權(quán)亮杰，尹剛，陳家衛(wèi)，向娟，姚潤(rùn)賢

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

0 前言

在現(xiàn)代大型電站凝氣式汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽器主要承擔(dān)系統(tǒng)冷源作用，其主要任務(wù)是將汽輪機(jī)排汽凝結(jié)成水并在汽輪機(jī)排氣口建立并維持一定真空度。根據(jù)電廠運(yùn)行卡諾循環(huán)，循環(huán)熱效率見(jiàn)式（1）。

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

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，凝汽器背壓每降低0.5 kPa，循環(huán)效率提高0.4%，對(duì)于600 MW等級(jí)的汽輪機(jī)，可提高2.4 MW的發(fā)電量，每天可為電廠增加2.9萬(wàn)元的收益。而凝汽器背壓的維持主要是通過(guò)凝汽器冷卻管凝結(jié)換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同的凝汽器冷卻管型結(jié)構(gòu)對(duì)凝汽器整體的換熱效率有著較大差異，進(jìn)而凝汽器背壓也大不相同。因此冷卻排管結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣對(duì)電廠發(fā)電效率有著至關(guān)重要的影響。

目前國(guó)內(nèi)600 MW等級(jí)常規(guī)火電項(xiàng)目凝汽器排管結(jié)構(gòu)是普遍采用雙山型管束結(jié)構(gòu)，典型性布置如圖1（a）所示。該排管結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐驗(yàn)證，汽流阻力小、流場(chǎng)分布均勻，具有良好的換熱性能。隨著我國(guó)火電機(jī)組容量不斷增大，該管束結(jié)構(gòu)在600 MW等級(jí)及以上大型電站汽輪機(jī)組應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化，方能保證在兼顧凝汽器的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)型同時(shí)實(shí)現(xiàn)換熱性能的最優(yōu)化，優(yōu)化后的管型如圖1（b）型所示。

國(guó)內(nèi)某公司開(kāi)發(fā)出1種新型的仿生雙聯(lián)樹(shù)形管束結(jié)構(gòu)，具體管束結(jié)構(gòu)形式如圖1（c）所示。

國(guó)內(nèi)另一公司針對(duì)600 MW等級(jí)機(jī)組凝汽器開(kāi)發(fā)出了塔型側(cè)抽式管束結(jié)構(gòu)，如圖1（d）所示。

圖1 汽輪機(jī)凝汽器主要管型結(jié)構(gòu)

為了更全面地了解上述各種管束結(jié)構(gòu)的熱力性能，采用專業(yè)化的凝汽器管束分析軟件，分別對(duì)上述A、B、C、D管束結(jié)構(gòu)汽側(cè)空間的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)不同管束結(jié)構(gòu)凝汽器汽側(cè)空間的壓力場(chǎng)、空氣濃度場(chǎng)、傳熱系數(shù)分布場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)進(jìn)行綜合分析，對(duì)不同管型結(jié)構(gòu)的換熱性能的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)估。

1 凝汽器管型計(jì)算輸入?yún)?shù)

為保證對(duì)各管型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的一致性與準(zhǔn)確性，在分析過(guò)程中，各管型結(jié)構(gòu)均以某600 MW火電機(jī)組設(shè)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)為計(jì)算輸入條件，凝汽器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 凝汽器管型主要計(jì)算輸入?yún)?shù)

2 凝汽器管型結(jié)構(gòu)幾何模型對(duì)比

根據(jù)前述的技術(shù)輸入條件，在保持相同的換熱面積、管板高度的情況下，結(jié)合A、B、C、D 4種管型結(jié)構(gòu)的布置特點(diǎn)，進(jìn)行相應(yīng)的排管布置，形成不同管型結(jié)構(gòu)的幾何模型，如圖2所示。

圖2 各管型結(jié)構(gòu)幾何模型

根據(jù)不同管型幾何模型布置情況，對(duì)不同管型結(jié)構(gòu)的主凝結(jié)區(qū)、空冷區(qū)、抽氣口、擋汽板布置等結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同管型結(jié)構(gòu)幾何模型對(duì)比分析

在前述各管型結(jié)構(gòu)幾何模型的基礎(chǔ)上，利用專用的凝汽器熱力性能數(shù)值仿真分析軟件對(duì)各管型結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)構(gòu)分別針對(duì)各管型結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)、不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)、傳熱系數(shù)場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步得出各管型的熱力性能特點(diǎn)。

3 凝汽器各管型結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)凝汽器管束結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行分析，進(jìn)而了解管束不同結(jié)構(gòu)位置的壓力分布情況，如圖3所示，可進(jìn)一步評(píng)估管束的汽流阻力特性。

