影響。各型號凝汽器的運行參數(shù)詳見表2。

表2 凝汽器運行參數(shù)

對于N－313型凝汽器，如圖所示，其空冷區(qū)布置在上部管束區(qū)中，不凝結氣體(空氣)均通過上部的抽氣口抽出。當流徑采用下進上出方式時，由于下部冷卻水溫度較低，更多的蒸汽將在下部管束區(qū)內(nèi)凝結。由于下部沒有布置抽氣口，凝聚的大量不凝結氣體無法順利的從上部抽氣口抽走，直接導致下部管束區(qū)內(nèi)空氣含量明顯增高，不僅嚴重影響了換熱效果，同時也增大了壓力損失。此時，凝汽器的平均傳熱系數(shù)為4451.3 w/(m·℃)，壓力損失達到497.9 Pa。改用上進下出方式后，上部冷卻水溫較低，大部分蒸汽將在上部管束區(qū)凝結，不凝結氣體也可以經(jīng)由抽氣口及時抽走，平均傳熱系數(shù)可以提高至4516.4 w/(m2·℃)，而壓力損失降至122.1 Pa。

對于N－341型凝汽器，如圖5所示，空冷區(qū)布置在下部管束區(qū)中，上部管束區(qū)凝結過程析出的不凝結氣體需要流經(jīng)下部管束區(qū)后才能由抽氣口排出，易于在上部管束區(qū)內(nèi)形成明顯的空氣阻塞區(qū)。這種管束布置不僅傳熱效果差，而且流動阻力大，殼側蒸汽流場分布不合理。但是相對而言，流徑采用下進上出方式時凝汽器的傳熱性能略優(yōu)于采用上進下出方式，傳熱系數(shù)高出3.4%，但是流動阻力增加了約1%。

圖5 N－341型凝汽器殼側空氣濃度分布

不同于以上兩種凝汽器結構，N－324型凝汽器在上、下部管束區(qū)內(nèi)均設置了單獨的空冷區(qū)，如圖4所示，不凝結氣體可以通過上、下兩個抽氣口分別排出。因此，無論采用哪種冷卻水流徑，對于凝汽器的運行性能影響均較小，平均傳熱系數(shù)相差不到1%。采用上進下出進水方式時，冷卻水由上部進入，汽水兩側的溫差較大，蒸汽的平均凝結量增大，這種流徑的平均凝結率比下進上出方式時的高2.6%。同時，由于大部分蒸汽在上部凝結，有效地減少了蒸汽的流經(jīng)長度，明顯降低了壓力損失(上進下出方式的壓力損失比下進上出方式的壓損降低了約240)。

綜上所述，可以得到以下結論:

(1)對于各種管束布置類型的雙流程凝汽器，當冷卻水采用上進下出方式時，凝汽器殼側的壓力損失較小，見表3。這主要是由于冷卻水由上部進入時，上部管束區(qū)內(nèi)的冷卻水溫度較低，大部分蒸汽將在這部分區(qū)域內(nèi)凝結，可以減小蒸汽的流經(jīng)長度，明顯降低了蒸汽的壓力損失。這一點與參考文獻［1］的結論是一致的。

表3 凝汽器殼側壓力損失

(2)對于不同管束布置形式的雙流程凝汽器，冷卻水流徑的影響也不盡相同。這主要是與空冷區(qū)的位置以及抽氣口的設計有關。例如，對于N－313型凝汽器，流徑采用上進下出方式時傳熱效果較好;而對于N－341型凝汽器，采用下進上出方式時具有更好的傳熱效果。分析可知，由于冷卻水一流程的換熱效率更高，將冷卻水一流程布置在空冷區(qū)和抽氣口所在的管束區(qū)內(nèi)，更有利于不凝結氣體的及時抽出，不僅凝汽器的熱效果更好，也避免了不凝結氣體的聚積阻塞。

4 結束語

根據(jù)以上3種類型凝汽器采用不同冷卻水流徑時的數(shù)值模擬結果，分析可以得到以下結論:

(1)冷卻水流徑采用上進下出形式可以有效降低凝汽器殼側蒸汽流動的壓力損失，有利于降低凝汽器的工作壓力，提高電廠運行性能。

(2)冷卻水的第一流程應布置在主要抽氣口所在的管束區(qū)，以防止空氣濃度過高造成阻塞區(qū)，不利于換熱。

［1］汪國山.冷卻水流徑對雙流程凝汽器熱力性能的影響［J］.汽輪機技術，2005，47(4).

［2］吳金卓，馬 琳，林文樹.生物質發(fā)電技術和經(jīng)濟性研究綜述［J］.森林工程，2012，28(5):102 －106.

［3］張卓澄.大型電站凝汽器［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1993.

［4］姜 利，張麗娜.熱棒位置與熱棒效果關系的研究關［J］.森林工程，2014，30(1):117 －119.

［5］余茂錚，姚秀平，汪國山，等.大功率汽輪機凝汽器汽相流動與傳熱特性的數(shù)值分析［J］.動力工程，1995，15(6):42 －48.