1 000 MW机组凝汽器水侧流场的三维数值模拟

周兰欣，　张　娜

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003)



1 000 MW机组凝汽器水侧流场的三维数值模拟

周兰欣，张娜

(华北电力大学 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北保定 071003)

摘要：以某1 000 MW机组为例，利用Fluent软件对凝汽器水侧的流场特性进行了数值模拟.结果表明：循环水在高压凝汽器和低压凝汽器前水室产生的较大漩涡区和循环水对管板的冲击，增加了循环水的阻力损失，影响了管束区水速的分布；在进口水室加装导流板和隔板上加装凸起扣板后，水室内的漩涡区明显减小，水速变得均匀平顺，循环水对隔板冲击现象明显减弱，且沿着凸起扣板方向进入管束，管束区平均水速提高了0.033 m/s，整体平均传热系数增大了28 W/(m2·K)，改善了凝汽器水侧管束的传热效果.

关键词：凝汽器； 水室； 管束； 传热系数； 导流板； 凸起扣板

汽轮机排汽所需的循环水量随机组容量增大急剧上升，循环水进入巨大的凝汽器水室很容易引起传热管水力及水速分布不均，从而影响凝汽器管束的整体传热效果[1].

笔者以某1 000 MW超超临界机组凝汽器为研究对象，采用Fluent软件对凝汽器水侧流场进行数值模拟，找出水力分配不均的部位和原因，提出了改善凝汽器水侧流动特性的方法和措施，为提高传热效果创造条件.

1计算模型及方法

某1 000 MW机组凝汽器型号为N-53000，循环水为双进双出，凝汽器横向布置[1].采用CFD软件对凝汽器水侧的流动特性进行数值模拟，凝汽器水侧有4个前水室和4个后水室，流动分为2组：第一组在最外侧，中间通过U形管连接；第二组在中间，通过圆管连接.凝汽器参数见表1.

表1　凝汽器参数

根据表1数据对N-53000凝汽器进行网格划分，计算网格如图1所示，网格数量为109万.

1—低压凝汽器1；2—低压凝汽器2；3—高压凝汽器1；4—高压凝汽器2.

图1凝汽器计算网格示意图

Fig.1Computational grid of the condenser

1.1多孔介质模型[2]

由于凝汽器水侧存在几千根循环水管,其外径与长度相比相对很小，而CFD软件计算网格数量取决于模型的最小结构尺度.因此,模拟实际流体在众多循环水管内的流动将导致网格数量巨大,往往超出目前计算机的计算能力.在Fluent软件中，为方便计算，定义了多孔介质模型，可用于模拟计算问题域几何特征对流体产生的压降.以凝汽器外侧一组流程为例，流体区域划分如图2所示.

图2　凝汽器流体区域划分示意图

求解Fluent软件中介质的流动特性和固体区域的几何形状对流体流动产生的影响，多孔介质模型在原始动量方程的基础上添加了附加动量损失.附加动量损失由2部分组成:一部分是黏性阻力损失项，另一部分是内部阻力损失项.

(1)

式中：Si为i向(x,y,z)动量源项；Dij和Cij为规定的矩阵；μ为循环水动力黏度，Pa·s；vj为循环水速，m/s；ρ为循环水密度，kg/m3.

对于简单的均匀多孔介质，则有

(2)

式中：α为渗透性系数；C2为内部阻力系数，可以看成是沿着流动方向每一单位长度的损失系数.

多孔介质中的压降与动量源项的关系为

(3)

式中：Δn为多孔介质区域的真实厚度.

1.2控制方程组[2]

计算中采用标准k-ε湍流模型，使用的控制方程有k方程和ε方程.

k方程为

(4)

ε方程为

(5)

其中，5个常数分别为Cμ=0.09，Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，στ=1.3[3].

2结果及分析

2.1凝汽器水侧模拟

图3给出了凝汽器流体区域的水流迹线分布.通过数值模拟发现，进出口水管和前后水室中存在较大的水头损失，主要是因为外径为2.8 m的进口水管拐弯变向后，高速水流进入巨大水室，对水室隔板产生冲击.尤其是在水室上下部和四角处出现高速漩涡，水流在每根传热管中分配不均，使得汽侧管束区水速明显偏低[4].若提高整体管束区水速，需要改善水室内水流轨迹.

图3　凝汽器水流迹线分布图

2.2水室加装导流板

在高压凝汽器和低压凝汽器进口水室各加装4块导流板(见图4)，以提高循环水在水室流动的均匀性.导流板为不锈钢板，采用钢筋固定在水室中，导流板的尺寸为2.8 m×0.8 m×0.02 m.4块导流板布置在距循环水管进口右侧0.5 m，其中导流板1位于高出循环水管中心位置1.5 m处，与+x轴水平方向成45°，导流板2位于高出循环水管中心位置0.5 m处，导流板3位于低于循环水管中心位置0.5 m处，导流板2和导流板3沿x轴方向水平布置，导流板4位于低于循环水管中心位置1.5 m处，与-x轴水平方向成30°，如图5所示.

2.3水室加装导流板后的水速模拟

对水室加装导流板后的流动特性进行数值模拟，首先对水室的流体流动情况进行分析，y=2 m截面水室加装导流板前后的水速云图如图6所示.

循环水在进入传热管束前，高速流体分布在凝汽器的水室中心区域，水室顶部与下部形成漩涡区域，水室加装导流板后，漩涡强度明显减弱，高速流体所占比例减小，水室内流体流动变得相对均匀.