圖3 各管型結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布

根據(jù)不同管型結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)分布情況，可看出不同管束結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)分布均有各自的特點(diǎn)，具體分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同管型結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)上述分析，在壓力場(chǎng)分布對(duì)凝汽器整體性能影響方面，A、B 2種管型的壓力場(chǎng)性能明顯優(yōu)于其他2種管型結(jié)構(gòu)。

4 凝汽器各管型結(jié)構(gòu)不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布對(duì)比分析

進(jìn)入凝汽器的汽輪機(jī)排汽不可避免會(huì)攜帶部分系統(tǒng)泄漏的不凝結(jié)氣體，在凝汽器主凝結(jié)區(qū)域凝結(jié)過(guò)程中，大量的蒸汽不斷被凝結(jié)成水，而不凝結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中通常設(shè)置有相應(yīng)的抽氣口，將含有大量不凝結(jié)氣體的汽-氣混合物抽走排至凝汽器外部，降低不凝結(jié)氣體薄膜對(duì)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(duì)凝汽器熱力性能有著非常大的影響。通過(guò)對(duì)凝汽器管束結(jié)構(gòu)的不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，進(jìn)而了解管束不同結(jié)構(gòu)不凝結(jié)氣體的濃度分布情況，可進(jìn)一步對(duì)管束不凝結(jié)氣體的收斂性進(jìn)行評(píng)估，由此判斷抽氣口布置的合理性。各管型結(jié)構(gòu)的不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 各管型結(jié)構(gòu)不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布

根據(jù)不同管型結(jié)構(gòu)的不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布情況，可看出不同管束結(jié)構(gòu)的不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)分布有較大差異，具體分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同管型結(jié)構(gòu)不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)上述分析，在不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)對(duì)凝汽器整體性能影響方面，B、C 2種管型的不凝結(jié)氣體收斂性明顯優(yōu)于其他2種管型結(jié)構(gòu)。

5 凝汽器各管型結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)場(chǎng)分布對(duì)比分析

凝汽器的凝結(jié)換熱功能主要體現(xiàn)在傳熱系數(shù)的大小和分布情況。通過(guò)分析凝汽器管型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)場(chǎng)分布，可了解管束不同區(qū)域冷卻管的傳熱情況，進(jìn)而熟悉凝汽器的整體傳熱性能的優(yōu)劣。各管型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)場(chǎng)分布如圖5所示。

圖5 各管型結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)場(chǎng)分布

根據(jù)不同管型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)場(chǎng)分布情況對(duì)各管型結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)分布及綜合傳熱性能進(jìn)行對(duì)比分析，具體情況見(jiàn)表5。

表5 不同管型結(jié)構(gòu)幾何模型對(duì)比分析

通過(guò)上述分析，各管型結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)高值區(qū)均集中在主凝結(jié)區(qū)域，各管型的平均傳熱系數(shù)基本相當(dāng)，其中B、D管型略有優(yōu)勢(shì)。

6 凝汽器各管型結(jié)構(gòu)速度矢量場(chǎng)分布對(duì)比分析

汽輪機(jī)排氣在凝汽器管束空間的氣流組織情況對(duì)蒸汽在管束空間的分布均勻性具有重要影響，進(jìn)而影響管束各區(qū)域的傳熱性能。通過(guò)凝汽器管型結(jié)構(gòu)的速度矢量場(chǎng)分布可快速了解到蒸汽的氣流組織情況以及管束渦流區(qū)域的分布區(qū)域，進(jìn)而可對(duì)管束區(qū)的氣動(dòng)性能進(jìn)行評(píng)判。各管型結(jié)構(gòu)的速度矢量場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 各管型結(jié)構(gòu)速度矢量場(chǎng)分布

通過(guò)對(duì)上述各管型結(jié)構(gòu)的速度矢量場(chǎng)分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，得出不同管型結(jié)構(gòu)的氣流組織特點(diǎn)，具體分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同管型結(jié)構(gòu)速度矢量場(chǎng)對(duì)比分析

通過(guò)上述分析，各管型結(jié)構(gòu)氣流組織各有特點(diǎn)，綜合紊流區(qū)域?qū)δ鞯恼w性能影響情況，B、C管型結(jié)構(gòu)略有優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值仿真的方法對(duì)A、B、C、D 4種管型結(jié)構(gòu)的壓力場(chǎng)、不凝結(jié)氣體濃度場(chǎng)、傳熱系數(shù)場(chǎng)、速度矢量場(chǎng)進(jìn)行綜合分析，不同管型結(jié)構(gòu)在不同的凝汽器性能方面具有各自的特點(diǎn)。

經(jīng)優(yōu)化后的B管型結(jié)構(gòu)具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。其中C管型在汽流組織與抽汽口布置方面具有一定優(yōu)勢(shì)。D管型在傳熱性能方面有一定優(yōu)勢(shì)。本研究對(duì)凝汽器各管型結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化具有一定指導(dǎo)意義。