双流程电站凝汽器水室的流动分析与改造

邢乐强，张莉，白路平，甘志联

（上海电力学院，能源与机械工程学院，上海，200090）

双流程电站凝汽器水室的流动分析与改造

邢乐强，张莉，白路平，甘志联

（上海电力学院，能源与机械工程学院，上海，200090）

为能够准确预测凝汽器水侧流动特性，应用计算流体力学商用软件，管束区域采用多孔介质模型，对某电厂双流程凝汽器水室流场进行了数值分析。结果表明：该电站双流程凝汽器入口水室结构存在一定的缺陷，导致冷却水在局部产生了较大的阻力，形成了明显漩涡。针对凝汽器水室中漩涡产生的原因，对凝汽器水室结构进行了优化改造，并且在此基础上提出了更多合理的建议。

凝汽器，水室，数值模拟，分析，改造

1　前言

汽轮机系统作为火力发电机组中的重要组成部分，一直都是提高机组效能的主要研究对象。我国火电机组中广泛采用凝汽式汽轮机，凝汽器工作性能的好坏直接影响到汽轮机系统的性能，而且凝汽器有着较大的节能潜力［1］，所以，长期以来国内外研究者们对凝汽器也倾注着一定的研究精力。但是，多数文献的研究表明，有关凝汽器的研究主要集中在汽侧［2］，即主要研究汽侧内部汽气混合物的流动和换热特性，而凝汽器水侧方面的研究还相对较少［3］，但是凝汽器水侧方面的研究与汽侧研究具有同样重要的意义。

凝汽器冷却水室内的流动是凝汽器水侧研究的重点，合理的水室结构能够消除水室内较大的涡流区域，减小冷却水阻，可以使冷却水均匀流入冷却管内，提高凝汽器冷却效果［4］，同时，还可以带动胶球散布进入所有冷却管，有助于冷却管的清洗。虽然之前的凝汽器水室已经随着加工工艺的发展由长方体结构优化为弧形结构，但是这样的水室流动特性如何？是否还可以在目前制造工艺水平不断提高的情况下进一步改进？这些都还有待于开展进一步的研究工作。

本文采用数值模拟的研究方法，研究了某电厂双流程凝汽器水侧的流场特性，在得到凝汽器水侧流场速度、压力等参量分布的基础上，对该凝汽器的水室进行了评价分析，进而对该水室进行了改造尝试。

2　数值计算方法

2.1物理模型

凝汽器水侧的流动包括冷却水在进水管、水室、冷却水管、出水管等几部分区域内的流动。对于双流程凝汽器，水室又包括进水室、折回水室和出水室。在稳定工况下，凝汽器水侧的流动可以看作是三维、定常的湍流流动。考虑到冷却水在凝汽器水侧的温升仅有10℃左右，冷却水的物性变化不大，流动过程中可以不考虑冷却水能量的变化。

此外，由于凝汽器管束区域的冷却水管数目较多，而且每根冷却管的管径尺寸和凝汽器本体的尺寸相比差异较大，冷却水在该区域流进冷却水管，就好像流进了多孔区域。因此，冷却水流过凝汽器管束区域的流动可以用多孔介质模型表达［5］。

2.2控制方程

2.2.1基本控制方程

根据上面对冷却水侧物理现象的简化，描述凝汽器水侧流动的控制方程包括连续性方程、动量方程和湍流模型方程，该流动过程可统一描述如下［6］

式中，β为蒸汽流经区域的多孔率；变量Ф分别为1，u→，k和ε时，方程分别表示混合物的连续性方程、动量方程、湍流模型。

2.2.2多孔介质模型

多孔介质模型在本文计算中应用于冷却水在凝汽器管束区冷却水管内的流动。由于冷却水一旦进入冷却水管，就会被限制在管内流动，不会出现在通流截面的二次流动，因此，多孔介质在该区域只需要考虑沿冷却水管长度方向上阻力的模拟。

