（热能工程专业论文）凝汽器入口蒸汽流场的模拟试验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对凝汽器入口蒸汽流场对凝汽器性能和汽轮机排汽压力的影响，以国产引进 型3 0 0 m w 机组为例，利用数值模拟技术和模型试验相结合的办法对整个排汽通道 的气动性能和出口( 亦即凝汽器入口) 流场进行模拟试验研究。揭示其出口流场的 不合理分布，并实行优化改造，得到较为合理的出口流场。分析流场优化后凝汽器 传热系数、汽阻以及抽气口压力的变化，指出合理的入口蒸汽流场会使凝汽器性能 得到明显提高。为凝汽器的设计、改造和性能研究提供参考。 关键词：凝汽器，模拟试验，优化改造，排汽通道 a b s t r a c t d i r e c t i n ga tt h ei n f l u e n c eo f t h es t e a mv e i o c i t yf i e l da tt h ec o n d e n s e ri n l e to ni t s p e r f o r m a n c ea n d t h et u r b i n e se x h a u s tp r e s s u r e ，r e s e a r c ho na e r o d y n a m i c p r o p e r t yo f t h e w h o l ee x h a u s t p a s s a g ea n dv e l o c i t yf i e l da ti t so u t l e t ( i e t h ei n l e to f t h ec o n d e n s e r ) w e r e d o n ew i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i n gc o m b i n e dw i t hm o d e l i n gt e s tb y t a k i n gt h ec h i n a m a d e 3 0 0 m ws t e a mt u r b i n ef o ri n s t a n c e s i t su n r e a s o n a b l ev e l o c i t yf i e l di se x p o s u r e da n dt h e o p t i m a lr e t r o f i t t i n g s c h e m et ot h ee x h a u s t p a s s a g e i s p r e s e n t e d t o g e t ar e l a t i v e r e a s o n a b l e v e l o c i t y f i e l d a n dt h ev a r i a t i o no ft h eh e a tt r a n s f e r t o e f f i c i e n t s t e a m r e s i s t a n c eo ft h ec o n d e n s e ra n dt h ev a c c u m p u m p si n l e tp r e s s u r ea f t e rr e t r o f i t t i n gw e r e a n a l y z e da n dt h e c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tr e s o n a b l e v e l o c i t y f i e l dc a ne n h a n c et h e c o n d e n s e r sp e r f o r m a n c ea p p a r e n t l y ，w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rc o n d e n s e r s d e s i g n ， r e t r o f i t t i n ga n dp e r f o r m a n c es t u d y w a n k u i f a n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gs o n g l i n g k e yw o r d s ：e o n d e n s e r m o d e l i n ge x p e r i m e n t ，o p t i m a l r e t r o f i t t i n g ，e x h a u s t p a s s a g e 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文凝汽器入口蒸汽流场的模拟试验研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 特此申明。 学位论文作者签名：歪盎羞日期：! 坚。