（动力机械及工程专业论文）大型电站凝汽器三维数值研究.pdf

华北电力人学硕七学位论文摘要 摘要 采用s i m p l e 算法和k f 模型，在考虑内置低压加热器和给水泵汽轮机排汽等 因素的情况下，利用f l u e n t 操作平台对某电厂6 0 0 m w 凝汽器喉部流场进行三维 数值模拟。综合分析了小机排汽口位置变动对出口流场均匀性的影响，了解喉部的 流动机理，对凝汽器喉部设计、改进具有一定的参考意义。较为严格的推导了用多 孔介质模型修正的n s 方程组，建立了凝汽器的三维数值模型，在模型中采用多孔 介质模型，提出分布阻力，分布质量汇的处理方法，对一双流程凝汽器的汽相流动 与换热进行了计算与分析。针对凝汽器管束区热负荷分配不均的问题，提出安装导 流板改善流动与传热特性的措施，通过计算证实了其有效性。 关键词：凝汽器，数值模拟，小机排汽，导流装置 a b s t r a c t u s e dt h es i m p l ea l g o r i t h ma n dt h ek - - 6m o d e l ，i nc o n s i d e ro ft h el o wp r e s s u r e h e a t e ra n df e e dp u m ps t e a mt u r b i n ee x h a u s t ，o p e r a t e dt h ep l a t f o r mu s i n gf l u e n tt oc a r r yo n t h et h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o nt ot h et h r o a tf l o wf i e l do f6 0 0 m w c o n d e n s e r a g g r e g a t ea n a l y s i s e dt h es t e a mp o r tc h a n g i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eo u t l e tf l o wf i e l d u n i f o r m i t y , l e a r n e df l o w a g eb ym e c h a i l i co ft h et h r o a t ，h a v es o m er e f e r e n c es e n s eo fd e s i g n i n g a n di m p r o v i n g as t r i c t e ri n f e r e n t i a lr e a s o n i n gt h en ss y s t e mo fe q u a t i o n sw h i c hr e v i s e d 、i 廿l t h ep o r o u sm e d i u mm o d e l ，e s t a b l i s h e dt h ew a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rt h r e ed i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e l ，u s e dt h ep o r o u sm e d i u mm o d e li nt h em o d e l ，p r o p o s e dt h ed i s t r i b u t i o n r e s i s t a n c e , t h ed i s t r i b u t e dq u a l i t yc o l l e c t e dt h ep r o c e s s i n gm e t h o d ，c a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o n a n dt h ea n a l y s i st oap a i ro ff l o ww a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rv a p o rp h a s e f l o w i n ga n dt h eh e a t t r a n s f e r i nv i e wo ft h ew a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rc o n t r o la r e ah e a t l o a da s s i g n m e n tu n e v e l l q u e s t i o n ，p r o p o s e di n s t a l l st h ea i rd e f l e c t o ri m p r o v e m e n tf l o w i n ga n dt h eh e a t t r a n s f e r p r o p e r t ym e a s u r e ，c o n f i r m e dt h em e a s u r ev a l i d i t yt h r o u g ht h ec o