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文档简介

第1期2014年3月圣言乞论般D0NGFANGTURBLNENO1MAR2014吴银钧,张莉,程器,姚秀平上海电力学院能源与机械工程学院,上海。200090摘要文章通过求解与凝汽器壳侧传热相耦合的冷却水温的微分方程,实现了基于冷却水温求解的凝汽器全三维计算,计算模型更接近真实的物理模型对某600MW机组凝汽器的计算表明,计算结果可以展现出凝汽器壳侧蒸汽流动换热以及冷却水温分布的三维性,计算结果更为合理。关键词凝汽器,冷却水温,三维,数值模拟中图分类号TK264文献标识码A文章编号167499872014010007063DNUMERICALSIMULATIONOFSTEAMCONDENSERSBASEDONSOLVINGTHEEQUATIONOFTEMPERATUREOFCOOLINGWATERWUYINJUN,ZHANGLI,CHENGQI,YAOXIUPINGCOLLEGEOFENERGYANDMECHANICALENNEERING,SHALLGHAIUNIVERSIOFELECTRICLOWER,SHANGHAI,200090ABSTRACTBVSOLVINGTHEDIFFERENTIALEQUATIONOFTHETEMPERATUREOFCOOLINGWATERCOUPLINGWITHTHEHEATTRANSFEROFFTHESHELLSIDE【FTHECONDENSERA3DNUMERICALSIMULATIONOFSTEAMCONDENSERWASACCOMPLISHED。ANDTHECALCULATIONMODELWASCLOSERTOTHEREALPHYSICALMODE1THECALCULATIONRESULTSOFA600MWCONDENSERSHOWEDTHATTHECALCULATIONRESULTSCOULDDISPLAYTHE3DNATUREOFTHESTEAMFLOWANDHEATTRANSFERONTHESHELLSIDEOFTHETHETEMPERATUREOFCONDENSERANDTHEDISTRIBUTIONOFTHETEMPERATUREOFCOOLINGWATERTHECALCULATIONRESULTSWEREMOREREASONABLEKEYWORDSCONDENSER,TEMPERATUREOFCOOLINGWATER,3D,NUMERICALSIMULATION1前言凝汽器是一种伴随工质相变换热过程的特殊换热器其流动与传热现象甚为复杂一方面,随着蒸汽的凝结,凝汽器壳侧介质的速度、压力、空气浓度以及管侧冷却水温等参数不断变化另基金项目作者简介一方面上述参数的变化反过来又会影响凝汽器壳侧各处的传热系数、热负荷以及蒸汽的凝结可以说凝汽器内的传热过程是一个多参数耦合的非线性凝结传热问题II其中冷却水温度沿轴向的变化是引起凝汽器壳侧流动和传热呈现出三维特性的主要因素要对这一复杂传热过程进行准确、合理的求上海市科委专项科研项目编号11DZ2210500,12DZ2280300。吴银钧1989一,男江苏南通人,上海电力学院能源与机械工程学院硕士。7第1期2014年3月圣IT芘粉拔DONGFANGTURBINENO1MAR2014解研究人员一直在做着不懈的努力以期能对凝汽器的设计、改造和运行起到更好的指导作用。目前随着计算机技术的发展,国内已陆续实现了凝汽器的一维、二维、准三维和全三维的数值计算25。但是仔细分析国内凝汽器全三维数值计算的文献资料发现在凝汽器各处热负荷的计算过程中,多数文献对于热负荷公式P一KA一中传热系数K的计算均给出明确的分析,而对于冷却水温的求解仅仅是笼统地解释为满足热平衡方程并没有明确地给出冷却水温的计算思路和方法事实上由于凝汽器内部传热问题的非线性冷却水温的求解是否准确不仅直接影响着热负荷的计算而且对于凝汽器各处传热系数的计算也有着间接的影响并最终影响到热负荷的计算因此,为了让凝汽器的全三维计算结果更加合理有必要推敲和研究凝汽器全三维计算中管侧冷却水温的计算本文即是在实现凝汽器全三维计算过程中在保证局部蒸汽放热与冷却水吸热热平衡的基础上确立出冷却水温求解的微分方程并在FLUENT计算平台上通过UDS用户自定义标量方程求解程序的编写和加载实现了基于冷却水温求解的凝汽器全三维计算使凝汽器的全三维计算更为合理21物理模型及控制方程凝汽器壳侧的蒸汽流动是发生在冷却管束间的多组分介质凝结的三维流动为了实现凝汽器内流动传热现象的数值模拟之前的大量文献已对凝汽器内的流动传热进行了合理的假设并建立了相应的控制方程161所建立的控制方程包括蒸汽空气混合物的连续性方程、动量方程、湍流模型以及空气浓度方程在笛卡尔直角坐标系下,上述方程的统一形式见式1。