壁! 1 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名砸壹巷 日 期：口￥f i ：1 2 日 期：! 垡! ! 三：17 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 电力在国民经济中占有十分重要的地位。随着我国国民经济的快速发展，电力 能源的需求不断增加，越来越多的高参数大容量机组投入运行，一次能源的消耗随 着快速增长。据统计，我国煤炭消耗量的5 0 左右用来发电，发电的煤耗率在 3 5 7 9 k w h 左右，与世界发达国家有一定的差距：而全球能源危机的出现，使得如何 做好机组的节能挖潜工作、保证运行的经济性，越来越受到重视。有关文献显示， 对一台超高压汽轮机，凝汽器压力每降低o 9 8 1 k p a ，循环热效率可提高o 5 0 7 ； 而对一台亚临界6 0 0 m w 汽轮机，循环热效率相应可提高约o 5 【l j 。以全国年发电 量i 5 万亿千瓦时计算，如果真空提高o 3 k p a ，则每年可节约标准煤约7 8 7 万吨， 折合人民币1 8 9 亿元左右。所以说，凝汽设备尤其是凝汽器的工作性能对整个机组 的热经济性影响很大。 多年来科技工作者为了提高凝汽器的工作性能、降低汽轮机的排汽压力做了 大量的工作，也取得了长足的进步。这些工作包括排汽缸气动性能的研究、喉部支 撑元件的影响、不同管束布置方式对换热性能的影响等等，为凝汽器的设计和运行 提供了丰富的参考资料。但是在目前这些研究成果的基础上，想要再找到一种使得 凝汽器工作性能得到明显改善，进而排汽压力大幅下降的方法很困难。对于投入运 行的机组，只要凝汽器压力达到设计值，习惯上就不会再去考虑是否还有进一步降 低其压力的可能；而万一达不到设计值，除了查漏堵缺提高真空严密性外，就是改 变管束布置，增加换热面积。这不仅耗费大量资金，有时候还起不到应有的作用。 国产引进型3 0 0 m w 机组就处于这样一种状态1 2 】，虽然凝汽器面积从1 5 7 7 0 m 2 增加 到1 6 0 0 0 m 2 ，后又增加到1 9 0 0 0 m 2 ，但真空问题依然没有得到彻底解决。 所以，为提高凝汽嚣的工作性能，应寻求尽可能多的影响因素，克服其不利方 面，利用有利的一面，使凝汽器处于最佳工作状态。本文将对3 0 0 m w 机组凝汽器 入口蒸汽流场进行模拟试验研究，探求其对凝汽器工作性能以及排汽压力的影响， 力图为凝汽器的设计、改造和性能研究提供有价值的参考。 1 2 国内外发展现状 围绕着如何改善凝汽器的工作性能、提高机组经济性，国内外众多学者作了大 量工作。这些工作大致集中在两个方面，一是排汽缸气动性能的研究，一是凝汽器 传热性能的研究。研究过程中所使用的方法主要有实物模型试验和数值模拟。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1 模型试验发展情况 模型试验技术主要是日本、美国最为先进。图l 一1 是上世纪8 0 年代日本使用 匐萨音訇擎 | 内置一台恸口i三f 、 jiit 一 竖网回唧r i 船的彤嗑ll l 飞i ；竹_千 压丽蕊 。噍部下方部 考察内置 l 低加 数 一冈直 ! 旦! ! 型 - 的影响 7 l 一 ii 一划l 。 离 一谣薪立方”r r i 内置四低加l 降察低加位j 的影响l 鬻郏? 二 j 。 l ji - - 譬 士 ；弭 t 1 幽 r 一， _ r 鬼 彦i 萨 l n 广 i i l ! l 察低加直径的影响 r = z = e =j ：。 摅 ；蛐! 一。 叫流元件p _ l - 1 载f 雕巨察蠹 设导流l 鲴 | x f l | 型 卜惴响i _ l 一i tt 日 i l 镕；* i7 p il j 图l 1 日本凝汽器喉部模型空气吹风试验步骤 2 华北电力大学硕士学位论文 的模型试验方案。吹风试验目的在于再现汽轮机排汽缸内及凝汽器喉部内的流动 情况，主要是为了研究流动特性，寻求减少压力损失、使出口速度分布尽可能均匀 的措施，并且对凝汽器管束的布置和壳侧空间的设计也给予了应有的重视。 日本的凝汽器喉部模型吹风试验采用了较为先进的自动测试和数据整理系统。 他们采用能够测量三元流的五孔皮托管横移法进行气流参数的测量，并且可利用自 动横移器及其控制装置进行远距离操作，从皮托管和流量孔板获得的流动数据，通 过微型控制器及电子计算机，可直接计算并输出各测定点上的压力、流速、流量、 压力损失等。 该试验得到的垂直于出口截面的无因次速度分布见图l 一2 。 通过日本的模型试验可以看出，它更多的关注排汽缸出口流场，考查喉部加热 器布置对气动性能的影响，只有在喉部设置四台加热器时才考虑采用导流装置，其 目的是为了减小阻力损失。而喉部出口蒸汽流场如何影响凝汽器的性能并没有引起 重视。 图1 2 排汽口截面流场图 美国g e 公司通过试验也得出类似的结果( 见图1 3 ) ，并指出装设导流元件后， 可以使速度分布均匀一些f l 】。但该试验同样仅限于排汽缸。 