m p u t a t i o n x i n gz h u m i a o ( p o w e rm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h o ul a n x i n k e yw o r d s ：c o n d e n s e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x h a u s ts t e a mo fs t e a m f e e dp u m p ， c o u n t e r f l o wu n i t 华北电力人学硕七学位论文摘要 摘要 采用s i m p l e 算法和k f 模型，在考虑内置低压加热器和给水泵汽轮机排汽等 因素的情况下，利用f l u e n t 操作平台对某电厂6 0 0 m w 凝汽器喉部流场进行三维 数值模拟。综合分析了小机排汽口位置变动对出口流场均匀性的影响，了解喉部的 流动机理，对凝汽器喉部设计、改进具有一定的参考意义。较为严格的推导了用多 孔介质模型修正的n s 方程组，建立了凝汽器的三维数值模型，在模型中采用多孔 介质模型，提出分布阻力，分布质量汇的处理方法，对一双流程凝汽器的汽相流动 与换热进行了计算与分析。针对凝汽器管束区热负荷分配不均的问题，提出安装导 流板改善流动与传热特性的措施，通过计算证实了其有效性。 关键词：凝汽器，数值模拟，小机排汽，导流装置 a b s t r a c t u s e dt h es i m p l ea l g o r i t h ma n dt h ek - - 6m o d e l ，i nc o n s i d e ro ft h el o wp r e s s u r e h e a t e ra n df e e dp u m ps t e a mt u r b i n ee x h a u s t ，o p e r a t e dt h ep l a t f o r mu s i n gf l u e n tt oc a r r yo n t h et h r e ed i m e n s i o n a ln u m e r i c a lv a l u es i m u l a t i o nt ot h et h r o a tf l o wf i e l do f6 0 0 m w c o n d e n s e r a g g r e g a t ea n a l y s i s e dt h es t e a mp o r tc h a n g i n gt h ei n f l u e n c eo ft h eo u t l e tf l o wf i e l d u n i f o r m i t y , l e a r n e df l o w a g eb ym e c h a i l i co ft h et h r o a t ，h a v es o m er e f e r e n c es e n s eo fd e s i g n i n g a n di m p r o v i n g as t r i c t e ri n f e r e n t i a lr e a s o n i n gt h en ss y s t e mo fe q u a t i o n sw h i c hr e v i s e d 、i 廿l t h ep o r o u sm e d i u mm o d e l ，e s t a b l i s h e dt h ew a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rt h r e ed i m e n s i o n a l n u m e r i c a lm o d e l ，u s e dt h ep o r o u sm e d i u mm o d e li nt h em o d e l ，p r o p o s e dt h ed i s t r i b u t i o n r e s i s t a n c e , t h ed i s t r i b u t e dq u a l i t yc o l l e c t e dt h ep r o c e s s i n gm e t h o d ，c a r r i e do nt h ec o m p u t a t i o n a n dt h ea n a l y s i st oap a i ro ff l o ww a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rv a p o rp h a s e f l o w i n ga n dt h eh e a t t r a n s f e r i nv i e wo ft h ew a t e rr e c o v e r yc o n d e n s e rc o n t r o la r e ah e a t l o a da s s i g n m e n tu n e v e l l q u e s t i o n ，p r o p o s e di n s t a