基于CFD的小机循环水系统优化

洪大智 卢鹏宇 高世杰 李燕平 青可儿

摘 要：凝汽器管壁清洁度直接影响汽輪机背压和凝汽器的上下端差，是影响湿冷机组换热效果的一项重要因素。循环水水质、凝汽器清洗装置的运行对凝汽器清洁度有较大影响，采用循环水二次滤网是提高循环水水质最有效的方法之一，对于采用胶球清洗装置的系统，胶球清洗管路对清洗效率也有直接影响。鉴于此，结合CFD有限元分析软件Fluent，对不同的胶球清洗管路布置、不同形制的滤网网板的流体动力学特性进行了分析。

关键词：循环水;CFD;胶球清洗系统

中图分类号：TM621.3  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）09-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.015

0    引言

北方地区气候变化大，冷却塔填料老化严重，随着冷却塔填料破碎脱落，循环水中填料碎片变多，碎片垃圾进入凝汽器会堵塞换热管，导致凝汽器换热面积减少;碎片垃圾进入收球网区域，会贴敷在网板上，导致收球网的网板堵塞胶球，进而影响胶球系统的运行效果，影响凝汽器清洁度。如何保持凝汽器管束的清洁度是各火电厂非常关心的问题之一，因为小汽轮机是火力发电厂的重要辅机，而小机凝汽器是小汽轮机的重要设备，故凝汽器管束的清洁度对于小机的经济性及整个机组的安全稳定运行有着至关重要的作用，对其进行改造可实现火电厂节能降耗，确保机组高效运行，从而实现集团公司的节能目标。

某厂在进行胶球系统管路优化时，对存在问题的循环水滤网网板也进行了处理。网板的多项因素均对过滤效果存在影响，考虑到工期及成本，本工程不对滤网框架进行更换，因此需对滤网网板选型展开分析。网板有网丝板和冲孔板两种常见形制，由于循环水水质较差，存在片状、丝状等形态不同的杂物，因此采用的冲孔板多为圆孔交错布置。

有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，利用简单而又相互作用的单元，可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它用较简单的问题代替复杂问题后再求解，将求解域看成是由许多被称为“有限元”的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解[1]。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段[2]。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在设计方面有着广泛的应用[3]，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。Fluent可用来模拟从不可紧缩到高度可紧缩范围内的复杂流动。由于采纳了多种求解方式和多重加速收敛技术，Fluent能达到最正确的收敛速度和求解精度。

1    管路优化

某厂某期两台机组小机胶球系统管路布置：A侧小机凝汽器循环水胶球系统共有11个弯头，B侧小机凝汽器循环水胶球系统共有9个弯头。小机凝汽器胶球系统胶球泵出口至收球室管道存在“几”字型弯管段（以下简称“几”字弯），高度为2 000 mm，运行时会产生局部阻力，影响胶球泵的出力，使得管路内流体及其携带的胶球动能不足;小机A、B侧装球室至小机凝汽器循环水入口管道布置过高，A侧投球管约高6 000 mm，B侧投球管约高4 500 mm，与循环水出口收球管路3 500 mm存在高差。

针对胶球系统管路布置分析如下：

（1）A、B侧胶球泵出口至装球室入口处有“几”字弯，高度为2 000 mm，长度1 500 mm，由于连续弯头造成的局部阻力，胶球系统流场受到直接影响，流体压力损失较为严重，进而会影响到其携带的胶球，使得胶球没有足够的动能进入循环水入口管路。

图1为优化前“几”字弯处流体流动矢量图，可以发现连续弯头中，流体运动方向局部变化剧烈，多个弯头对流动影响较大。基于仿真模型对小机胶球流场进行分析，胶球泵出口至装球室，扬程损失占小机胶球系统的37.20%。

（2）A侧小机凝汽器胶球系统装球室出口管道布置约高6 000 mm，B侧小机凝汽器胶球系统装球室出口管道布置约高4 500 mm，均会产生对循环水出口至胶球泵管路的高差，影响胶球循环。具体改造方案如下：取消A、B侧胶球泵出口至装球室入口处“几”字弯，降低管路高度，将A侧小机凝汽器胶球系统装球室出口管道布置降低至3 500 mm，B侧小机凝汽器胶球系统装球室出口管道布置降低至3 500 mm，以减小胶球系统阻力，装球室抬高200 mm，如图2所示。改造后A侧小机凝汽器胶球系统将减少2个弯头，B侧小机凝汽器胶球系统将减少1个弯头。

（3）图3为优化后原“几”字弯处流体流动矢量图，可以发现减少弯头后，弯头对流动影响明显降低。基于仿真模型对小机胶球流场进行分析，胶球泵出口至装球室，扬程损失占小机胶球系统的14.83%。