国内在模型试验方面也作了许多工作，但与国外相似，大都局限于对排汽缸气 动性能的研究，侧重排汽缸结构和喉部支撑元件布置对排汽通道压力损失的影响 4 - 7 ，目的在于获得较小的阻力系数和较均匀的出口流场，没有将排汽缸和喉部作为 整体进行考虑。其实管束入口( 即喉部出口) 蒸汽速度分布对汽阻1 和传热系数影 响很大【10 1 。 近几年国内有关人员开始关注喉部出口流场对凝汽器性能的影响，提出在喉部 加装均流装置以改善出口流场，进而改善凝汽器工作性能，降低排汽压力卟“j 。并 华北电力大学硕士学位论文 将模型试验的结果应用到3 0 0 m w 机组上获得了成功，经西安热工研究院现场测试证 明，该技术可以降低排汽压力0 7 k p a 左右【15 1 。不过，该方案认为流场均匀后有效 传热面积增大、传热系数增加，引起端差降低从而降低了排汽压力。但对端差降低 乡笏，镫 融 iz - 、0 饼 坐队广一一t j 艘蚴 1 f | | n 心釜= =戳们、研一 图1 3 某低压汽轮机排汽缸出口截面上的汽流速度分布图( 美国) 的理论计算值却明显低于实际数值【”1 4 1 ：另外，夏季或南方地区电厂，凝汽器端差 本来就很小，应用该项技术后排汽压力仍然明显降低，说明还有其他原因在起作用， 该方案对此未作深入的探讨。另外，在现有基础上是否还有更加合理的改造方案也 值得做进一步的研究探讨。 1 2 2 数值模拟技术简介 近2 0 多年来，随着数值分析、多项流理论和计算机技术的成熟，凝汽器数值 模拟技术以其独特的优点得到快速发展。目前，加拿大的z h a n gc 等人提出的准三 维计算程序得到广泛的应用 1 6 1o 但该方法是步进式的，即在个汽室收敛后才进入 下一个汽室的计算。这种方法的不足之处是：对多流程冷凝器由于不知道上排第一 个汽室的冷却水进口温度而难以实现。另外，由于准三维模拟一般是根据各个汽室 从进口截面到抽汽口截面压降相等来确定各个汽室的进口蒸汽流量的，因此在知道 各个汽室的正确进汽量之前，单个汽室的收敛用途不大，只会增加计算机时。国内 以西安交通大学为核心，已开发出准三维数值模拟的有关程序 1 7 2 1 】。这些程序考虑 了由于冷却水温度升高所引起的沿轴向不同汽室中冷凝性能的变化，同时进行所 有汽室的计算，克服了z h a n gc 的方法的不足之处。这些数值模拟技术为凝汽器的 设计和改进提供了方向性的指导作用。 但是，我们必须看到，所有这些数值模拟技术都是以凝汽器入口蒸汽流场是均 匀分布的为前提，这一点显然与实际情况出入很大，所以有理由对其模拟结果提出 疑问并加以改进。 华北电力大学硕士学位论文 从这一点来说，对凝汽器入口( 即由排汽缸和喉部共同组成的排汽通道出口) 蒸汽流场进行试验研究，有其现实的积极意义。 1 3 本论文的主要工作 本论文以国产引进型3 0 0 m w 机组为例，主要进行了以下几方面的工作： l 、对国产引进型3 0 0 m w 机组原排汽通道及按文献 1 3 优化改造后的排汽通道进 行模型试验，确定损失系数，得到凝汽器管束的入口流场，为以后的理论分析提供 参考。 2 、通过有关试验，确定排汽通道改造最优方案，以期获得较好的经济效益。 根据有关文献【5 】和实际经验，初步设计多套新的优化改造方案，并利用商业软 件f l u e n t 对它们的出口流场进行数值模拟，确定几套可行的模型试验方案。 对数值模拟确定的几套方案进行模型试验，考查其损失系数和出口流场情况， 并最终根据模型试验的结果，兼顾损失系数和出口流场的合理性，确定可供选择的 优化改造方案。为了保证试验的权威性和准确性，除按比例加工制作凝汽器喉部和 导流元件模型外，末级以及排汽缸模型均借用哈汽试验中心原有的3 0 0 m w 机组排 汽蜗壳的模型。 工业应用试验。为确定改造方案的实际效果，将较易实现的方案应用到3 0 0 m w 机组上，并对其中的两台机组作改造前后的对比试验。 3 、排汽压力降低分析。 根据模型试验结果和现场实际应用情况，对凝汽器入口蒸汽流场均匀后，传热 系数增加、汽阻减小以及不凝结蒸汽量下降导致水环式真空泵性能提高的原因进行 分析。指出优化改造后3 0 0 m w 机组排汽压力降低的主要原因。 通过上述一系列试验研究和分析指出，凝汽器入口蒸汽流场是影响凝汽器工作 性能的重要因素，优化该流场可以明显降低汽轮机的排汽压力，改善循环的经济性。 相信这项技术对研究和改善凝汽器传热性能、降低机组排汽压力具有积极的意义， 也可为凝汽器设计和改造提供参考。 华北电力大学硕士学位论文 第二章凝汽器及其压力的确定 图2 1 是汽轮机排汽部分示意图；图2 2 是蒸汽在汽轮机内部做功的热力过 程线。可见，汽轮机的有效焓降与排汽压力五密切相关。要提高机组的经济性，就 a ，a s i i | 葛 图2 - l 汽轮机背压与凝汽器压力的关系图2 2 考虑进排汽机构损失的热力过程线 1 - 末级2 - 排汽缸蜗壳3 凝汽器喉部4 - 管束 应该尽可能的降低丘。虽然理想情况下，排汽缸的扩压作用很好，会使p 低于凝汽。 器内部压力以。但实际上，由于排汽要在沿程中克服摩擦阻力和涡流损失等，p ：一 般是p ，的1 0 2 1 0 6 倍，具体数值由排汽缸的气动性能决定。