根据HEI推荐的凝汽器冷却管内摩擦损失的计算方法，冷却水在冷却管内的摩擦损失Ff可用式 （2）、式 （3）进行计算。

式中，F0为 25.5℃冷却水在管壁厚为12.4 mm的冷却水管内流动时的摩擦损失；Vw为凝汽器中冷却水管内的流速；d2为冷却水管内径；Ft和Fw为当冷却水平均温度和冷却水管壁厚度不符合上述要求时所加的修正系数［7］。

此外，冷却水流进、流出换热管时会产生局部损失，在数值计算中这部分不能忽略，局部损失采用式 （4）进行计算［8］：

其中，Vw表示冷却水流速；g为重力加速度；ξ为局部损失系数。冷却水从水室流入换热管以及从换热管流入水室时的局部损失系数近似分别取为0.5和1。

3　研究对象简介及计算条件设置

3.1研究对象简介

本文以某单壳体、双通道、双流程 （对分式水室，即冷却水双进双出）、表面式凝汽器为研究对象。该机组凝汽器的2个流通通道具有相同的几何结构，故本文只选取了1个通道作为模型进行计算。图1给出了凝汽器某一通道流动区域的几何示意图。

图1　凝汽器几何结构图

3.2求解设置

采用Gambit软件对所研究流体区域进行计算网格划分，计算网格数约为200万个。

应用FLUENT数值计算软件进行计算，计算中，对于多孔介质区域阻力的计算启用了FLUENT软件的用户自定义函数 （UDF）功能，编写、编译了DEFINE_SOURCE函数用于计算多孔区域动量方程的阻力源项。

基于凝汽器的设计参数，对计算的边界条件进行了设置：

（1）入口边界：进水管入口设定为速度入口边界条件。入口流速的大小按设计工况流量取平均值，方向垂直于进口界面；

（2）出口边界：出水管出口设定为压力出口边界条件；

（3）固体壁面：设定为无滑移的边界条件，采用标准壁面函数法；

（4）多孔区域：冷却水在冷却管内的流动区域，多孔率为0.493。分布阻力的源项由UDF加载到多孔介质模型中。

4　计算结果及分析

采用前面所述的方法，计算得到了凝汽器水侧的流动参数分布。由于缺少凝汽器水侧详细的实验测量结果，本文通过水侧压降的对比进行了数值计算的验证。通过FLUENT计算得到的冷却水流程总的压降大约为64.556 kPa，和设计水阻69.79 Pa相比较，误差大约为7.5%，符合工程设计的误差要求，在一定程度上表明了计算结果的合理性。

4.1冷却水流线分布

图2给出了该双流程凝汽器水侧冷却水的流线分布。从图2可以看出，在进水室下部，当冷却水流入水室时，随着流动空间的增大，冷却水向两侧流动，流线会显得很杂乱，而在进水室的上部，由于冷却水在进水室流向的改变，冷却水不易流到那里，也造成了进水室上部流线一定程度的杂乱。此外，在靠近冷却水管板处，冷却水流进冷却水管的局部阻力也造成了该处的流动杂乱。

图2　凝汽器水侧冷却水流线分布图

冷却水管的管束区内，冷却水表现出沿轴向的流动平顺性，这与冷却水管将冷却水限制在管内流动的物理现象相符合，表明了借助多孔介质模型模拟管束区域内流体流动的合理性。在折回水室内，冷却水的流线相较于进水室平顺，出水室中在冷却水流入出水管前，在出水管的对面出现了一个较小的漩涡，这是由于冷却水向着出水室出口流动，在另一侧发生脱流作用产生的。

从冷却水流线分布可以预测冷却水流动整体的平顺性，但是只有对冷却水在各个水室内的速度和压力分布进行详细的了解之后才能分析出水室结构的不足之处，从而提出相应的改造方案。

