劉克為，高金麟，張 晨

(1.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046；2.中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱150036)

0 概 述

在理論上，應(yīng)利用汽輪機(jī)排汽口壓力P1作為汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)邊界，而利用凝汽器壓力P2作為凝汽器的設(shè)計(jì)邊界。將P2與P1的差值ΔP稱之為排汽阻力。在工程設(shè)計(jì)中，一般將汽輪機(jī)排汽口壓力P1與凝汽器壓力P2假定為同一數(shù)值P。這一假定，在大型化電站機(jī)組的設(shè)計(jì)方案中，已不適用。隨著機(jī)組大型化的建造趨勢(shì)，機(jī)組的發(fā)電功率提升迅速。同時(shí)，低壓缸排汽口至凝汽器管束上方的連接結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜。因此，這些因素導(dǎo)致了與凝汽器壓力相關(guān)的機(jī)組指標(biāo)的偏差也越來越大。在常規(guī)火電機(jī)組中，背壓每變化1 kPa，機(jī)組熱耗將變化4‰～7‰，而大型機(jī)組的排汽阻力，時(shí)常超過1 kPa，因而汽輪機(jī)排汽阻力對(duì)熱耗的影響，可達(dá)到50 kJ/kW·h。

1 降低凝汽器排汽阻力的設(shè)想

降低凝汽器排汽阻力的研究，主要集中在管束形式、循環(huán)水的流程設(shè)置、抽空氣區(qū)的分布及凝汽器上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等方面。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，不少研究機(jī)構(gòu)提出了改善凝汽器喉部阻力以降低整個(gè)凝汽器排汽阻力的設(shè)想。

1.1 蒸汽流動(dòng)均勻性

越來越多的技術(shù)研究，著重于解決汽輪機(jī)低壓缸排汽口及凝汽器喉部流動(dòng)的均勻性問題，并有很多設(shè)備制造商以提高凝汽器喉部流動(dòng)均勻性為目標(biāo)，對(duì)凝汽器的喉部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，以提升機(jī)組的運(yùn)行效率。

降低蒸汽流動(dòng)阻力與提高蒸汽流動(dòng)均勻性，雖有一定關(guān)系，但不宜等同而論，更不能將降低蒸汽在低壓缸排汽口和凝汽器管束上排之間的阻力問題，轉(zhuǎn)化為提高蒸汽流動(dòng)均勻性問題。提高低壓缸排汽的均勻性，也不是凝汽器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的最終目標(biāo)。通過分析，理清多個(gè)因素的相互關(guān)系。

(1)蒸汽在喉部流動(dòng)的均勻性，并不是衡量凝汽器性能優(yōu)劣的指標(biāo)。

(2)至今，沒有對(duì)均勻性指標(biāo)提出合理且可操作的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

(3)均勻性與凝汽器的優(yōu)化目標(biāo)(背壓)之間，存在著一定關(guān)系，但兩者之間沒有明確的相關(guān)性。以凝汽器喉部流動(dòng)更均勻?yàn)閮?yōu)化目標(biāo)，不能得到凝汽器壓力更低、傳熱特性更佳及性能更優(yōu)的結(jié)論。

1.2 凝汽器喉部的排汽阻力

低壓缸和凝汽器喉部的排汽阻力與凝汽器殼側(cè)阻力存在一定的關(guān)系。某些觀點(diǎn)認(rèn)為，低壓缸和凝汽器喉部排汽阻力與凝汽器殼側(cè)阻力是正相關(guān)的。也就是說，排汽阻力增大，則凝汽器殼側(cè)阻力增加，反之亦然。

蒸汽自凝汽器壓力測(cè)量點(diǎn)(管束上排約300 mm處)至凝汽器出口(凝結(jié)或空氣抽出口)之間存在一定的壓差(0.2～1 kPa)。這部分壓差提高了凝汽器的背壓，也利于形成較高的傳熱系數(shù)。對(duì)這部分阻力的討論結(jié)果，在現(xiàn)有凝汽器的研究中較為復(fù)雜。在前蘇聯(lián)的研究文獻(xiàn)中，對(duì)凝汽器管束區(qū)阻力的計(jì)算，給出了較為粗略的估算方法。至今，還沒有關(guān)于管束區(qū)阻力與管束區(qū)傳熱特性相互影響或相關(guān)的研究成果。