l l st h ea i rd e f l e c t o ri m p r o v e m e n tf l o w i n ga n dt h eh e a t t r a n s f e r p r o p e r t ym e a s u r e ，c o n f i r m e dt h em e a s u r ev a l i d i t yt h r o u g ht h ec o m p u t a t i o n x i n gz h u m i a o ( p o w e rm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h o ul a n x i n k e yw o r d s ：c o n d e n s e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x h a u s ts t e a mo fs t e a m f e e dp u m p ， c o u n t e r f l o wu n i t ：= 尸 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型电站凝汽器三维数值研究，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。 学位论文作者签名：盒生长盎 日 期：硅芝2 ：至：全 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：盈幽 日 期：型2 ，圭= 2 导师签名： 白期：冱12 ：至：2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 凝汽器是汽轮机组的重要辅机之一，是电厂热力循环中的重要一环，对整个火 电厂的建设和安全、经济运行都有着决定性影响。 从热力学角度来看，凝汽器是一种热交换设备，它采用水或空气作为冷却工质， 将汽轮机排汽凝结成水并带走蒸汽凝结释放出的热量。在汽轮机装置中的作用是在 汽轮机排汽口建立并保持规定的真空。凝汽器真空的好坏，对循环效率所产生的影 响很大。 从循环效率看，凝汽器真空的好坏，对循环效率所产生的影响和机组初参数的 影响同等重要，在凝汽式汽轮机通常背压范围内，背压每改变l k p a ，汽轮机的循环 效率平均改变1 2 。例如，国产超高压2 0 0 m w 机组，若凝汽器真空提高0 9 8 1k p a ， 则机组耗能将降低6 3 材( k w j | i l ，而新汽的压力提高4 9 0 k p a ，机组的热耗约降低 2 0 9 3 k j k w 矗【l l 。所以，通过凝汽器工作性能的改进以提高运行的热效率具有十分 重要的价值。 从设计方面考虑，研究凝汽器阻力特性，有助于寻求减小阻力的改进措施，为 选择泵或风机的容量提供依据，也有利于电厂的经济运行。从设计方面提高凝汽器 工作性能的关键是合理地组织其壳侧汽相流动和热负荷的分布，从而使凝汽器具有 高的传热系数、低的汽阻和低的抽气泵耗功以及合理的热负荷、热应力分布。而一 台凝汽器的性能好坏，不仅表现在传热性能上，而且表现在它的阻力性能上。假如 两台凝汽器传热性能相同，则显然是阻力小的更好。 基于上述原因，电站设备的设计生产部门都希望使凝汽器在给定的传热面积下 达到较高的真空值，或者在给定的真空值下具有较小的换热面积，从而能在设备投 资一定的情况下，降低电厂的运行费用，或者在不增加运行费用的前提下减少设备 投资。 1 2 凝汽器主要研究方法及现状 1 2 1 实验研究方法 凝汽器研究的主要方法可分为实验法与数值计算法两大类。实验的方法又可分 为模拟法和全尺寸实验方法。 从6 0 年代起，美国、日本、德国、法国等先后开展了凝汽器管束模拟实验的 研究工作。模拟实验的原理基础是把凝汽器壳侧气体流动与水在开式槽中的流动相 华北电力大学硕士学位论文 类比，在水绕流特制的管束模型时部分水从管子模型中漏出，以模拟凝汽器管束中 汽气混合物的流动和凝结，从而直观地确定管束中汽气混合物的流动及其他流动参 数。由于事先无法确切的知道凝汽器管束各处的凝结情况，所以水模拟实验无法对 汽气混合物的流动进行准确地模拟，即使准确的知道各处的凝结情况，水模拟实验 的相似条件也难以满足。因此，要真实地反映凝汽器壳侧流动与传热还需进行凝汽 器的全尺寸实验研究。 凝汽器的全尺寸实验研究法是用真实的凝汽器作为实验对象，测出凝汽器内部 的各种流动与传热参数，所以它最能真实地反映凝汽器内部流动与传热特性。但由 于全尺寸实验要耗费大量的人力、物力和时间，并且难以测得需要的全部信息，实 验条件也不易控制，因而实用上受到限制，不可能成为工程中的主要研究方法。 1 2 2 数值模拟方法 随着数值计算方法的高度发展和高速计算机的出现，用数值模拟的方法对凝汽 器内部流动与传热进行研究受到广泛的关注并得到了很大的发展。与实验法相比， 数值模拟法具有以下几方面的优点： ( 1 ) 模拟能力强，数值计算既可以模拟真实条件下的凝汽器的运行工况，又可 以模拟理想条件下凝汽器的运行特性； ( 2 ) 数据完整，数值计算可以得出凝汽器内部的流场、压力、传热系数等参数 的分布。