4.2进水室流场分布

图1中在进水室内沿进水管轴向由下往上依次定义了3个截面来观察进水室的流场分布。图3和图4分别给出这3个截面上的速度和压力分布。从图3、图4可以看出，在进水室的上侧压力较大，冷却水流速较低，而且距离管板越远的地方流速越低，这里漩涡的产生是由于冷却水由y轴的正方向转向z轴负方向流动所导致的。还可以看到，在进水室下侧存在2个明显的漩涡，原因在于冷却水流入进水室时，随着空间的扩大，冷却水向水室两侧流动，从而形成涡流。在进水室设置有冷却水管，也就是说这一区域里冷却水流动的杂乱是由管束布置所决定的，无法通过凝汽器进水室结构的改造来改善这部分的流动状况。

图3　进水室内的速度分布

图4　进口水室内压力分布

图5　进口管板截面上的流场分布

图5所示为凝汽器第一流程管束近管板处流场分布，由于冷却水的流动方向与几何建模时z轴的正方向相反，因此，在与进水室相衔接的管板上的冷却水流速为负。从图5（a）可以看出，在冷却水管比较密的区域，流速在z方向的分量大部分在1～2.6 m/s的范围内，其中，速度范围在2.4～2.6 m/s的区域主要集中在截面上部。这是因为冷却水由进水管轴向进入，由于流动的惯性，冷却水冲到进水室上方的趋势，因此，位于上侧的换热管内的流量相对于下侧的流量要大。此外，在冷却水管布置比较稀疏的外围区域，冷却水流速比较低，大概在1～2 m/s的范围内，原因是冷却水流入换热管时受到周围管板的阻碍大，降低了冷却水的流入速度。

管束内冷却水流场分布的不均匀性，除了有来自进水室几何结构的影响外，还有换热管管束布置的影响。所以，凝汽器进水室合理的几何结构改造可以带来管束区冷却水流场分布的改善，但是冷却水管束的布置方式所造成的影响则无法通过进水室的改进来消除。

4.3折回水室的流场分布

整体上来说，冷却水在折回水室产生的压力损失并不多，通过计算得出这部分的压力损失是964 Pa。从图6可以看出，在折回水室的中间且远离管板的区域内水的流速较大，压力较低，而在上下两侧水的流速较低，压力较大，这是由于流体在转弯时与壁面发生了碰撞所造成的，这部分的动能损失是无法避免的。同样，由于管板中间区域和上、下2个管束区的中央位置没有布置换热管，在这些位置也存在低速区。由此折回水室内流场的分布特点是由凝汽器水室的整体布置和管束布置类型所决定的。

图6　折回水室的流场分布

4.4出水室及出水管流场分布

图7是出水室和出水管流场分布图。从图7可以看出，出水室压力从管板向出水管侧逐渐降低，在远离管板侧出现了高压低速区域。这是因为冷却水由沿着z轴正方向流动转向沿着x轴正方向流动造成的，冷却水在转向过程中与壁面发生碰撞会产生动能的损失。冷却水从空间较大的出水室流入空间较小的出水管，冷却水流速突然增大，最高可达3.34 m/s，而且刚进入出水管的时候冷却水主要集中在一侧，使得这一侧水室壁面和出水管壁会受到很大的冲击和摩擦。

图7　出水室及出水管的流场分布

5　水室结构改造方案及效果预测

图8　水室改造后的计算区域

5.2改造效果预测

本文对改进后的双流程凝汽器水侧流动又进行了数值模拟从而来预测改造方案的效果。从冷却水流线分布图 （见图9）可以看出，凝汽器进水室采用了新的结构后，水室上部的漩涡消失，速度流线更加平顺有序，而且在这一区域的冷却水流速也没有原来那么低。另外从冷却水流经各个阶段时产生的压力损失也可以看到改造的效果。

图9　改造后的冷却水流线分布

5.1水室结构改造方案

整体上来说，冷却水在整个流动过程中，除了2个流程的管束区域以外，进水室、出水室这两部分产生的压力损失最多，而且从各个水室内的流场分布也可以看出，冷却水在流动过程中存在一些流动不合理的地方。经过分析，在双流程凝汽器内冷却水的流动特性是由多方面因素决定的，包括凝汽器水室的几何结构以及其他原因。针对水室结构对凝汽器水侧流场分布的影响，可以对水室采取相应的改造措施。为了消除进水室上部的涡流，需要对凝汽器进水室结构进行改进。水室改造后的计算区域如图8所示。改造前在进水室内的压力损失是5 465.203 Pa，改造之后降为5 261.358 Pa，这表明凝汽器进水室结构改造还是取得了一定的效果。

