高良軍， 姜曉霞

（1.哈電股份中央研究院，哈爾濱 150028;2.哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱 150090）

凝汽器[1]水室是凝汽器非常重要的一個結(jié)構(gòu)，其承擔(dān)著冷卻水的流通循環(huán)作用。凝結(jié)水在進入水室之后進入到管束中，將管外的汽輪機[2]排汽冷卻到設(shè)計溫度。水室結(jié)構(gòu)合理可以對進入到水室的冷卻水起到很好的導(dǎo)流作用，提升凝汽器的運行性能。目前針對越來越嚴峻的市場形勢，設(shè)備性能的優(yōu)化成為提升設(shè)備競爭力的主要手段,隨著機組容量的不斷增大，凝汽器水室的設(shè)計要求也越來越高。更大流量、更大容積的水室，保證水室結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上如何保證流動效率成了設(shè)計關(guān)鍵問題。本文針對傳統(tǒng)凝汽器水室形式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，旨在提升設(shè)備性能，增強市場競爭力。

1 方案概述

針對凝汽器我公司原始結(jié)構(gòu)采用的是平頂設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，工藝要求不高，制造加工較簡單。但是隨著設(shè)備性能要求越來越高，凝汽器水室流線控制也成為重要的設(shè)計參數(shù)之一。

針對某項目機組容量要求，凝汽器結(jié)構(gòu)龐大，水室也較大。傳統(tǒng)的平頂結(jié)構(gòu)對材料較為浪費。為了增加設(shè)備的經(jīng)濟性，優(yōu)化水室內(nèi)部流場。設(shè)計人員為某大容量凝汽器進行了水室方案優(yōu)化設(shè)計，在傳統(tǒng)的方形頂部設(shè)計基礎(chǔ)上，設(shè)計人員進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將水室背板的傾斜角度由4.5°增大到12°，并且將頂板由平板改為圓弧板，如圖1所示。

從結(jié)構(gòu)上看，優(yōu)化后的水室結(jié)構(gòu)緊湊，耗費材料較優(yōu)化之前減少，經(jīng)濟性較好。而從加強上看，優(yōu)化后水室采用肋板加強結(jié)構(gòu)，保證了水室強度要求。本文針對傳統(tǒng)設(shè)計方案以及優(yōu)化設(shè)計方案對兩種水室進行了流場模擬分析。水室的流場分析，根據(jù)水室對應(yīng)的管束形式，采用全三維模擬計算，進行流動性能分析。

分析具體過程為：1）建模。使用Unigraphics NX[3]建立水室計算的三維模型，兩種結(jié)構(gòu)分別建立三維模型。2）網(wǎng)格繪制。將三維模型導(dǎo)入ANSYS ICEM中繪制計算網(wǎng)格[4]，采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。3）計算。網(wǎng)格繪制完成后，使用CFX進行計算，計算收斂后保存計算結(jié)果。4）結(jié)果分析。采用CFX進行結(jié)果處理分析[5]。

分析兩種水室的結(jié)構(gòu)合理性以及工藝加工合理性[6]。為優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)，提升凝汽器運行性能提供技術(shù)支撐。

圖1 優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)

2 水室建模

某凝汽器水室設(shè)計方案的水室結(jié)構(gòu)采用UG建模。凝汽器水室存在較多的支撐結(jié)構(gòu)，尤其是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有較復(fù)雜的頂部型線。因此采用三維造型方便快捷的UG軟件對實體進行建模。由于流場分析時計算的是整個流動空間的狀態(tài)，因此建模時保留流動空間。

某大型凝汽器水室入口為循環(huán)水管道接口，出口應(yīng)為內(nèi)部換熱管，換熱管為“山形”布管形式[7]。但是實際某大型凝汽器設(shè)備每個腔室內(nèi)共有萬余根換熱管，如果全部按照真實尺寸構(gòu)造不僅建模極其困難，而且網(wǎng)格劃分也不現(xiàn)實。就算采用服務(wù)器并聯(lián)也無法達到網(wǎng)格劃分的內(nèi)存要求，因此需要對模型結(jié)構(gòu)進行簡化處理[8]。為了達到大型設(shè)備的分析設(shè)計目的，采用等效模型簡化，可以保證整個分析過程的可行性，以及分析結(jié)果的可靠性。針對某大型凝汽器等效模型簡化的目的是減少計算量，保證網(wǎng)格劃分以及計算量在計算機承受的范圍之內(nèi)。簡化的方法是減少換熱管的數(shù)量，保證流通面積比例的一致性，即增大每根管的直徑。簡化模型采用等效簡化方法，保證了模擬結(jié)果與真實結(jié)果的合理統(tǒng)一，具有實際的指導(dǎo)意義。

根據(jù)實際計算條件，在保證結(jié)果的前提下，最后將凝汽器水室后管束減少，形狀保持原布置形狀，水室流動空間也進行了相應(yīng)的等效簡化，保證了尺寸比例的統(tǒng)一性。通過模型等效簡化，解決了某大型凝汽器分析過程中節(jié)點和單元數(shù)過于龐大問題，節(jié)省了建模和計算時間，提高了分析效率。

3 計算模型

采用ICEM對兩種水室結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上。ICEM對網(wǎng)格劃分非常便利，可以在網(wǎng)格劃分的同時修正實體建模時的一些接觸面的連貫性，保證計算網(wǎng)格的質(zhì)量[9]。在引入UG模型后，由于入口口徑較大，在ICEM的操作環(huán)境下，增加進口流道長度，保證計算中入口的回流比例，保證計算的收斂性[10]。