进而可以详细分析计算凝汽器内管束结构、蒸汽通道的布置以及抽气口布 置的合理性； ( 3 ) 周期短，实验方法需要的时间少则上月，多则上年，而数值计算的方法可 以在几天的时间计算得出所需结果； ( 4 ) 经济性好，数值计算的费用远远低于实验研究的费用。 1 2 3 凝汽器的工作特点及传统设计方法的不足 凝汽器作为一种特殊的换热器，其主要工作特点是换热过程伴随着工质的相 变。另外外界空气随蒸汽通过处于负压区的汽轮机设备及管道的不严密处漏入凝汽 器的壳侧空间，随着蒸汽沿流动方向的逐渐凝结，空气相对含量逐渐增加而使壳侧 蒸汽流动成为复杂的多组分流动。凝汽器壳侧的换热过程是蒸汽空气混合物在复杂 形状管束通道中的强制对流凝结换热。随着蒸汽的凝结，混合物流速、空气浓度、 换热系数和热负荷等参数沿流程剧烈变化，流动与传热现象比较复杂。凝汽器工作 性能的好坏与壳侧流动和传热特性有密切关系，要保证凝汽器有较高的传热系数， 较小的汽阻，必须使管束布置与蒸汽空气混合物的流动与凝结换热规律相适应，保 2 华北电力人学硕士学位论文 证凝汽器内有一个合理的蒸汽流场。否则，必然会造成热负荷分布不均匀，同时还 可能引起局部空气积聚和流动阻力过大。因此设计出合理的管束外形和布置形式， 以获得理想的蒸汽流场和热负荷分布是改善凝汽器性能的重要手段。凝汽器设计的 核心任务也就是对冷却管进行合理布置以获得理想的蒸汽流场及传热系数分布。 目前，凝汽器的工程设计已经积累了较为丰富的经验和实验数据，根据这些实验 数据，一些国家的研究机构制定了凝汽器总体传热系数的计算曲线或提出了一些经 验关系式，如美国的h e i t 2 】标准( s t a n d a r d sf o rs t e a ms u r f a c ec o n d e n s e r s h e a t e x c h a n g ei n s t i t u t e ) ，英国的b e a m a 3 】标准( b r i t i s he l e c t r i c a la n da l l i e dm a n u f a c t u r e s a s s o c i a t i o n ) 以及t e m a 4 j 标准( s t a n d a r do ft u b u l a re x c h a n g e rm a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ) 。这些计算标准假定总体传热系数正比于冷却水流速的平方根【5 1 。在英 国，确定传热系数的方法来源于g u y 和w i n s t a n l e y l 6 】的经典论文，前苏联广泛采用的 是利用b e n n a n 【7 】及s h k l o v e r & g r i g o r e v l 8 】的半经验公式得出的曲线。在我国，各个电 站成套设备生产厂家都采用国外的经验关系式进行设计虽然这些经验关系式在过 去工程中得到了广泛的应用，但并不能准确地预测壳侧蒸汽流场。传热系数以及压 力这些重要参数的具体分布，从而难以合理地设计凝汽器管束的结构及管束的布置 方式，造成热负荷分布不均匀及冷却面积不能充分利用，也不能设计和开发新型凝 汽器。另外，对已知结构凝汽器的变工况特性也不能准确地分析。 1 3 凝汽器数值模拟技术的发展 电站凝汽器是一种典型的管壳式换热器，但是它又具有大型、结构复杂等特点， 并且通常涉及到壳侧的相变问题，更兼其对汽轮机系统的重大作用，电站凝汽器受 到研究者们的广泛关注。 国外对凝汽器的数值模拟研究始于六十年代，最初，使用的模型是一维的，因 而无法充分考虑管束中的蒸汽通道和局部不凝结性气体膜的影响。自从 p a t a n k a r l 9 7 4 年提出管壳式换热器数值模拟的分布阻力方法以来，凝汽器的数值研 究才开始迅速发展。分布阻力方法也是目前凝汽器数值研究中广泛使用的方法。该 方法把凝汽器中管束模拟为多孔介质，管束对蒸汽流动的阻碍作用和冷凝作用用分 布阻力和分布热源分别加以考虑。 进入八十年代，b e c h e t t 采用分布阻力对凝汽器进行了二维模拟，二维模型是在 垂直于凝汽器管束轴向的平面内进行的。b e c h e t t 还根据计算结果研究了凝汽器的结 构优化。c a r e m o l i 、a i s a n c a 、z h a n g 、姚秀平也都对凝汽器进行了二维数值研究。 s h i d a 忽略了壳侧流体的粘性，采用三角形网格对凝汽器进行了二维模拟。最近， o r r n i s t o n 采用二维模型研究了凝汽器分布阻力模拟方法的收敛性问题，并提出了改 3 华北电力大学硕士学位论文 进收敛性的算法。 二维方法不能考虑凝汽器中流动和传热的三维因素。凝汽器中流动和传热的三 维因素主要是由冷却水温度沿轴向不断变化引起的。温度变化导致凝汽器各汽室的 冷凝温差互不相同。z h a n g 9 】和黄兴华博士后【1 0 】提出了凝汽器的准三维模拟方法， 黄的方法是在z h a n g 的基础上进行了改进的，使其更适应于多流程凝汽器的模拟， 加快了计算收敛的速度。资料表明：目前许多研究只考虑了凝汽器管束区的流动和 换热情况，并未考虑到凝汽器喉部扩散角以及布置于喉部的低加对蒸汽流场的影 响；而国内有关研究也并未考虑到喉部流场对管束区的影响。