暑U币咖砉警0砉誓8当然为了保证控制方程的封闭性数值计算过程中还需补充一些必要的关系式如局部传热量计算式、各传热环节的表面换热系数实验关联式以及管束区蒸汽流动分布阻力关系式等鉴于本文的凝汽器数值计算中涉及的这些内容与之前的文献无异故不再赘述22冷却水温微分方程本文的数值计算重点是确立能够在F1UENT计算平台上求解的冷却水温微分方程考虑到局部位置上蒸汽放热与冷却水吸热的热平衡可列出式2。GD仃DZ一2其中等式左侧为局部位置上冷却水的吸热量等式右侧为局部位置上蒸汽与冷却水之间的传热量。式中一冷却水水温;一蒸汽空气混合物的温度;一当地传热系数Z一冷却水管长方向坐标一冷却管外径;Q单根冷却管内的质量流量;C一冷却水定压比热。将式2进行整理,即可得到求解冷却水温沿轴向变化的微分方程式3。马一堕3AZQN对比F1UENT可求解的多种用户自定义标量方程形式发现,式3与式4具有类似的方程形式。7PUCF7S4式中PU一自定义标量方程的对流项;R一扩散项5厂源项。将式4中的变量取冷却水温同时方程中对应的对流项、扩散项和源项分别设为10,则该冷却水温求解的微分方QP程即可转变为可在FLUENT中求解的自定义标量方第1期2014年3月圣言乞粉揍DONGFANGTURBINENO1MAR2014程3数值计算方法实施的验证凝汽器是一个非常庞大的换热设备很难对凝汽器实体进行实验来检验计算的正确性。作者所在课题组的其他成员曾对有实验数据的某一凝汽器二维模型进行数值计算验证了凝汽器数值计算方法和实施过程的准确性本文工作是前期工作的延续继续沿用前期_丁作中的凝汽器数值计算的基本方法和实施步骤在此不再单独进行数值计算的验证4数值模拟的实现41计算对象简介本文选取某600MW亚临界发电机组凝汽器为计算对象该机组凝汽器为双背压、单流程凝汽器,高、低压凝汽器具有相同的几何结构,每个凝汽器内布置有两个对称的管束区,每个管束区有独立的空冷和抽气口凝汽器被隔板隔成14个汽室凝汽器横断面的几何示意图见图L42网格划分及边界条件对该机组的低压凝汽器进行几何建模并进行网格划分结构的对称性模型所有区域均采用六面体网格,网格数为415732网格划分如图L所示。图1凝汽器网格划分示意图计算中根据凝汽器的设计工况以及凝汽器真空严密性的情况,对进口边界、出口边界、固体壁面等进行了边界条件设置43冷却水温的UDS程序编写和加载在FLUENT计算平台对冷却水温微分方程的对流项、扩散项、源项进行UDS程序的编写和加载设置冷却水入口温度边界条件并将出口水温做单向化处理即可完成耦合凝汽器壳侧换热的冷却水温沿轴向变化的计算将计算所得的冷却水温用于凝汽器的维计算即实现了基于冷却水温求解的凝汽器全维数值模拟5计算结果分析采用前面所述的方法对计算对象完成了基于冷却水温微分方程求解的凝汽器I维数值模拟工作得到了凝汽器壳侧速度、压力、空气浓度、传热系数、凝结牢以及冷却水温的分布等参数的分布51冷却水温升分布图2显示FFI了求解得到的凝汽器冷却水温整体分布情况从中可以看M冷却水温沿流动方向逐渐升高,表现F“明显的维性。同时,管束区上方的冷却水温度略高于下方中心空冷区冷却水温度升高不明显图3进一步展示了凝汽器第1、7、L4汽室巾截面的冷却水温升分布情况。从图中可以看到在横截面上,冷却水温从管束区外围向管束区内部不断降低在管束区部分区域,冷却水温升较大;在空冷区,冷却水温升接近为零该区域几乎起不到凝结蒸汽的作用而在冷却水流动方向上冷却水温沿轴向上的变化非常明显图2凝汽器整体冷却水温分布图9第1期2014年3月F一圣言乞盼般DONGFANGTURBINEA第1汽室中截面B第7汽室中截面图3各汽室中截面冷却水温升分布图对数值模拟结果进行数据提取得到的冷却水平均出VI水温约为2418温升约为418CLC而在额定工况下该凝汽器冷却水设计温升为10单个凝汽器温升约为5,表明数值模拟结果与设计值基本吻合这在一定程度上验证了本文关于冷却水温求解的正确性52凝汽器壳侧的流动与传热特性在凝汽器中冷却水的温升情况与凝汽器壳侧的蒸汽换热相耦合冷却水温的合理准确计算能更进一步地保证凝汽器壳侧蒸汽换热的合理性。