图10　改造后进水室流线分布

从图10还可以看出，在进水室下部依然存在涡流，主要还是因为冷却水从空间较小的进水管流入空间较大的进水室的原因，如果要消除进水室下部的涡流，就需要将进水室设计为渐扩型的几何结构，然后同样对改造后的凝汽器水侧进行数值模拟，这也正是凝汽器水室结构优化研究接下来所要做的工作。

6　结论

（1）该电站凝汽器进口水室结构中存在明显不合理的地方，冷却水在水室上部和近管板处产生了较大的漩涡，导致冷却水对管板产生较大的冲击和摩擦；管板上冷却水速度分布并不均匀，主要表现为上侧有一部分区域的流量比较集中。在后水室内由于冷却水流动方向发生变化，产生漩涡，但是范围不大，并不会对循环冷却水产生太大的阻力。而在出口水室压力从管板向出水管侧逐渐降低，在远离管板侧出现了高压低速区域；在刚进入出水管时候冷却水主要集中在一侧，使得这一侧水室壁面和出水管壁会受到很大的冲击和摩擦。

（2）根据对凝汽器进水室中漩涡存在原因的分析，为了消除进水室内的漩涡，提出相应的改造方案，然后对改造后的模型重新进行数值模拟，通过与改造之前的计算结果进行对比分析后可以发现，改造后进水室上部的漩涡范围和程度都有所减小。

（3）虽然在凝汽器进水室的管板附近的漩涡不再那么明显，但是下部的漩涡依然存在，而且流过管板截面的冷却水流速分布也依然存在不均匀性。因此，建议以后的改造研究过程中可以考虑将进水室设计为渐扩型的几何结构，或者在进水室下部靠近进水管的位置处加装合理的导流装置，以减小涡流，提高管板截面处冷却水流速的均匀性。

［1］尤清华．大型燃煤发电机组冷端系统优化设计研究［D］．北京：华北电力大学，2012

［2］曲建丽．电站凝汽器的数值模拟研究与应用［D］．济南：山东大学，2007

［3］李永华，侯淑娟，孙刚．300 MW机组电站凝汽器水侧数值模拟［J］．电站辅机，2009，30（2）：12-15

［4］蒋建飞，黄树红，王坤．凝汽器水侧流动的三维数值模拟［J］．动力工程，2006，26（2）：249-252

［5］李勇，李立言，曹丽华，等．山谷型双流程凝汽器管侧流场的数值分析［J］．化工机械，2012，39（3）：351-355

［6］汪国山．电站凝汽器热力性能数值仿真及其应用［M］．北京：中国电力出版社，2010：18-21

［7］张卓澄．大型电站凝汽器［M］．北京：机械工业出版社，1993：54-57

［8］柯葵，朱立明．流体力学与流体机械［M］．上海：同济大学出版社，2009：85-88

Flow Analysis and Alteration of Water Chamber in a Double-flow Condenser of Power Plant

Xing Leqiang，Zhang Li，Bai Luping，Gan Zhilian

（College of Energy and Mechanical Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai，200090）

In order to predict the flow characteristic of condenser water side，the flows field of a double-flow condenser whose pipe bundle has porous medium model is simulated through CFD software．The result shows that the structure of condenser's inlet water chamber has defect which can result obvious resistance in some local parts where large vortex appears．Based on the cause of vortex，some measures have been carried out and some suggestions have been put forward to improve condenser's water chamber.

condenser，water chamber，numerical simulation，analysis，alteration

TK264

A

1674-9987（2015）02-0019-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.004

上海市科委专项科研项目。

邢乐强 （1989-），男，硕士研究生在读，就读于上海电力学院能源与机械工程学院。