对于汽动给水泵排汽 对喉部流场影响的探讨研究国内还没有相关文献报导。 1 4 本论文的主要工作 本文在对文献进行综述总结的基础上，针对凝汽器内气体流动及传热特性展开 了如下工作： ( 1 ) 较为严格的推导用多孔介质模型修正的n s 方程组，建立凝汽器的三维数 值模型，在模型中采用多孔介质模型，提出分布阻力，分布质量汇的处理方法。 ( 2 ) 采用s i m p l e 算法和k 一占模型，在考虑内置低压加热器和给水泵汽轮机排 汽等因素的情况下，利用f l u e n t 操作平台对某电厂6 0 0 m w 凝汽器喉部流场进行 三维数值模拟。分析了小汽轮机排汽对喉部流场均匀性及流动阻力的变化，从减小 凝汽器喉部气阻和保证凝汽器喉部流动的稳定性和均匀性出发，将小机排气口的位 置进行了变动，综合分析了小机排气口位置变动对出口流场均匀性的影响，了解喉 部的流动机理，为凝汽器喉部的改造、对凝汽器喉部设计具有一定的参考意义。 ( 3 ) 对国内某6 0 0 m w 双流程凝汽器建立了汽侧流场的三维数值计算模型，以 f l u e n t 软件为平台，采用多孔介质模型和标准k 一占湍流模型，对其汽相流动与换 热过程进行了计算与分析。针对由于流场不均引起蒸汽热负荷分配不均，提出安装 导流板改善流动与传热特性的措施，通过计算证实了措施的有效性。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章凝汽器的作用和基本理论 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 1 为其结构简图。在汽轮机内做过功的乏汽，从排汽缸出口1 、经 凝汽器喉部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井7 ，在由凝结水泵抽出。冷却水从进口4 进 入水室，经冷却水管进入另一端水室5 ，转向后，经过上层冷却水管由冷却水出水 管6 排出。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汽口，由抽气器抽出漏入 的不凝结气体1 1 1 l 。 - 5 图2 一l 表面式凝汽器结构简图 l 一蒸汽入口；2 一冷却水管；3 一管板；4 一冷却水进水管； 5 一冷却水回流室；6 一冷却水出水管；7 一凝结水集水箱( 热井) 由此可见，在电厂中凝汽器的作用可以概括为以下几方面： ( 1 ) 凝结作用 在蒸汽透平内做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，吸收管外的汽化潜热，使蒸汽凝结为水， 凝结水经回热加热而作为锅炉的给水重复使用。 5 华北电力人学硕士学位论文 ( 2 ) 建立并维持一定真空 当汽轮机的进汽焓值确定之后，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，建立并维持一定的真空是降低机组终参数、提高电厂循环效率所必需 的。 ( 3 ) 除氧作用 现代凝汽器，特别是不单设除氧器的燃气蒸汽联合循环装置中的凝汽器和沸水 堆核电机组的凝汽器，都要求有除氧作用，以适应机组的防腐要求。 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，大型凝汽器还专门设置了凝结水的除氧装 置。凝结水进入热井时，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 凝汽器的蓄水作用即是汇集和贮存凝结水、热力系统中的各种疏水、排汽和化 学补给水的需要，也是缓冲运行中机组流量急剧变化、增加系统调节稳定性的需要， 同时还是确保凝结水泵必要的吸水压头的需要，以防凝结水泵气蚀。 2 2 凝汽器的分类 电站凝汽器按照不同的标准有不同的划分方式。 按照电站规模与机组容量可分为大型、中型与小型凝汽器。 按照凝汽器压力数可分为多压凝汽器和单压凝汽器。具有单一压力值的凝汽器 称之为单压凝汽器，如果多壳凝汽器的各个壳内或凝汽器的各蒸汽室具有不同的压 力值，此种凝汽器称之为多压凝汽器。 按照冷却介质可分为水冷式凝汽器和空冷式凝汽器。以水作为冷却介质的为水 冷式，在水源比较丰富的地区均使用水冷式凝汽器；对于水源匮乏，地下水位较低 的地区的中小型电站，采用空气作为冷却介质的空冷式凝汽器使用较广泛。 按照汽轮机排汽凝结方式可分为表面式凝汽器和混合式凝汽器。汽轮机排汽在 凝汽器的冷却水管表面凝结，凝结水流至热井中，蒸汽的汽化潜热被冷却水管中的 冷却水吸收，冷却水和蒸汽被冷却水管隔开，互不接触，从而保证得到纯净的凝结 水；混合式凝汽器也叫直接接触式凝汽器，是两种温度不同的流体直接混合进行热 6 华北电力大学硕士学位论文 交换，即汽轮机高温排汽与低温的冷却水直接接触，蒸汽在冷却水的液柱( 或液面) 上进行凝结。这种形式的凝汽器由于是两种流体的混合，凝结水温度基本上等于凝 汽器真空下的饱和温度，其传热端差为零，传热效率高于表面式凝汽器。但是由于 该形式的凝汽器存在大量损失纯净凝结水的重大缺陷，因而工程上很少采用。 本文所建立的物理模型的研究对象是气流向心式、双壳体、单背压、双流程、 表面式水冷凝汽器。 2 3 凝汽器的传热过程 从传热学角度来看，凝汽器是一种管壳式换热器。