所以，在排汽缸一定 的条件下，只要维持p 。在较低水平，机组的经济性就会有保证。而p ，的高低主要依 赖于凝汽器的工作情况。 2 1 凝汽器的工作原理及作用 凝汽器是凝汽设备中最主要的部件之一，从传热学角度来讲，凝汽器是一种热 交换设备，图2 3 为其结构简图。在汽轮机内作过功的乏汽，从排汽缸出口1 、经 凝汽器喉部2 进入凝汽器冷却水管外侧空间( 汽侧) ，放出汽化潜热被循环水吸收， 并在冷却管外表面凝结成水后汇集到热水井6 ，再由凝结水泵抽出。冷却水从进1 37 进入水室，经冷却水管进入另一端水室4 ，转向后，经过上层冷却水管从出1 3l o 流 出。在此过程中同时吸热，将排汽温度控制在接近循环水温度的较低水平，从而在 凝汽器内部形成较低的压力。在凝汽器末端装有抽气口，由抽气器抽出漏入的不凝 结气体。 匕 h 华北电力大学硕士学位论文 由此可见，在电厂中凝汽器的作用可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 凝结作用 在蒸汽透平内作完功的蒸汽流入和排汽口直接相连的凝汽器。凝汽器内具有大 量的冷却管，冷却水从这些冷却管内流过，吸收管外蒸汽的汽化潜热，使蒸汽凝结 为水，作为锅炉的给水而循环使用。 图2 3 凝汽器结构简图 2 2 1 1 排汽进口2 喉部3 、9 水室管板4 水室 5 冷却水管 6 热水井7 冷却水进口8 水室隔板1 0 冷却水出口1 1 凝汽器外壳 ( 2 ) 维持高度真空 当汽轮机的迸汽焓值确定之后，汽轮机的热效率就决定于排汽的焓值，亦即决 定于排汽室的压力有多低。使排汽室保持低压力，换言之，就是使凝汽器维持高度 真空。所以，建立并维持一定真空是降低蒸汽终参数、提高电厂循环效率所必需的。 ( 3 ) 除氧作用 锅炉的给水，必须尽量降低并控制溶于给水中的氧气以减轻整个热力系统中材 料的腐蚀。为了减少凝结水中的含氧量，大型凝汽器内还专门设置了凝结水的除氧 装置。凝结水在进入热井时，以适当的方式喷洒成细小的水滴，由于表面积的增加， 溶于水中的气体易于逸出。逸出的气体以及漏入凝汽器的空气由抽气装置抽出排向 凝汽器外，实现对凝结水的初步除氧。 ( 4 ) 蓄水作用 凝汽器的底部有称为热井的容积较大的存水区。此处是汇集并暂存凝结水 的地方。对汽轮机循环中急剧的流量变化起缓冲作用，以谋求系统调节的稳定 性。同时该贮水区还可以确保凝结水泵必要的吸入压头，以防凝结水泵汽蚀。 2 2 机组运行对凝汽器的要求 华北电力大学硕士学位论文 要实现上述的任务，现代大机组的冷凝器必须满足下列要求： ( 1 ) 要有较高的传热系数和合理的管束布置 对凝汽器来讲，要使传热效果好，主要是通过合理的管束布置来达到。同时， 管束布置还关系到蒸汽空气混合物的流动阻力以及凝汽器的除氧效果。 冷凝器内蒸汽在不断的凝结过程中，空气所占的百分数逐步增长，传热系数则 随之逐步降低，只有适当的设置流道，使进入管束的蒸汽边凝结边流向空气冷却区， 避免与刚进入管束的蒸汽相混合，才能改善流动条件。合理的流道还能使蒸汽负荷 均匀地分配于管束，也有利于热量的传递。 ( 2 ) 凝汽器本体及真空系统要有高度严密性 凝汽器水侧压力大于汽侧压力，若水侧密封不严，冷却水将渗漏入凝结水中， 使凝结水污染，严重恶化凝结水品质，这对高参数的热力设备是个极大的威胁。同 样，如果汽侧密封不严，空气将漏入凝汽器中，影响凝汽器的传热条件，降低真 空度。因此，要求水侧和汽侧都要有高度严密性。 ( 3 ) 汽阻和凝结水的过冷度要小 蒸汽空气混合物在凝汽器内流动时，由于存在蒸汽流动阻力( 称为汽阻) ，故从 凝汽器进口到抽气口，绝对压力要降低一些，从而使凝结水过冷度和含氧量增大。 因此，应尽量减小汽阻。汽阻大小和凝汽器几何尺寸、管子排列方式、抽气点位置、 排汽量和冷却水温等因素有关。只要设计合理，汽阻一般为2 3 毫米水银柱。如果 设计不合理，汽阻会有明显的增加f 2 3 1 。 ( 4 ) 水阻要小 凝汽器水阻由冷却水在凝汽器冷却管中流动的沿程阻力、进出管子和进出水室 时的局部阻力三部分组成。这一阻力的大小直接影响循环水泵的能耗。 ( 5 ) 凝结水含氧量要小 凝结水含氧量增加会引起管道腐蚀，威胁设备寿命和机组安全运行。所以，目 前大型凝汽器内都装有真空除氧装置。 ( 6 ) 便于清洗冷却水管 随着机组容量的不断加大，凝汽器冷却面积越来越大，冷却水管的根数和长度 均大幅度增加。必须考虑可以采用机械、胶球或化学方法进行在线自动清洗。 2 3 凝汽器压力的确定及影响因素 华北电力大学硕士学位论文 凝汽器能否满足运行要求，取决于其工作性能，而工作性能又直接由其内部压 力表现出来。 从换热角度来看，凝汽器可以看作是表面式换热器，定温凝结放热的蒸汽是热 源；吸热的循环水为冷源。由于进入凝汽器的蒸汽是湿蒸汽，压力与温度是一一对 应的，只要确定了温度也就确定了压力。而其温度可由下式确定2 4 ： t 。= t 。2 + 6 t = f 。l + f + 所 ( 2 1 ) 由上式确定了f 。后，即可得到对应的凝汽器压力，排汽压力就可以用下式计算： p c = p c + 厶p 。 ( 2 2 ) 从蒸汽流动损失角度来看，凝汽器的工作过程可以看成是多相流横向冲刷管束 ( 可视为多孔介质) 的过程。在流动过程中必然要产生压力损失，该损失就是平常 所说的凝汽器汽阻，即凝汽器入口压力与抽气口压力的差值。所以凝汽器的压力又 可以用下式来表示： 见= 卸。+ p j ( 2 3 ) 则最终排汽压力用下式获得： p 。= 卸。+ 肛= a p = + 卸。+ p “ ( 2 4 ) 由式( 2 一1 ) 确定凝汽器压力时，“取决于气候、地理位置和供水方式；a t 由 负荷和循环水量决定；西主要受传热系数k 的影响，取决于凝汽器的换热性能。主 要影响因素包括管束布置方式，蒸汽速度，汽侧空气含量，冷却管的清洁程度等等。 此法没有考虑到抽气设备对凝汽器压力的影响。另外，虽然考虑了汽测蒸汽流 速( 即热负荷) 的影响，但修正时过于粗糙，认为单位面积蒸汽负荷大于临界值时 对传热没有影响，只是在小于临界值时才给予修正。按此法确定凝汽器压力时，一 旦凝汽器严密性合格而真空达不到设计值时，往往把原因归于管束设计不合理。改 进方法也就局限于对管束的调整上。而忽视了蒸汽流场也是可以改变的事实。况且 有些蒸汽流场是很难找到合理的管束布景与之搭配的。 由式( 2 - - 3 ) 可知，管束布置方式、传热系数、局部热负荷分配等影响蒸汽流 动的因素以及抽气口压力都会影响凝汽器压力。但是其难点在于目前对多相流横向 冲刷管束换热问题的认识还不充分，对汽阻还无法提供精确的理论计算方法。 无论用哪种方法确定凝汽器的压力，我们的目的是获得尽可能低的( 当然要 大于极限背压，并且不是单纯靠增加循环水量来实现的) ，也就是使见+ 艮之和最 低。但这未必意味着见和蛾都达到最低。所以，孤立的研究排汽缸或排汽通道的 9 华北电力大学硕士学位论文 气动性能，单纯减小其损失系数或者孤立的研究凝汽器管束的换热性能而不考虑排 汽通道对其入口蒸汽分布的影响，都未必会获得理想的结果。而应该将二者结合起 来考虑，以获得最低的以+ 蛾，即矗。 2 4 引进型3 0 0 m w 机组凝汽器结构及存在的问题 2 4 1 平衡降流式凝汽器的结构 国产引进型3 0 0 m w 汽轮机组，其设计源于美国西屋公司的技术，凝汽器管束结 构的型式选用了七十年代目立公司开发的平衡降流式的管束型式，这种凝汽器也称 为平衡降流式凝汽器。 图2 4 为平衡降流式凝汽器结构示意图。凝汽器由壳体、支持管板、冷却管、 管板水室、加强肋等组成。冷却管的布置形式应保持有效地进行热交换。 国产引进型3 0 0 m w 汽轮机组凝汽器管束的冷却区分为辐射区、密距区和空气冷 却区三部分。各部分按其功能来排列。图2 - 5 表示蒸汽的流动形态。自凝汽器上 图2 - 4 平衡降流式凝汽器结构示意图】 部来的汽轮机排汽在辐射区充分地被凝结。这种凝汽器的结构与传统凝汽器的主要 区别在于管束的排列和不设挡板。其抽气口设置在比管束中心稍低的部位处，空冷 区的周围管子布置得较密( 密距区) ，以提高凝结效率。密距区的外周为管子排列 较疏的辐射区。在辐射区中设有蒸汽通道以减少压力损失并使蒸汽均匀分开。密距 区和辐射区的尺寸则是在蒸汽密度不因凝结而改变、只是流速降低等假设条件下， l o 华北电力大学硕士学位论文 由电子计算机计算确定。蒸汽中所含的不凝结气体及挟带于不凝结气体中的蒸汽通 过管束中央的空气收集管，在各支持管板之间均匀地汇集起来，被导入空气冷却区， 在空气冷却区中进一步被冷却后排出凝汽器之外。这样，从排汽口流入的蒸汽在管 束内的流动损失在任何部位处大致相同。 图2 - 5 蒸汽的流动型态 2 3 】 综上所述，这种管束排列法的主要特点为： ( 1 ) 在管束上部，汽流以向下为主：在管束下部，汽流变为辐射向流动；形 成流型均滑、无停滞区的均匀分布的流动状态。 ( 2 ) 不设疏水挡板和将空冷区隔离的挡板。这样，汽流的速度动能可匀滑地 转变为压力能，减少了管束中蒸汽流动的损失，从而形成了较高的真空度。 ( 3 ) 均匀一致的蒸汽流型有助于提高凝结水的回热效果，可降低凝结水的过 冷度，有利于提高电厂效率。 采用这种先进的管束排列方式的平衡降流式凝汽器在以下性能方面优于传统凝 汽器： ( 1 ) 传热系数和蒸汽流量的分布 在平衡降流式管束中，等传热系数分布是以抽气口为中心呈同心圆式分布，从 外周向内部缓慢变化着。管束中热负荷q 的分布也是以抽气口为中心呈同心圆状， 且由外周向内逐渐减小。由此可以推断管束上下部沿辐射区内汽流的流动是很平滑 的，它没有传统型那种因疏水挡板而被分成三部分且在下挡板的周围形成了蒸汽停 滞区的情况。而传统型管束中，热负荷以挡板为界，由外周向内部变化，在挡板附 近数值很低。这表明蒸汽在辐射区管束中虽然流动畅通，但因受到挡板的阻碍，蒸 华北电力大学硕士学位论文 汽流动损失增大了。这种热负荷分布上的差异，说明了平衡降流式管束具有较高的 传热系数。这两种管束的蒸汽流量分布如图2 - 6 、2 7 【23 所示。为了对比，将平 衡降流式管束也分成与传统型一样的三部分。结果表明，与传统型管束相比，进入 平衡降流式管束上部和中部的蒸汽量减少，而进入下部的蒸汽量则增加到2 2 7 。 