在凝汽器壓力測(cè)量點(diǎn)至低壓缸排汽口之間的蒸汽，也存在一定的壓差(200～500 Pa)。這部分的壓差，直接提高了汽輪機(jī)排汽口的壓力，同時(shí)，也會(huì)影響凝汽器管束區(qū)域流動(dòng)阻力的分布。

目前，在新建大型機(jī)組中，凝汽器喉部的支撐結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，不僅在喉部?jī)?nèi)布置了低壓加熱器，還接入了旁路和小汽機(jī)排汽。由于各種抽汽管組的加入，加劇了凝汽器喉部流場(chǎng)的不均勻性。

針對(duì)凝汽器排汽阻力的研究，不僅要計(jì)算蒸汽在凝汽器喉部的流動(dòng)阻力，還應(yīng)以蒸汽在凝汽器喉部的流量為研究變量，以降低凝汽器的壓力為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮蒸汽在凝汽器喉部及管束區(qū)的流動(dòng)阻力，同時(shí)，還需考慮凝汽器管束的傳熱特性。

2 主要研究成果

2.1 流動(dòng)阻力與傳熱特性的關(guān)系

以300 MW、600 MW、1 000 MW等級(jí)的凝汽器為例，對(duì)凝汽器喉部流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，解析了各阻力與蒸汽流動(dòng)特性之間的相互關(guān)系。

(1)凝汽器喉部?jī)?nèi)蒸汽的流動(dòng)特性，將影響喉部阻力、管束阻力和管束區(qū)域的傳熱特性，這些因素又綜合影響了凝汽器進(jìn)口處的壓力變化。

(2)各種因素的改變，將引起凝汽器進(jìn)口處壓力的變化。影響因素的排序，依次為管束阻力、管束傳熱特性、喉部阻力。

(3)利用特定方式改變凝汽器喉部的流動(dòng)特性，可降低凝汽器進(jìn)口處蒸汽的平均壓力。

2.2 降低凝汽器阻力的技術(shù)方案

2.2.1 增設(shè)導(dǎo)流板

降低凝汽器的排汽阻力，首先應(yīng)關(guān)注管束區(qū)域的阻力和管束區(qū)域的傳熱效率，其次是增設(shè)導(dǎo)流板，從而可降低蒸汽在喉部的流動(dòng)阻力。對(duì)喉部阻力的仿真結(jié)果，是建立在對(duì)凝汽器喉部蒸汽均勻性研究的基礎(chǔ)上。增設(shè)導(dǎo)流板后對(duì)喉部阻力的影響，如圖1所示。

圖1增設(shè)導(dǎo)流板對(duì)凝汽器喉部阻力的影響

圖2 壓降等值線圖

在不考慮管束阻力分布和管束傳熱特性的前提下，單純以蒸汽在喉部流動(dòng)阻力為研究對(duì)象，分別計(jì)算了增設(shè)導(dǎo)流板前后的喉部阻力。在豎直方向上，以每排支撐管為計(jì)算對(duì)象，增設(shè)導(dǎo)流板前后的阻力分布，如表1所示。

表1增設(shè)導(dǎo)流板前后的阻力分布

考察平面增設(shè)導(dǎo)流板前阻力/Pa增設(shè)導(dǎo)流板后/PaPlat171.473.1Plat2133.8128.8Plat3183.5157.0Plat4226.2179.3

某凝汽器喉部結(jié)構(gòu)在特定的流量下，增設(shè)導(dǎo)流板后，蒸汽在喉部形成的靜壓損失，由216.2 Pa降低至179.3 Pa，最高約有50 Pa的阻力降。增設(shè)導(dǎo)流板后，可直接降低喉部阻力，雖有一定價(jià)值，但在凝汽器整體阻力中所占比例，還是較小的。

