大型电站凝汽器管束排列的开发及优化.doc

大型电站凝汽器管束排列的开发及优化总第102期2007年9月第3期电站辅机PowerStationAuxiliaryEquipmentVo1.102Sep.2007,No.3文章编号:16720210(2007)03001404大型电站凝汽器管束排列的开发及优化董爱华(哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司,黑龙江哈尔滨150090)摘要:进行大型电站凝汽器管束排列的开发,首先根据布管的基本原则确定新管束的开发雏形,利用流场分析软件对管束进行数值分析,用计算机软件的模拟仿真,对凝汽器分析截面上流场情况做出定性和定量分析,对速度场,压力场,空气浓度,换热系数等进行监测,完成管束结构的局部优化;利用水模试验进一步确认数值分析结果的准确性;最终经过小模型机的实际运行来验证新的管束的适用性.通过开发或优化出合理性的管束排列,其中水模型试验为开发合理的管束排列过程中最为重要,最有说服力的一环.进行旧管束优化时要优先选用经水模试验验证的管束排列.关键词:凝汽器;管束;排列;空冷区;流场分析;模型试验中图分类号:TB79文献标识码:ADevelopmentandOptimizationoftheTubeBundleArrangementforCondenserinLargePowerPlantD0NGAihua(TheAuxiliaryEquipmentEngineeringCo.,lad.,HarbinTurbineWorks,Harbin,Heilongjiang,150090,China)Abstract:Forthedevelopmentofthetubebundlearrangementforcondenserinlargepowerplant,itSfirsttOdeterminetheembryonicformofnewdevelopedtubebundlebasedonbasicprinciplesofbundlearrangement.Dataanalysishasbeenmadefortubebundleswiththeanalysissoftwareofflowfield.Qualitative&quantitativeanalyseshavebeenmadeagainsttheflowfieldstatusoftheanalyzedsectionofcondenserbysimulationwithcomputersoftwareaswellasmonitoringvelocityfield,pressurefield,airconcentrationandheatexchangecoefficientSOaspartlytooptimizethebumdlesstructure.Correctnessofthedataanalysishasfurtherbeenmadewithwatermodeltestandfinallythesuitabilityofnewtubebundleshasbeenverifiedbyapracticalrunningwithasmallanaloguemachine.Itisthemostimportantandconvincingringofwatermodeltestinthedevelopmentofreasonabletubebundlearrangement.Thebundlearrangementverifiedbywatermodeltestshuldbeselectedfirstwhentheoptimizationofusedtubebundlesincarriedout.Keywords:condenser;tubebundle;arrangement;aircoolingzone;flowfieldanalysis;modeltest1概述根据汽轮机工作原理,凝汽器真空度对汽轮机装置的效率,功率有重大影响,真空度每降低1kP,汽轮机装置的效率将提高12,所以,如何能获得较理想的真空度,对提高大型机组经济性尤为重要.当循环水泵和真空泵等附属设备正常工作时,凝汽器是否能够维持较低的真空,主要取决于管收稿日期:20061218作者简介:董爱华(1974一),女,毕业于上海理工大学,现从事电站辅机设备的设计及科研工作.14大型宅站凝汽器管束排列的开发及化电站辅机总第02期(2007No.3)束是否具有较高的凝缩力.为了得到合理的管束排列,需要对一个新开发的管束进行大量的试验研究,包括利用流场分析软件对管束进行数值分析,水模拟实验,小尺寸模型机实验完成管束性能的定性和定量的分析后,才能得到最佳的管束排列.2确定合理的管束雏形目前,国内外各个凝汽器制造厂家所采用的管束排列形式多种多样,大致可分为:带状管束,密集型管束,组合式管束等几大系列.