網(wǎng)格劃分時首先進行較粗網(wǎng)格劃分，修正結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性，保證整體結(jié)構(gòu)的正確性，無斷點。粗網(wǎng)格劃分成功后，細化局部網(wǎng)格，對水室進口以及換熱管部位進行網(wǎng)格細化，保證局部網(wǎng)格質(zhì)量。劃分完后進行初步計算，計算收斂后，再進行網(wǎng)格細化，對整體和局部網(wǎng)格進行加密，加密后進行計算。將兩次結(jié)果進行對比，驗證網(wǎng)格無關(guān)性。保證了網(wǎng)格無關(guān)性后，采用較少網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格進行最終的細化計算。

計算時模擬采用κ－ε模型[11]，考慮重力的影響，流動介質(zhì)材料為水。在進行模擬時，每一組進口給定總溫總壓條件，總壓為0.5 MPa，總溫為20.8℃，出口邊界條件為循環(huán)水流量出口，流量G=13 956 kg/s。假定為外壁絕熱，對兩種網(wǎng)格進行了多次試算，保證了收斂特性[12]。

4 結(jié)果分析

4.1 流場分布

考慮重力加速度以及考慮黏性損失的情況下，計算水室流場分布[13]，流場分布如圖2～圖3所示。從圖中可以看出原始結(jié)構(gòu)的上部由于平頂設(shè)計，冷卻水進入到水室后，由于有換熱管結(jié)構(gòu)的存在，水流有流出引導(dǎo)作用，進水會向換熱管的方向靠近，導(dǎo)致平頂在主流線以外有較大的空隙，水流在這部分空間形成流動旋渦。一方面這樣的流動導(dǎo)致了流動空間中有一部分滯留流體，造成對主流的影響。另一方面這部分空間沒有參與流動導(dǎo)向作用，造成空間的浪費。

反觀12°傾角模型，主流線以外幾乎沒有浪費的空間。水流進入腔室之后沿著一個統(tǒng)一的彎折方向靠近換熱管，換熱管的流動導(dǎo)向沿著主流線的方向。只在頂部傾角區(qū)域少量流動渦流。從流線可以明顯看出優(yōu)化的12°傾角模型，介質(zhì)流動更為合理。充分利用了水室的空間，節(jié)約材料又保證了流動導(dǎo)流，是合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

兩個模型流速的最大點都基本在進口位置。水室是個開放性的空間，水流進入之后進行分散流動，速度降低，所以這一流速最大點位置合理，分析結(jié)果可靠。

具體計算結(jié)果分析：1）原始水室結(jié)構(gòu)模型流場分布不均勻，水室上部存在較大空腔，流體流動過程中在空腔內(nèi)存在大尺度 漩 渦 ；2）優(yōu)化方案12°水室結(jié)構(gòu)模型內(nèi)流場分布均勻，流線的走向與模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)吻合，整個水室內(nèi)產(chǎn)生的渦流區(qū)域較小，水室流動性較好；3） 兩 種模型的流速最大位置都在接近進口位置區(qū)域。水室為腔室結(jié)構(gòu)，水流進入后進入較大空間，流速降低。

4.2 壓力損失

水室的另外一個重要的設(shè)計參數(shù)是水室的壓降。凝汽器的壓降直接影響著冷卻水泵功率的選擇。因此要求各部分盡可能地降低壓損。對優(yōu)化結(jié)構(gòu)及原始結(jié)構(gòu)兩個模型進行定量分析時，計算的水室的壓力損失計算結(jié)果如表1所示。

圖2 原始結(jié)構(gòu)凝汽器水室流線分布

圖3 優(yōu)化方案12°凝汽器水室流線

表1 水室的壓力損失計算結(jié)果 Pa

通過對比可知，原始結(jié)構(gòu)水室壓力損失最小，優(yōu)化12°結(jié)構(gòu)模型次之。這是由于原始結(jié)構(gòu)有較大的水室空間，以空間的浪費來降低水室流動的壓損。兩種水室結(jié)構(gòu)內(nèi)部都存在DN75的支撐管，支撐管的存在會對流體的流動造成影響，增大壓力損失。而原始結(jié)構(gòu)部分支撐管以及支撐管的部分有的并沒有主流介質(zhì)繞流，因此對整個主流的影響較小。而對于優(yōu)化12°結(jié)構(gòu)模型由于流動是布滿整個流動空間的，因此主流需要繞流每一根支撐管[15]，增加了整個流動的流動損失，造成壓力損失比原始結(jié)構(gòu)稍大。

1）原始結(jié)構(gòu)中有18根支撐管，從圖3流場分布圖可見，較少流體掠過水室上部支撐管，這也減少了支持管對流體的壓損，除上部空腔內(nèi)存在漩渦，支撐管處流場分布均勻；2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)12°模型中有13根支撐管，從圖4流場分布圖可見，下部支撐管處流場分布不均，存在一定的渦流現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過CFX流場計算得到了兩種水室結(jié)構(gòu)模型的流場分布及壓力損失情況，觀察水室內(nèi)部流場分布的情況，原始結(jié)構(gòu)上部存在較大的空腔，造成結(jié)構(gòu)的浪費，而優(yōu)化結(jié)構(gòu)12°模型可以較好地吻合流體的流向，流線分布均勻；而從壓力損失來看，原始水室結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐管的布置對流線的壓損最小。支撐管的存在稍微加大了阻力損失，但是增加不多。因此優(yōu)化水室結(jié)構(gòu)方案合理，制造工藝簡單。

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