这说明平衡降流式管束中的蒸汽分布要比传统型均匀。但是如果入口蒸汽流场与设 计时的假定差距很大的话，上述结论就可能存在较大误差。 ( 2 ) 凝汽器的真空度 凝汽器的综合性能可由真空度来评价。不论热负荷如何，平衡降流式凝汽器的真 空度均比传统型的高。这是因为在平衡降流式中排除了因疏水挡板而产生的蒸汽流动 阻力和汽流偏移现象，从而降低了流动损失的缘故。 ( 3 ) 凝结水的过冷度 凝结水的过冷度也是评价凝汽器性能优劣的一个重要指标。凝结水过冷度越大， 系统的热经济性越差。在平衡降流式凝汽器中，过冷度几乎不随负荷变化，且均在 0 5 c 以内，显然低于传统型凝汽器。这归因于在整个管束范围内汽流分布均匀，避 图2 6 传统型管柬的蒸汽流量分布图2 7 平衡降流式管柬的蒸汽流量分布 免了某些管外液膜过厚的现象，而且蒸汽和凝结水的接触条件也较传统型好，利用 管束下部辐射区进行回热的效果也较传统型明显。 ( 4 ) 不凝结气体的影响 在平衡降流式凝汽器中，传热系数受不凝结气体的影响很小，仅在接近抽气口 华北电力大学硕士学位论文 附近传热系数才略有降低，也就是说，平衡降流式凝汽器传热系数因不凝结气体的 影晌而降低的范围较传统型凝汽器的要小得多，因雨换热性能要好。 2 4 2 存在的问题 目前我国在役的国产引进型3 0 0 m w 机组普遍存在真空偏低、机组经济性差的问 题 ”。由于该问题具有普遍性，可以肯定是由结构原因造成的。 该机组的排汽缸是在西屋公司3 0 0 m w 汽轮机排汽缸的基础上设计的。排汽缸的 扩压管为单层，其结构尺寸与西屋公司的相同。由于该机组的末级叶片由原来的 8 6 9 m t z z 增至9 0 0 m m ，使扩压器进口直径增大，扩压器进口的汽流预旋度也加大，通 道面积相应的变小，增加了排汽压力损失；汽轮机排汽冲向排汽缸端壁，端壁不全 是垂直方向的，上半缸的端壁向内倾斜了l o 。角，明显增加了上半缸排汽阻力，使 得低压叶栅的出口流场不均匀；由于排汽冲向排汽缸端壁，在排汽缸的出口，靠端 壁的两个排汽角处形成强大的排汽流。另外，在凝汽器的喉部不仅布置了较多纵横 交错的中1 1 4 支撑管，还设置了一个大圆筒，内置七、八号低压加热器，致使凝汽 器喉部出1 ：3 截面的流场极不均匀 13 , 2 5 , 2 6 】。而其管束是按平衡降流式排列的，这种管 束的等传热系数区是以抽汽口为中心成同心圆式分布的，它要求汽流均匀向下。而 现有结构远远没有满足这一条件，致使凝汽器工作特性下降，真空偏低，机组出力 不足，严重影响机组的经济运行。 其它类型机组问题虽然没有如此严重，但考虑到排汽需要折转9 0 。甚至更大的 角度后进入凝汽器，其在入口处汽流也不可能完全满足管束设计的要求。尤其是逐 渐成为电网主力机组的国产引进型6 0 0 m w 机组，其排汽通道的设计沿用原西屋公司 的“积木式”方法，结构与3 0 0 m w 机组排汽通道极为相似，出口流场必定同样极不 均匀，势必会影响凝汽器的性能。也就是说。优化其入口蒸汽流场会进一步提高凝 汽器工作性能。 所以对包括排汽缸和喉部在内的整个排汽通道的气动性能进行试验研究时，在 关注损失系数的同时，应更多地重视其出口蒸汽流场，并寻求适当的改进措施使凝 汽器入口流场尽可能均匀，满足管束设计的要求，以获得较高的凝汽器性能。 华北电力大学硕士学位论文 第三章凝汽器入口蒸汽流场及排汽通道。性能的模拟试验 凝汽器的入口流场亦即由排汽缸和喉部共同构成的排汽通道的出口流场，所 以，要想得到凝汽器入口流场必须对排汽通道性能进行试验研究。但在工业机组上 试验难度大，需要大量的人力和资金。故一般都采用模拟试验的方法。数值模拟经 济快捷，可以任意设计试验方案。但结果与实际不能很好吻合；模型试验结果比较 可靠，但需要加工模型，试验方案变化模型就需重新加工，不够灵活且在资金上耗 费较大。为节省模型试验经费并保证试验结果可靠，本试验采用数值模拟试验和模 型试验相结合的方法，即首先对根据经验设计的试验方案利用计算软件进行数值模 拟，据其结果筛选出效果较好的方案，然后有针对性地进行模型试验，最终以模型 试验的结果为主要依据来确定排汽通道的性能和改进方案。 3 1 排汽通道的数值模拟 3 1 1 排汽通道数值模型的建立 为进行模拟试验，按相似原理的要求，按照一定的比例( 0 0 7 0 5 8 2 ) 利用g a m b i t 软件建立了排汽缸和喉部的流道实体模型。但是考虑到排汽通道的复杂性，构建过 程作了相应的简化：忽略了末级叶片对排汽分布的影响，认为排汽通道入口是由 叶片高度确定的环形平面组成；忽略了喉部内支撑管道和抽汽管道等的影响，仪 考虑低压加热器的作用。除构建了原有结构的排汽通道和文献 1 3 优化改造的排汽 通道模型外，又新建了在排汽缸内加装不同尺寸的导流环，以及排汽缸内加装导流 环同时喉部加装导流板的模型。具体的流道实体模型如图3 1 所示。网格划分是 ( a ) 原型 ( b ) 加装导流板c ) 加装导流环 图3 1排汽通道流道的数值模型 分别进行的，采用的都是混合网格。排汽缸共划分了5 万单元，喉部划分了8 万单 华北电力大学硕士学位论文 元。