趙云云

（哈爾濱汽輪機(jī)廠 輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱 150090）

汽輪機(jī)機(jī)組的重要輔機(jī)之一就是凝汽器，它維持著低壓缸的背壓，其性能影響著整個(gè)發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。管束是凝汽器的重要組成部分。管束設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是將熱力計(jì)算得出的一定數(shù)量的冷卻管，在殼體空間范圍內(nèi)合理地優(yōu)化排列和組合，構(gòu)成一定形狀的管束，確保凝汽器運(yùn)行時(shí)達(dá)到熱力設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)（如傳熱量、真空度、凝結(jié)水的過(guò)冷度及含氧量等）[1]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被越來(lái)越多地應(yīng)用于各種復(fù)雜傳熱流動(dòng)方面，如凝汽器換熱和流動(dòng)問(wèn)題，以減少實(shí)驗(yàn)的周期以及成本[2]。本文應(yīng)用凝汽器性能分析軟件對(duì)布管型式為山型（a）、AT型（b）、教堂窗型（c）這三種管束結(jié)構(gòu)的凝汽器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分別得到每種布管方案的凝汽器殼側(cè)的流場(chǎng)、壓損、空氣濃度分布、凝結(jié)量和熱負(fù)荷分布，并對(duì)這三種管束方案進(jìn)行對(duì)比分析。

1 物理模型

某凝汽器結(jié)構(gòu)為單流程對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此選取凝汽器的一半結(jié)構(gòu)作為計(jì)算域，三種方案的管束分布區(qū)域如圖1所示。為對(duì)比不同管束區(qū)域?qū)δ餍阅苡绊懀N方案除布管類型不一致外，其他設(shè)計(jì)參數(shù)相同，凝汽器背壓為4220kPa，進(jìn)汽量是758.415t/h，冷卻水入口溫度20.8℃，流量90500m3/h。

2 計(jì)算結(jié)果

圖1～圖4為三種布管方案的流速、壓損、空氣濃度等值線圖。圖中，所有黑點(diǎn)●處表示最大/最小值。

由圖1可知，三種布管方案的凝汽器的蒸汽流動(dòng)路徑相似，一部分蒸汽直接進(jìn)入管束區(qū)凝結(jié)換熱，一部分流經(jīng)管束與殼體間蒸汽通道和管束之間的蒸汽通道，從側(cè)面進(jìn)入管束區(qū)，剩余部分在管束區(qū)下方的水平蒸汽通道匯合，并對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行熱力除氧后，向上流動(dòng)進(jìn)入管束區(qū)，最后流經(jīng)空冷區(qū)，不凝結(jié)氣體抽氣口抽出。凝汽器殼體與膨脹節(jié)連接處有擋板，因此在擋板下面會(huì)形成一個(gè)小漩渦，同時(shí)由于低壓加熱器的存在改變蒸汽流動(dòng)分布，三種方案在低加下方、管束區(qū)上方均存在漩渦。

對(duì)比分析三種結(jié)構(gòu)的凝汽器流場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)管束區(qū)流場(chǎng)分布對(duì)稱。這三種凝汽器管束區(qū)外圍的蒸汽流速基本一致，分別為61m/s、64m/s和62m/s。而空冷區(qū)蒸汽流速大小區(qū)別較大，山型管束在空冷區(qū)的蒸汽流速為0.04m/s，而AT形管束空冷區(qū)的蒸汽流速為0.38m/s，教堂窗形空冷區(qū)的蒸汽相對(duì)偏高，而且空冷區(qū)流速不一致，分別為12.9m/s、8.91m/s、2.18m/s。因此，布管結(jié)構(gòu)為教堂窗型的凝汽器空冷區(qū)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步的優(yōu)化。從空冷區(qū)蒸汽流速大小可以看出，山型布管結(jié)構(gòu)的凝汽器的換熱性能較好。

圖1 速度等值線圖

由圖2可知，凝汽器上部的低壓加熱器的阻礙流動(dòng)的作用導(dǎo)致蒸汽動(dòng)能、勢(shì)能的轉(zhuǎn)換，使得此處蒸汽壓力突變。從圖2可以看出，混合氣體的壓力損失是隨著蒸汽逐漸進(jìn)入管束區(qū)內(nèi)傳熱而逐漸增大。a方案最大壓損為614Pa（最大值點(diǎn)如圖中管束左側(cè)黑點(diǎn)●），空冷區(qū)和抽空氣口壓損為497Pa；b方案最大壓損為617Pa（最大值點(diǎn)如圖中管束中部黑點(diǎn)●），空冷區(qū)和抽空氣口壓損為477Pa；c方案最大壓損為658Pa（最大值點(diǎn)如圖中管束中部下方黑點(diǎn)●），空冷區(qū)和抽空氣口壓損為519Pa。通過(guò)壓力損失對(duì)比發(fā)現(xiàn)，a結(jié)構(gòu)凝汽器管束壓損較大的區(qū)域主要集中在空冷區(qū)；b結(jié)構(gòu)凝汽器壓力損失集中在中間管束側(cè)的空冷區(qū)上，而靠近殼側(cè)的空冷區(qū)壓損反而相對(duì)較?。籧結(jié)構(gòu)凝汽器壓損較大的區(qū)域集中在管束的下方，同樣的空冷區(qū)處的壓損相對(duì)較小。因此，對(duì)比這幾種管束結(jié)構(gòu)，c結(jié)構(gòu)凝汽器的空冷區(qū)的設(shè)置需要優(yōu)化，a凝汽器結(jié)構(gòu)較為合理。

由圖3可知，a結(jié)構(gòu)抽空氣口積聚了大量空氣，空氣濃度較高，管束布置較為合理。b結(jié)構(gòu)抽空氣口的空氣濃度相對(duì)于整個(gè)管束的空氣濃度較低，c結(jié)構(gòu)的抽空氣口的空氣濃度更低?？諝鉂舛鹊?，表明此處的蒸汽含量大，不易再次設(shè)置抽空氣口，因此c結(jié)構(gòu)的抽空氣結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。

通過(guò)計(jì)算和比較這三種管束方案，a結(jié)構(gòu)凝汽器區(qū)傳熱系數(shù)較高，傳熱系數(shù)在1721W/（m2·K）以上（不包含空冷區(qū)）；b結(jié)構(gòu)凝汽器管束下半部分靠近中心側(cè)處傳熱系數(shù)相對(duì)較低；c結(jié)構(gòu)凝汽器的傳熱系數(shù)都很高，空冷區(qū)的傳熱系數(shù)也較高（主要原因是混合氣體流速相對(duì)較高），雖然傳熱系數(shù)較高但是蒸汽的流速高，蒸汽的凝結(jié)量低，凝汽器性能反而較低。

圖2 壓損等值線圖

圖3 空氣濃度等值線圖

因此，綜合比較，a結(jié)構(gòu)凝汽器的管束布置較為合理，三種凝汽器結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 三種凝汽器性能參數(shù)對(duì)比

3 結(jié)論

在本文特定的設(shè)計(jì)工況下，AT型布管結(jié)構(gòu)和教堂窗型布管結(jié)構(gòu)的凝汽器性能稍差，壓損較大，蒸汽凝結(jié)量小。與二者相比，山型布管結(jié)構(gòu)的凝汽器殼側(cè)壓損較小，蒸汽凝結(jié)量大，凝汽器的相對(duì)性能較高，傳熱性能較好。