它以水为冷却工质，将汽轮 机排汽凝结并带走蒸汽凝结时所释放出的潜热。目前大多数凝汽器都采用水平管外 凝结的工作方式，为使凝结过程连续进行，冷却水需在循环水泵的驱动下连续不间 断地流过冷却管，不断地吸收蒸汽凝结时放出的汽化潜热。凝汽器的整个换热过程 包括以下几个环节：蒸汽在冷却管外表面上的凝结放热；通过管壁金属本身及管内 外表面上污垢层的导热；冷却管内壁对冷却水的对流换热。凝汽器的换热过程是由 多个环节串联组成的复杂传热过程，换热过程伴随着工质的相变。在凝汽器中，体 积很大的蒸汽被凝结成体积很小的凝结水，从而形成真空。凝汽器的传热过程示意 图如图2 2 所示： jiji 参 o 八， _ ， _ 1 ji 立 j i 享 jo 1 j i 笏 - j i ； 1r _ 1 图2 - 2 凝汽器传热过程示意图 7 华北电力大学硕士学位论文 图中：凝汽器压力下的饱和温度 0 冷却水温度 0 冷却管外壁温度 0 冷却水管内壁温度 2 4 凝汽器的基本理论 2 4 1 热平衡方程式 传热学和工程热力学有关理论构成了凝汽器的理论基础，反映凝汽器特性的有 关理论和计算公式如下【1 2 1 ： 根据传热学理论，作为换热器的凝汽器，假定不考虑它与外界的换热，则其热 平衡方程式为： q 2 皿( 以一心) = k 钣彳= d w g ( 互一墨) ( 2 1 ) 式中q 一凝汽器热负荷，k w q 汽轮机排汽量，k g s 也汽轮机排汽焓，k j k g 虬凝结水焓，k j k g 酪一总传热系数，后驴( m 2 6 0 乙对数平均温差，口 彳换热面积，1 2 战冷却水流量，k g s c w 冷却水比热容，( 姆。c ) 互循环冷却水入口温度， 互循环冷却水出口温度，口 2 4 2 冷却水温升及冷却水出口温度 低温范围内，蒸汽的焓值在数值上约等于相应水温的4 1 8 1 6 倍。冷却水温升可 根据凝汽器热平衡方程式求得： 2 ( 也一4 。) = 4 18 1 6 x 口，正一， 8 ( 2 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 t 2 - | 生4 1 8 1 6 生x d w 。b = 而a h 丽。皿 ( 2 - 3 ) 式中：4 汽轮机排汽量，k g s 以汽轮机排汽焓，k j k g 巩凝结水焓，k j k g 仇冷却水流量，k g s 在凝汽式汽轮机通常的排汽压力变化范围内，日变化很小，约为2 2 5 0 k j k g 。 冷却水出口温度互 2 4 3 传热端差 互= 互+ 互一l ( 2 - 4 ) 传热端差反与凝汽器冷却面积、传热系数、冷却水量及冷却水温有关，即： 正：粤 p 4 舢。巩一1 ( 2 5 ) 式中：仇循环冷却水量，k g s 卜平均总传热系数，k w ( m 2 ，c ) 4 凝汽器换热面积，m 2 其中彳= 碱饥z ( 2 6 ) 式中：磊循环冷却水管外径，m 循环冷却水管单根管长，m 体循环冷却水管根数 卜循环冷却水流程数 传热端差的计算公式( 2 5 ) 表明，4 是由标志凝汽器换热情况、真空系统和冷却 水工作情况的参数k 、互一、d w 以及结构参数a 所决定的。运行中如果凝汽器漏 气或抽汽器故障造成空气积聚，引起传热系数下降，端差随之增大；如果冷却水系 统故障，造成冷却水量减少，也会引起传热端差的增大；如果冷却管脏污或其它运 行不当，还将引起端差的增大。可以说凝汽器运行过程中任何原因引起的性能下降 9 华北电力大学硕士学位论文 均可以传热端差的升高为表征。 2 4 4 对数平均温度 肾盈r 2 - r , 2 煮盘 z f 24 ( 2 - 7 ) 式中：z 凝汽器壳侧蒸汽的凝结温度， 石冷却水入口温度，口 z 冷却水出1 3 温度，口 2 4 5 凝汽器压力的确定 通常泛指的凝汽器压力是凝汽器壳侧( 汽侧) 蒸汽凝结温度对应的饱和压力。在 理想情况下，凝汽器汽室内只有蒸汽而没有其它气体，所以凝汽器汽侧各处压力相 同。但是实际上凝汽器壳侧各处压力并不相等，凝汽器内不仅有蒸汽，同时还存在 空气。我国“凝汽器性能试验规程”规定：凝汽器压力是指凝汽器入口截面上的绝 对压力( 静压) ，用表示；凝汽器计算压力是指距离凝汽器管束第一排冷却管约 3 0 0 r a m 处的绝对压力( 静压) ，用表示。本文所述的凝汽器压力均指凝汽器的计算 压力。 如果流过凝汽器的冷却水流量无限大，即冷却水在没有温升的情况下带走热 量；同时假定凝汽器的冷却面积无限大，即蒸汽与冷却水之间没有温差的条件下传 热，传热端差等于零；还假定不考虑凝汽器漏入空气的影响，则蒸汽的凝结温度z 应 等于冷却水进口温度五即：互= 五 在此条件下，凝汽器内的压力应等于冷却水温度相应的饱和蒸汽压力，但是在 实际运行中凝汽器的压力总是大于这个理想压力。因为冷却水流量是有限的，即冷 却水流过凝汽器后，其温度从五升高到互；又因为冷却面积也是有限的，蒸汽凝结 时放出的汽化潜热通过管壁传给冷却水，两者必然存在一定的温差4 ；在此情况下， 蒸汽的凝结温度z 表示为： z = 五+ 互一。