2.2.2 凝汽器內(nèi)件對(duì)喉部阻力的影響

在凝汽器喉部?jī)?nèi)設(shè)置有低壓加熱器及減溫減壓器等設(shè)備。在凝汽器的上部，還設(shè)有各種形式的支撐管，這些結(jié)構(gòu)件都將對(duì)凝汽器的喉部流場(chǎng)產(chǎn)生直接的影響。

對(duì)凝汽器喉部低壓加熱器在豎直方向的位置變化進(jìn)行了仿真計(jì)算，各組件的壓降等值線，如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，低壓加熱器的布置位置，對(duì)凝汽器的整體阻力有較大影響，汽阻變化值為100～300Pa，如圖3所示。抽氣管組、內(nèi)插式的減溫減壓器、喉部支撐等組件，也對(duì)凝汽器的整體阻力有較大影響，為50～200 Pa。

圖3 低加不同位置汽阻

圖4 均勻流場(chǎng)下的傳熱系數(shù)

2.2.3 流場(chǎng)均勻性對(duì)阻力和傳熱特性的影響

蒸汽在喉部流動(dòng)的均勻性，對(duì)凝汽器喉部蒸汽阻力有直接影響，變化值約為50 Pa。同時(shí)，蒸汽流動(dòng)的均勻性，也影響著蒸汽在管束區(qū)的阻力和凝汽器的傳熱特性。在均勻流場(chǎng)下的傳熱系數(shù)，如圖4所示。流場(chǎng)不均勻時(shí)的傳熱系數(shù)，如圖5所示。

圖5流場(chǎng)不均勻時(shí)的傳熱系數(shù)

研究結(jié)果表明，流動(dòng)不均勻時(shí)，將大大提高凝汽器的平均傳熱系數(shù)。在均勻流場(chǎng)下，凝汽器上部管束區(qū)的算術(shù)平均傳熱系數(shù)，為3 112.88 W/(m2·℃)，下部管束區(qū)的算術(shù)平均傳熱系數(shù)，為2 576.81 W/(m2·℃)?？紤]凝汽器流場(chǎng)的不均勻性，凝汽器上部管束區(qū)的算術(shù)平均傳熱系數(shù)，為4 368.82 W/(m2·℃)，而下部管束區(qū)的算術(shù)平均傳熱系數(shù)，為2 441.74 W/(m2·℃)。

經(jīng)綜合考慮，在凝汽器喉部蒸汽完全均勻分布的情況下，凝汽器的整體傳熱系數(shù)，為2 884.85 W/(m2·℃)。在某個(gè)特定不均勻分布的工況下，凝汽器的整體傳熱系數(shù)，為3 405.28 W/(m2·℃)，與完全均勻分布工況下的整體傳熱系數(shù)相比，相差18%。

3 結(jié)構(gòu)與參數(shù)匹配

喉部流場(chǎng)的分布問題，關(guān)系到凝汽器整體運(yùn)行的效率，涉及的內(nèi)容很多，研究的難度也較高。根據(jù)研究結(jié)果分析，凝汽器設(shè)計(jì)時(shí)各參數(shù)的選取與匹配，影響了凝汽器最終入口處的平均壓力。

(1)凝汽器管束形式與凝汽器喉部?jī)?nèi)件結(jié)構(gòu)的匹配。

(2)凝汽器面積余量的選取與凝汽器喉部?jī)?nèi)件結(jié)構(gòu)的匹配。

(3)凝汽器導(dǎo)流板的增設(shè)方式、數(shù)量、位置與凝汽器喉部?jī)?nèi)件結(jié)構(gòu)、凝汽器管束形式、凝汽器面積余量的匹配。

4 結(jié) 語

研究凝汽器的汽側(cè)阻力時(shí)，單純分析凝汽器的上部阻力并不合理。整體考慮凝汽器特定管束形式及喉部流場(chǎng)的分布，才是降低凝汽器汽側(cè)阻力合理手段。除了增設(shè)導(dǎo)流板之外，合理布置凝汽器內(nèi)件位置及形式，同時(shí)合理地考慮凝汽器喉部?jī)?nèi)件布置和凝汽器管束的參數(shù)匹配，是降低凝汽器蒸汽阻力的有效手段。