图4　水室内导流板布置方案

图5　水室内导流板安装示意图

(a)水室加装导流板前(b)水室加装导流板后

图6y=2 m截面水室加装导流板前后的水速云图

Fig.6Velocity contours in the water chamber with and without guide plates on sectiony=2 m

高压水室和低压水室加装导流板前后，x=0 m截面管束区水速分布云图如图7和图8所示.由图7和图8可知，水室加装导流板后，循环水在水室内分布趋于均匀，靠近四周及四角的管束区水速较以前提高；外围管束区水速相较中心管束区水速低的现象得到改善；还存在循环水对水室隔板中央区域冲击回流，致使外围管束区水速偏低的现象[5-6].

2.4管板结构优化模拟

为了减小循环水对隔板的撞击，使进入外围管束区的循环水沿凸起扣板导入传热管束，在高压凝汽器和低压凝汽器进口水室管板加装了3块凸起扣板.如图9所示，其中1为塔形凸起扣板，长4.2 m、宽0.5 m，2、3为锥形凸起扣板，长3.12 m、宽0.38m，3块凸起扣板最大凸出厚度相同，模拟了4种凸起厚度方案，分别为0.1 m、0.15 m、0.2 m和0.25 m，凸起扣板布置在山谷形管束的谷峰中心定位点.

图7水室加装导流板前x=0 m截面管束区水速分布云图

Fig.7Velocity contours on sectionx=0 m in tube bundle area before adding guide plates in the water chamber

图8　水室加装导流板后x=0 m截面管束区水速分布云图

Fig.8Velocity contours on sectionx=0 m in tube bundle area after adding guide plates in the water chamber

图9　隔板加装凸起扣板布置方案

加装凸起扣板后对水室进行数值模拟，发现循环水进入管束前的回流现象减弱，撞击隔板的循环水沿着凸起方向进入管束区(见图10).

循环水沿着凸起扣板进入管束，减小了循环水由于撞击回流而产生的压降，使循环水管束外围的水速提高，x=0 m截面管束区水速分布云图如图11所示.

对凝汽器进口水室加装导流板及隔板加装凸起扣板前后管束区水速变化情况进行统计，结果如图12所示.由图12可知，加装导流板和凸起扣板后，整体管束区水速提高.

凝汽器管束区水速的提高有利于管束与汽轮机排汽进行换热[7].美国传热学会(HEI)利用数学解析式分析得出了传热系数k与凝汽器管束区水速vm的关系.

(a) 加装凸起扣板前

(b) 加装凸起扣板后

图11　加装导流板和凸起扣板后x=0 m截面管束区水速分布云图

图12　加装导流板和凸起扣板前后的管束区水速对比

(6)

式中：C为循环水管外径的计算系数；ξ0为清洁系数；βt为循环水温修正系数；βm为循环水管的材料与壁厚修正系数[8-9].

根据式(6)中传热系数与凝汽器管束区水速的关系，取循环水管外径的计算系数C为2 665，清洁系数ξ0为0.85[10]，高压凝汽器、低压凝汽器侧循环水温修正系数βt分别为1.03和0.99，循环水管的材料与壁厚修正系数βm为1.06，根据数值模拟计算得到的管束区平均水速[11-15]，计算出管束区截面的平均传热系数K[10]，如表2所示.

通过以上模拟结果，在凝汽器的进口水室加装导流板可以使管束区水速提高，增大管束平均传热系数.

在凝汽器进口水室加装导流板和凸起扣板后，在低压凝汽器1和低压凝汽器2侧，管束区平均水速分别提高了0.029 m/s和0.033 m/s，平均传热系数分别增大了24 W/(m2·K)和27 W/(m2·K)；在高压凝汽器1和高压凝汽器2侧，管束区平均水速分别提高了0.034 m/s和0.037 m/s，平均传热系数分别增大了29 W/(m2·K)和32 W/(m2·K).

表2　管束区截面的平均传热系数

3结论

(1) 凝汽器进口水管的高速流体对水室隔板中部有冲击现象，使得高压凝汽器和低压凝汽器进口水室水力分配不均，上下部和四角出现高速漩涡，管束区水速差别较大.

(2) 凝汽器进口水室加装导流板后，漩涡区明显减小，水室和管束的流体流动趋于均匀稳定，管束区平均水速提高，管束平均传热系数增大.

(3) 在进口水室加装导流板和凸起扣板后，水量在水室分布趋于均匀，高速流体对隔板的冲击减弱，管束区的循环水量更加均匀，管束区平均水速提高了0.033 m/s，整体平均传热系数增大了28 W/(m2·K).

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3D Simulation on Flow Field at Condenser Water Side of a 1 000 MW Unit

ZHOULanxin,ZHANGNa

(MOE's Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：Taking a 1 000 MW unit as an example, numerical simulations were conducted on flow characteristics at its condenser water side using Fluent software. Results show that the large vortex produced by circulating water in the water chamber of high- and low-pressure condenser and the impact of circulating water on the tube plate would lead to the increase of resistance loss and the non-uniform distribution of water velocity in tube bundle areas; the phenomenon of water swirl can be significantly reduced by adding guiding plates and convex buckles in the water chamber, where the water velocity would become uniform and smooth, the impingement on baffle plate would be weakened, and the water would flow into the tube bundle along the direction of convex buckles, resulting in increased average water velocity by 0.033 m/s and raised overall heat-transfer coefficient by 28 W/(m2·K), indicating obvious improvement of heat-transfer effect at water side of the condensers.

Key words：condenser; water chamber; tube bundle; heat-transfer coefficient; guiding plate; convex buckle

收稿日期：2015-08-25

作者简介：周兰欣(1956-)，男，河北保定人，教授，硕士，主要从事直接空冷机组节能研究及汽轮机节能优化方面的研究.

文章编号：1674-7607(2016)07-0525-05中图分类号：TK284.1

文献标志码：A学科分类号：470.20

张娜(通信作者)，女，硕士研究生，电话(Tel．)：15733221342；E-mail：15733221342@163.com．