2    循环水二次滤网选型优化

本文所述小机循环水系统，在进行过空冷岛尖峰改造后，循环水流速较大，由2.5 m/s提升至2.8 m/s，结合现场循环水管路及循环水池尺寸进行结构计算后得出，网板处入口平均流速为0.8 m/s。如图4、图5所示，基于Solidworks建立500 mm×500 mm的网板局部平面模型，导入CFD软件内的Geometry模块，其中网丝编织型网板的网丝直径为2 mm，网丝网孔尺寸为5 mm×5 mm;冲孔板圆孔直径7 mm，网孔交错布置，间距为2 mm。

如图6、图7所示，将所建模型在mesh模块内进行网格划分，采取四面体网格，网格数量为21 954 506，在Fluent模块内进行边界参数设置，流体模型计算采用k-ε湍流模型，入口速度边界为0.8 m/s，可得到流场各参数的计算结果。

图8、图9为两种网板局部流线的分析结果。网丝板各孔道流体的流线分布均匀，网孔入口方向转换平缓，流场内除网孔处流体速度达到1.5 m/s外，入口及出口均在1.0 m/s以下，流体无较大的速度梯度，网板前后方均无较大的涡流或死区;冲孔板流线分布相对杂乱，在网孔入口平面速度梯度大，入口处存在速度为0的点，网孔处最大速度达到了2.13 m/s，网板前后存在大量局部速度渐变点，即存在数量较大的局部涡流，且网板后方存在较大的死区。从对流体中网孔处流线的分析来看，网丝板在流场中的效果远优于冲孔板。

图10、图11为两种网板入口平面速度矢量分布，网丝板入口平面速度矢量成束分布，沿流体方向较为整齐，对网板后方流体有一定整流作用;冲孔板入口平面处速度矢量杂乱，每个网孔位置速度分布有明显的分散，网板前方存在与速度方向垂直且速度为0的矢量，同时也证明了冲孔板前方存在相当数量的局部涡流，对网板后方的流体流动影响较大，易形成局部涡旋，导致动能损失较大。从对网板入口流体速度矢量的分析来看，网丝板在流场中的效果远优于冲孔板。

结合流线与速度矢量的分析不难发现，网丝板相对冲孔板有较好的表现。其原因是网板在流场中的截面不同，边缘的曲率也就不同，流体对于网丝板局部为圆柱形扰流，对于冲孔板局部则为长方形扰流，边界曲率不同造成了流体过网板时压力梯度不同，故对流体边界层分离的影响也不相同。

目前流速下，从对流场影响的角度分析，网丝板全面優于冲孔板，但不同形制的网板对流速变化的适应性不同，需针对不同流速对两种网板的影响进行分析。从安全性出发，不同流速下网板的承压是需考虑的最主要因素。

如表1及图12所示，随着流速的增加，两种网板的承压均呈逐渐增大的趋势，但相同流速承压的幅度与流速变化时网板承压的变化幅度有着较大差别。网丝板在不同流速下承压较小，且随着流速的增加，网板承压增加幅度较小，最大流速2.8 m/s时为681 Pa，且从流速2.67 m/s至2.8 m/s，网板平均承压增加了190 Pa;冲孔板承压幅度较大，最大流速2.8 m/s时为1 194 Pa，且从流速2.67 m/s至2.8 m/s，网板平均承压增加了345 Pa;从各流速的承压及随流速变化承压的变化速度来看，网丝板的运行安全性远优于冲孔板。

同时考虑到结构影响，循环水相同流速、同面积下，网丝板承压较冲孔板小39%，网丝板的编织结构特性使得其在交变应力下可以进行应力释放，且由于圆柱形编织结构，网丝板即使出现破损，也大多仅局限在局部。

冲孔板在工程上工艺简单，成本较网丝板低，过流面积较网丝板大5.76%，且其板面平整光滑，垃圾易于分离，不挂丝、不缠丝;但其对交变应力的抗性差，易出现破损，且出现破损时容易导致较大范围的破裂。综上所述，在流场的流体特性、网板的承压方面，网丝板均优于冲孔板。

3    结语

本文所采用的仿真分析方法，可在现场试验条件受限的情况下，结合仿真建模的方式对胶球系统收球管路及循环水滤网网板进行辅助计算，并可对多种方案进行比较分析，对解决实际问题有帮助，在实际的工程实施中可起到一定的借鉴作用。

[参考文献]

[1] 牛碧凯，王惠源.基于ANSYS的某密闭容器静态应力分析[J].机械工程与自动化，2015（2）：89-90.

[2] 刘子越.基于ANSYS多种步态下半月板应力分布的研究[D].天津：天津工业大学，2014.

[3] 党敏辉，郑化安，张生军，等.FLUENT在旋风分离器气固分离中的应用进展[J].山东化工，2017，46（12）：82-83.

收稿日期：2022-02-15

作者简介：洪大智（1985—），男，吉林人，工程师，研究方向：热能与动力工程。