+ 4 ( 2 8 ) 假定不考虑漏入空气的影响，则相应的凝汽器压力( 船) 口) 近似为： 纠镨) 7 1 ( 2 - 9 ) l o 华北电力大学硕士学位论文 2 4 6 传热系数的计算 计算凝汽器的平均总传热系数k 常采用全苏热工研究所根据实验和理论分析得 到的别尔曼公式，即： k = 4 0 7 熊历屈屈风 ( 2 1 0 ) 式中尾考虑冷却管的内表面清洁率、材料及壁厚的修正系数 历考虑凝汽器蒸汽负荷变化的修正系数 厦考虑冷却水流程数的修正系数 层考虑冷却水温的修正系数 尾考虑冷却管内循环水流速地修正系数 尾按照下式确定： 尾= 屈尾 ( 2 1 1 ) 式中尼主要取决于循环水供水方式的系数，在直流供水且水中矿物质含量较小 时，屈= o 8 5 o 9 0 ：在循环供水方式中，屈= o 7 5 o 8 5 。 尾取决于冷却管的材料与壁厚的系数，对于壁厚l m m 的黄铜管为1 0 ，岛 管为0 9 5 ，忍。管为0 9 2 ，不锈钢管为0 8 5 。 属主要取决于冷却水温五，但也与修正系数以及凝汽器的比蒸汽负荷g 。 有关，当t 1 3 5 。c 时，屈按照下式计算： 纠一掣 陋埔 式中b = 0 5 2 0 0 7 2 x g 其中q 为凝汽器比蒸汽负荷。 由此可见，采用别尔曼公式计算总传热系数时，要预先假定g 值，通过逐步逼 近法，最终确定总传热系数。 当3 5 。c t 1 4 5 。c 时，屈按照下式计算： 屈= 1 + 0 0 0 2 ( 石一3 5 ) ( 2 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 历用于考虑凝汽器变工况计算时蒸汽负荷的修正。当凝汽器在额定比蒸汽负荷 至瓯= 皖g 变工况范围内运行时，局= 1 0 。其中 乏= 0 8 0 0 1 墨 但当凝汽器在比蒸汽负荷进一步降低即：吒g 二的条件下运行时，则： 式协毒 b t - 8 ( 2 一乱 厦主要取决于冷却水流程数，但也与冷却水温巧有关，即： 纠+ z 5 2 ( 1 一 ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 尾主要取决于冷却管内循环水流速圪，但也与冷却管内径吐、修正系数熊及 冷却水温互有关，可按照下式计算： d w 冷却水流量，堙s z 冷却水流程数 吃一一冷却管内径，m 吃一一冷却水管根数 f 一计算指数，按下式计算： 1 2 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 狰 罴 ，i 引 = 尾 圪 矿 培 度密水却冷一一 p 中 中 式 其 华北电力大学硕士学位论文 x = o 1 2 x 熊( 1 + o 1 5 五) 当冷却水温石 2 6 7 时，工= 0 6 x 尾。 实际传热系数k 还应考虑管束布置、汽侧空气量的影响。即： k = 4 0 7 x8 c m 9 d 9 j 9 t o o c s q ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 式中e 冷却管束布置修正系数 e 汽侧空气量的修正系数 对于凝汽器的结构系数e 而言，不同机组的e 不同，而一定的凝汽器e 为一 定值。由于e 反映了管束布置对传热效果的影响，所以应在机组刚投运或大修凝汽 器清扫后，凝汽器冷却水管足够清洁且真空系统严密性正常的工矿下测试c f 值。如 果凝汽器进行了结构改造使其内部结构发生了变化，则应重新测定e 值。 凝汽器内的空气含量取决于漏入的空气量和被抽气设备抽出的空气量的差值。 汽侧空气量修正系数c 口应是g 口的函数，即：e = f ( a g o ) ，确定汽侧空气量修正系 数就是建立e 与瓯的函数关系。g 口由实际测得，e 可由以下公式计算得到： 。 k 乞2 一k , - c , ( 2 2 1 ) 式中卜实测凝汽器传热系数，k w ( m z o c ) 墨设计凝汽器的传热系数，k w ( m 2 0 0 c ) q 冷却管束布置修正系数 2 5 小结 综上所述，凝汽器的运行特性对电站的安全、稳定、经济运行起着至关重要的 作用，凝汽器的工作过程是个复杂的流动和传热过程。通过热力计算可确定凝汽器 的某些结构参数。由于无法确切地了解凝汽器工作的每个细节，凝汽器的某些物性 参数只能由经验公式计算。凝汽器传热系数k 的计算除了考虑水侧的修正外，还应 考虑汽侧的影响，如凝汽器管束排列修正系数、真空严密性修正系数等。以上这些 公式以及通过热力计算得到的凝汽器的结构参数为建立凝汽器数学模型提供了理 论基础和数据。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章c f d 数值模拟理论介绍 c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体力学) 的简称。应用c f d 就是在计算机上作虚拟实验，通过数值模拟可以对温度场、速度场、浓度场等各种 流场进行分析、计算和预测，除此之外还广泛应用于传热、传质、相变、化学反应、 机械运动等方面。f l u e n t 的软件设计基于“c f d 计算机软件群的概念 ，针对每一种 流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法，在计算速度，稳定性和精度等各 方面达到最佳。不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 软件群。从而高效率地解决 各个领域的复杂流动的计算问题。