最终将二者连接在一起构成整个排汽通道流域。考虑到对称性，为了节省机时 和计算量，仅取一个排汽口的一半进行数值模拟。 3 1 2 数值模拟及其结果 数值模拟的求解器选用了商业软件f l u e n t 5 4 。采用湍流模式的卜双方程， 并用s i m p l e 算法来耦合压力场和速度场。因为数值模拟是为模型试验提供参考， 所以介质选用了与模型试验一致的空气，进气条件也与模型试验相近。 图3 2 中，( a ) 、( b ) 分别是原排汽通道模型和文献 1 3 改造方案模型出口的 数值模拟结果；( c ) ( f ) 分别为几个相对较均匀的出口流场。并由此确定了模 型试验方案，见表3 一l 。 图3 2 几个较均匀的数值模拟结果 华北电力大学硕士学位论文 表3 1 数值模拟确定的模型试验方案 方案编号具体内容 排汽缸+ 原喉部 排汽缸+ 导流板喉部1 排汽缸+ 导流环1 + 原喉郭 排汽缸+ 导流环2 + 原喉部 排汽缸十导流环2 + 导流板喉部 排汽缸+ 导流环3 + 导流板喉部 排汽缸+ 导流环3 + 原喉部 注：表中导流板见文献 1 3 ，导流环i 、2 、3 见模型试验部分。 3 2 排汽通道的模型试验 3 、2 1 试验方案的确定 由于复杂通道紊流的数值模拟目前还不够成熟，其结果需要经过模型试验和实 际工况的对比验i 正方可应用。考虑到数值模拟是在对排汽通道简化后进行试验的， 没有考虑支撑管架和末级结构对蒸汽流动的影响，结果必然与实际情况有一定的差 别。所以本次研究对数值模拟确定的前述几个方案又进行模型试验，以进一步测试 其损失系数和出口真实的流场分布。这既减少了模型试验的盲目性，节省资金和时 间，又可以获得切实可行的优化改造方案。 图3 3 导流环结构示意图 另外，试验过程中根据气流的具体情况，还做了导流环和导流板联合搭配的改 6 1 2 3 4 5 6 7 华北电力大学硕士学位论文 造方案，如方案5 和6 。 3 2 2 试验的条件 模型试验以相似原理为基础，试验的条件要保证模型的流动和原型流动的力学 相似，包括几何相似、运动相似和动力相似 2 7 , 2 8 1 。 ( 1 ) 几何相似 按3 0 0 m w 汽轮机排汽缸扩压管背弧进口直径中3 5 4 2 m m 模化到排汽缸试验台 上，其出口直径为中2 5 0 m m ，相似比例常数c ，= 2 5 0 3 5 4 2 = 0 0 7 0 5 8 2 ，由此相似比例 得到3 0 0 m w 机组排汽通道试验件，其中末级动叶栅、喉部以及导流环( 3 个) 模 型也都是按此比例制做的。 ( 2 ) 运动相似 运动相似是指在几何相似的两个液流中在对应瞬时所有对应点上的速度方向 一致，大小成同一比例。对稳定流动，对应流体质点的运动轨迹几何相似。对本试 验来讲，即为排汽缸进出口的流动条件的相似。排汽通道模型入口前有一较长的过 渡段，排汽缸进口由特制叶橱来模拟排汽进1 2 1 偏转角入口速度得到很好的模拟。 实物出口是凝汽器的汽侧空间，如果不考虑汽阻，可以认为汽侧静压是均匀的。 模型出口是开式的，直接排入大气，排气条件也相似。 ( 3 ) 动力相似 如果两个几何相似的流动仅在粘性力作用下达成动力相似，则它们的雷诺数必 相等。当雷诺数大于某一定值( 第二临界值) 时，流体的流速分布皆彼此相似，与 雷诺数不再有关，流体的流动进入自模化状态。对排汽缸而言，其第二i 临界雷诺数 为( 1 5 3 5 ) 1 0 s 7 1 。 由径向平衡计算资料查得：汽轮机末级余速动能l l c 2 = 3 0 8 2 k j k g ，对应的末级 排汽速度c 2 = 2 4 8 3 m s ；末级的当量直径吐= 2 l b = 2 x 0 9 = i s m ：蒸汽的运动粘度 系数v = 1 5 7 x 1 0 6 m 2 s ；所以，实物的雷诺数为r e = c 2 d 。v = 2 8 4 7 x 1 0 6 ，超过上述临 界雷诺数，进入自模化区。试验时，排汽缸模型入口气流速度0 。7 0 m s ，当量直径 以。= c ，吃= o 0 7 9 5 8 2 1 8 = o 1 2 7 m ，空气的运动粘度系数p 。= 1 6 7 1 0 - 6 m 2 s ，则 r e 。= o d 。矿。= 5 3 2 x 1 0 5 ，也进入自模化区。所以，不必保证二者雷诺数相等。 实物排汽的马赫数m = o 6 6 0 ，模型气流的马赫数m = o 1 9 8 均小于0 7 ，可以 忽略可压缩性的影响。 另外，模型中工质的温度与实物中的接近且基本不变，可以采取冷态模拟实物 的流动。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 3 2 3 试验的设备 该气动试验是在低马赫数下采用空气压缩机供气。试验装置如图3 4 所示。整 个试验装置系统有供风系统、喷嘴试验过渡段、排汽通道模型、测量系统。空气流 量由喷嘴装置测得，可由放风阀来调节试验时进口马赫数。图3 5 3 8 为试验 件原件的结构，可以看出加热器在喉部的位置和喉部内的支撑情况、排汽缸、末级 叶栅以及导流环模型的结构。