521凝汽器壳侧的流动分析图4为凝汽器壳侧第1、7、14汽室中截面的NO1MAR2014速度、压力分布图。从图中可以看出在凝汽器横截面上进入凝汽器的蒸汽以较高的流速包绕着管束外围然后进入管束区进行凝结随着蒸汽凝结,蒸汽的流动速度降低,压力也同时降低。在图中各汽室内蒸汽在截面上的流速没有太大差别,各汽室压力分布也没有明显的不同,但仔细分析计算得到的凝汽器各处蒸汽流速数据会发现凝汽器壳侧各处的蒸汽都存在着一定的沿轴向的速度表现出蒸汽整体上有从后面汽室流向前面汽室的趋势表明进入各汽室的蒸汽流量不同从而反映出了凝汽器壳侧流动的三维特性。而这样的三维性也在后面的传热分析中找到了原因8第L汽室中截面B第7汽室中截面C第14汽室中截面图4各汽室中截面压力、速度分布图PA522凝汽器壳侧的传热分析图5图7分别为凝汽器壳侧各汽室内传热系数、凝结速率和空气浓度分布情况。从图5图7可以看出在凝汽器横截面上计算得到的壳侧蒸汽的换热情况表现出一定的合10理性。传热系数在管束区外围达到最大值,随着蒸汽不断向管束区流动、凝结,空气浓度不断升高,传热系数不断降低,并在空冷区达到最小;凝结速率分布有着与传热系数相对应的分布趋势。传热系数和凝结速率较大的区域与前面冷却水温笫1期2014年3月圣言乞论拔DONGFANGTURBINENO1MAR2014的分布规律也相匹配在此处由于传热效果较好冷却水温升相应的也较大。与此同时。空气浓度的分布也表现出了蒸汽在流动进程中不断凝结的过程。在轴向方向上从图5不同汽室的传热系数分布和图7的空气浓度分布来看各汽室参数的分布差别不大似乎蒸汽侧的换热也没有表现出明显的I维特性但观察图6的凝结速率分布。从图中很容易地看出壳侧蒸汽换热的三维性即各汽室的凝结速率明显不同。沿冷却水流动方向凝结速率逐步减少分析其中原因是因为冷却水温沿流动方向不断提升降低了冷却水与蒸汽的温差也影响了当地的传热量,因此当地凝结速率减少。但是,由于蒸汽在凝汽器中流动时会自动形成流量平衡,即趋于流向传热量大、凝结阻力小的地方因此,传热量大、凝结速率高的前面的汽室流进了更多的蒸汽而流入后面汽室的蒸汽流量相对较少当然前面的汽室也完成了比后面汽室更多的蒸汽凝结的任务最终,通过各汽室凝结速率的调整使得各汽室在蒸汽流量的分配上进行平衡调配达到凝汽器各汽室压力、传热系数、空气浓度比较平衡的局面A第1汽室中截面B第7汽室中截面C第14汽窀中截面图5各汽室中截面传热系数分布图WMA第1汽室中截面FB第7汽室中截面E第14汽室中截面图6各汽室中截面凝结速率分布图KGMA第1汽室中截面B第7汽室中截面C第14汽室中截面图7各汽室中截面空气浓度分布一OOOO0O00OOO一一一鲫。L摇一一旧慢慢慢啊一目HI一第1期2014年3月索言浇论般DONGFANGTURBINENO1MAR20146结论参考文献黪【1】张卓澄大型电站凝汽器【M】北京机械工业出版社,19936871凝汽器内蒸汽的热量由冷却水带走冷却水的升温与蒸汽的凝结相耦合因此有必要采用能够表达这一物理现象的计算模型来求解凝汽器中的流动与换热文章对冷却水建立局部热平衡式得到与蒸汽凝结相耦合的冷却水温微分方程并将该方程的求解并入凝汽器壳侧蒸汽换热的计算中对某600MW机组凝汽器的计算表明计算结果可以展现出凝汽器壳侧蒸汽流动换热以及冷却水温分布的三维性计算结果更为合理文章表明基于冷却水温求解的凝汽器全三维计算可以更好地模拟凝汽器壳侧蒸汽的流动传热现象有助于研究人员了解凝汽器内蒸汽的流动传热情况从而更好地推动凝汽器技术的进步与发展【2SPALDINGDBTHECALCULATIONOFFLEECONVERTIONPHENOMENONINGASLIQUIDMIXTURES11ICHMTSEMINARDUBROVNFL,19673XIUPINGY,ETA1NUMERICALSIMULATIONOFTHESTEAMFLOWFIELDANDHEATTRANSFERBEHAVIOROFAPOWERPLANTCONNSER【C】MULTIPHASEFLOWANDHEATTRANSFER,THIRDINTSYMPOSIUM,1993,12252324JR,华,沈坤全,史剑戟,等电站

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