这些不同软件都可以计算流场，传热和化学反应。 在各软件之间可以方便地进行数值交换。各种软件采用统一的前后端处理工具，这 就为f l u e n t 的通用化建立了基础【1 3 】。 鉴于f l u e n t 是一个大型软件，故仅对其基本功能和本文用到的多孔介质和分布 阻力，自定义函数进行简单的介绍。 3 1 f l u e n t 的简单介绍 由于囊括了f l u e n td y n a m i ci n t e r n a t i o n a l 比利时p o l y f l o w 和f l u e n t d y n a m i c i n t e m a t i o n a l ( f d i ) 的全部技术力量，( 前者是公认的在粘弹性和聚合物流动 模拟方面占领先地位的公司，而后者是基于有限元方法c f d 软件方面领先的公司) ， 因此f l u e n t 软件能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流( 包括各种 非牛顿流模型) 、紊流( 包括最先进的紊流模型) 、不可压缩和可压缩流动、传热、化 学反应等等。对每一种物理问题的流动特点，有适合它的数值解法，用户可对显式 或隐式差分格式进行选择，以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，成为c f d 计算机软件群，软件之间可以方便地进 行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编 程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问 题本身的探索上。利用商品软件进行计算已是科学研究中的一项重要手段。 3 1 1f l u e n t 程序的结构 f l u e n t 程序软件包应该包括以下几个部分： ( 1 ) f l u e n t 解法器 ( 2 ) p r e p d f ，用于模拟p d f 燃烧过程 ( 3 ) g a m b i t ，网格生成 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) t g r i d ，额外的处理器，用于从现有的边界网格生成体网格。 ( 5 ) f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) ，转换其它程序生成的网格，用于f l u e n t 计算。可以接 口的程序包括：a n s y s ，i - d e a s ，n a s t r a n ，p a t r a n 等。 其关系如图( 3 1 ) 所示 p r e f d p p d f 查表 g a m b r r 设置几何形状生成2 d 或3 d 网格 p d f 程序 2 d 或3 d 网格 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 几何形状 或网格 边 界 网 格 网格 图3 - 1 基本程序结构示意图 3 1 2f l u e n t 程序的用途 其它软件 c a d 、c a e 等 边 界 和 或 体 网 格 t g l 妞d 2 d 三角形网格 3 d 四面体网格 2 i ) 和3 d 混合网格 f l u e n t 功能强大，其应用涵盖了航空航天，船舶，化工，汽车，能源等诸多领 域。其适用范围相当广，现归类如下： ( 1 ) 采用三角形、四边形、四面体、六面体及其混合网格计算二维和三位流动 问题。计算过程中，网格可以自适应。 ( 2 ) 可压缩与不可压缩流动问题 ( 3 ) 稳态和瞬态流动问题 ( 4 ) 无粘流，层流及湍流问题 ( 5 ) 牛顿流体及非牛顿流体 ( 6 ) 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) ( 7 ) 导热与对流换热耦合问题 ( 8 ) 辐射换热 1 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 9 ) 惯性坐标系和非惯性坐标系下的流动问题模拟 ( 1 0 ) 多运动坐标系下的流动问题 ( 1 1 ) 化学组分混合与反应 ( 1 2 ) 处理热量、质量、动量和化学组分的源项，用l a g r a n g i a n 轨道模型模拟稀 疏相( 颗粒，水滴，气泡等) ( 1 3 ) 多孔介质流动 ( 1 4 ) 一维风扇、热交换器性能计算 ( 1 5 ) 两相流问题 ( 1 6 ) 复杂表面形状下的自由面流动 3 1 3f l u e n t 基本网格形状 f l u e n t 的网格形状按2 d 和3 d 分为如下基本形状： 二维网格： 三维网格： t r i a n g l eq u a d r i l a t e r a l 图3 2f l u e n t 的基本控制体形状 1 6 口一锣一目一一少 华北电力大学硕士学位论文 3 1 4 用f l u e n t 程序求解问题的步骤 ( 1 ) 确定几何形状，生成计算网格( 用g a m b i t ，也可以读入其它指定程序生成 的网格1 ( 2 ) 选择2 d 或3 d 来模拟计