图3 9 为排汽通道模型固定在试验系统上的情形。 圈3 - 4 模型试验系统示意图 3 2 4 试验方法和测量方法 根据数值模拟推荐的各种方案，通过模型试验测定相应方案凝汽器喉部出口截 面的速度分布情况和排气通道的损失系数。从而进一步确定该方案是否具有使用价 值，能否在实际工程中推广应用。 3 2 4 1 流场分布测量 试验中流场分布是用两孔皮托管测取喉部截面垂直方向的速度分量，来获得流 场的分布情况。电厂实际运行的汽轮机排汽缸排汽方向向下，模型试验排气方向是 向上。忽略重力作用，可认为对试验结果没有影响。其测点分布见图3 一1 0 。试验 时测得各点的全压和静压差值，以水柱高度| i l 表示，然后根据公式”= 0 历磊习瓦即 可算出该点的气流速度。 考虑到出口截面速度可能存在一定的偏转给试验结果带来误差，所以又用三孔 华北电力大学硕十学位论文 探针测量了一些关键点的气流速度。发现在喉部出口两侧边处( 即图3 1 0 左右两 侧) ，气流速度向侧面有最大不到1 0 。的偏转角，主要是由于喉部逐渐向两侧扩张 丫j 11 盯_ it 几 i| - i 1 1 e 1口l 1 | 图3 5 喉部模型结构 图3 - - 6 排汽缸模型 图3 - - 7 末级叶栅模型 图3 8 装有导流环的模型 图3 9 模型位于试验装置上 造成的。考虑到测得的垂直速度分量小于实际速度，实际值比测量值更不均匀，则该 处实际的局部热负荷和汽阻都大于本文分析时采用的数值，而且改造后由于绝对速度r 降，所以速度下降的绝对值也大于分析时采用的数值，汽阻和热负荷会下降得更多，对 】9 华北电力大学硕士学位论文 结论是有利的。 32 4 2 损失系数的测量 试验中测定出口流场的同时，又测定了排气通道的损失系数。其目的是检验在对排 汽通道优化改造后损失系数是否增加以及增加的幅度。通道损失系数的测量及计算仍 然沿用文献1 1 3 的方法，定义ep 为排汽通道进、出1 3 总压差与进口动能之比，即 ij：- ： l e、 夕 i 、 i 1ii l23生0bf廿91 0 图3 - 1 0 排汽通道出1 3 测点分布圈 # ：2 1 二翌坠 “ k 式中风一排汽通道进口总压( 即筒体总压) ，p a p o 一排汽通道出1 ：3 总压( 即大气压) ，p a k 2 一排汽缸进口动能头，n m 2 邑爷 g 重力加速度，g = 9 8 1 m s 2 p 过渡段进口气体密度，k g m 3 p = 7 i t l 排汽通道试验件迸1 3 静温，k 。当m 值较低时，可用简体总温 代替。 r 气体常数，r = 2 8 7 g k 按流量计算出的喉部试验件进口平均速度，m s 。 g 虬，。万了 华北电力大学硕士学位论文 _ - - _ - - - _ - _ - _ _ 一一 f - - - 喉部试验件进口通流面积，m 2 。 g 一吹风试验时空气的质量流量，k g s ，由d 9 3 0 0 和d 口0 0 的流量 喷嘴测得。 g 2 g i + g 2 g 1 - - - d 9 3 0 0 的流量喷嘴测得的质量流量； g i = 2 4 8 0 7 6 4 a p p l 式中 e 一d 9 3 0 0 的流量喷嘴的流量系数： 凸节流前后的压差，p a n 节流时气体的密度。 g 2 d 9 2 0 0 的流量喷嘴测得的质量流量： g 2 = 1 2 4 2 5 l s 2 此。岛 式中 o r 2 - - - d 9 3 0 0 的流量喷嘴的流量系数： 卸：节流前后的压差，p a ； 岛节流时气体的密度。 3 2 5 试验结果及分析 试验的有关数据及排汽通道模型损失系数的计算结果列于表3 2 中；相应的 各方案喉部出口气流速度分布见图3 1 1 ( a ) ( f ) 。 由表3 2 可以看出，对排汽通道进行优化改造会在一定程度上增加其损失系 数，如果方案选择不当损失系数会很大。从损失系数变化来看，比较可行的方案是 2 、4 、5 ；从出口流场的均匀性来看，方案3 、4 、5 较好。但方案3 的损失系数最 大，增加了5 0 以上，所以该方案并不可行。方案5 并没有比方案4 的出口流场 有所改善，而损失系数却增加了。所以综合二者考虑，最优方案应该是方案4 。但 是方案2 的损失系数不大，只比原来增加了2 3 9 ，出口流场虽不十分理想，却比 优化改造前明显好转，更为重要的是该方案实施起来非常简单容易，工业应用也证 明该方案可以明显降低机组排汽压力，所以也可以将其作为实际应用的首选方案。 但从试验结果来看，其经济性将比不上方案4 。 华北电力大学硕士学位论文 另外，方案1 和方案2 的试验结果与文献【1 3 】的结果吻合很好，证明原有结构 确实存在很大问题。其极不合理的出口流场不但根本无法满足平衡降流式布置管束 的要求，而且对于任何管束都无法适应，也就谈不上良好的凝汽器工作性能了。这 也提醒我们，在评价管束布置合理性时应充分考虑入口蒸汽流场的影响。建议以后 最好用管束布置与入口蒸汽流场搭配的合理性来评价。在二者搭配不合理时除了考 虑改变管束布置以外，还要考虑改变蒸汽流场，毕竟从本次试验来看改变蒸汽流场 要比改变管