合理的管束应该具有高的传热系数,小的汽阻,低的含氧量和凝结水过冷度,在确定管束排列方案的过程中,需要遵循基本的设计原则.2.1蒸汽能够均匀流入管束管束周围过高的蒸汽流速将引起静压的降低,导致蒸汽流入管束的量减少,所以管束之问及管束与壳体壁之间要有足够宽的蒸汽通道,使管束外围进口处的汽流速度均匀分布,且不超过50m/s注,该通道还可以保证有一部分新汽直接流向热井的凝结水表面,把凝结水的过冷降低到最低限度.大流量的汽轮机排汽在进入凝汽器管束时,通流面积的突然变化,使此处的汽阻占总汽阻的相当大的比例,为了减小此处的汽阻,需加大管束进汽边周长,增加进汽流道宽度以降低进入管束的流速,减小压力损失.汽轮机排汽流经管束向下流动,随着蒸汽的不断凝结,流量不断地减少.由于蒸汽流速的增加,管束的局部传热系数要增加,根据这种流量的变化,蒸汽通道应成收缩趋势,保证蒸汽在整个流动过程中都保持较高的流速,使整个管束具有较高的换热性能.注当汽侧速度达到50m/s以上,传热系数就不再随速度的增加而变化.对热负荷小的区域(入口蒸汽速度小于50m/s),当蒸汽速度增加时,其局部传热系数要增加,并会引起凝汽器总传热系数的增加.2.2蒸汽流向抽气口路径蒸汽在从管束进口到抽气口所经过的路径要尽可能短,流线方向上的管束排数不宜过多,蒸汽流线方向上穿过的管子根数应基本相同.图1表示了当冷却管的总数一定时,管子排数(管束厚度)对换热量以及汽阻的影响情况,管束越薄,汽阻越小,管束换热量越高.但要注意,管束厚度应合理,不能有部分蒸汽未经凝结或未充分凝结便流向空冷区的短路现象出现.O一0昌毋0Za.O0翟誉OOZZrofTubeRo.IsalongStenFlow图1管束排数与汽阻2.3合理布置空冷区为进一步冷却残余的未凝结蒸汽,减少工质损失,增大汽气混合物的过冷度,减小抽气设备的负荷,必须划出独立的空气冷却区,空冷区的面积约占总换热面积的41O,空冷区应在结构上保证汽气混合物在流动过程中具有较高的流速,但不超过50m/s,以保证空冷区有良好的换热效果.空冷区的位置应尽量保证蒸汽一空气混合物向抽气口流动时,其路径短而直,使混合物流向抽气口的整个路程上的压力降较小.空冷区的数量多少,位置的安排,决定着最终的管束排列类型.在冷却管根数一定的情况下,将管束一分为二,空冷区数量也相应增加为两个,那么每个管束的管子数量就为原来的一半,管束减薄,汽阻减小,但是这种改动要受到凝汽器的型式,构造和布置空间以及管束形式的限制.2.4降低过冷度和含氧量为减少凝结水的过冷度和含氧量,空气冷却区要远离热井并用挡板同主凝结区分隔开,以保证主凝结区落下的凝结水不与空气含量高的汽一气混合物接触.蒸汽在管束中自上而下不断凝结,下排管子受上排滴落的凝结水的水膜的影响,换热系数降低,同时滴落下来的凝结水又在管子外壁上被冷却,导致过冷度产生,含氧量增加,为了缓解以上情况,在主凝结区内加设必要的挡水板,挡水板的作用是将凝结水引出管束,并尽量使凝结水与直接流到管束底部的新汽接触,接受回热除氧.挡水板的位置及方电站辅机总第102期(2007No.3)向应符合汽流的流动规律,避免引起汽流的紊乱,挡板要少而精.在确定研制的新型管束排列时,需要全面考虑以上因素,虽然不能保证面面俱到,但要尽量考虑周全.基本原则为:尽量减少汽阻,防止不凝结气体的淤积.3对拟定管束排列方案进行数值模拟受国内试验开发能力的限制,自主开发全新的管束排列还处于起步阶段.近年来,随着仿真技术的兴起,凝汽器的流场分析模拟软件,为新型管束的开发以及现有管束的改进工作提供了便利条件,SPOC,STARCD等软件成为流场分析的主流.通过计算机软件的模拟仿真,可以对凝汽器某一分析截面上的流场情况做出定性和定量的分析,包括速度场,压力场,空气浓度,换热系数等进行全面监测.SPOC软件应用相对简单,计算速度快,改变分析网格或挡板的设置较容易,可用于方案设计,缺点是不能很好地处理排汽入口处的不均匀流速分布对流场的影响.STAR-CD软件由于管束内部的凝结和汽阻计算都需要用户通过子程序进行控制,计算精度较高,一般用于管束优化工作.首先,将已经决定的二维分析截面以网格单元的形式输入作为分析对象,设置不同的网格代表不同的区域管束区,无管束区,挡板区域等,通过子程序来控制对不同的网格执行不同的计算步骤,计算收敛后,计算结果以彩色矢量图和云图的方式直观地表达出来.通过计算机软件的分析,我们可以判断管束内部空气是否出现淤积,通过改变空冷区的位置,或开蒸汽通道将空气导入空冷区等方法改变网格单元,再重新进行分析,直到得到理想的仿真结果为止;也可以在主凝结区加设挡板,监测对整个管束的传热系数的影响.通过数值模拟分析可以得到管束基本性能.但是在没有模型试验的结果做验证时,计算机的分析只能是定性的分析,真正做到准确的定量分析必须有水模实验和实际运行数据做依托.4进行水模型试验和小模型机实际运行试验国内外大型电站中应用得比较广泛的管束排列型式,在其研制的过程中都进行了水模型试验,各大公司都非常重视水模型试验的结果,可见,经过水模型试验修正的管束排列具有较强的实用性,实际运行结果也表明管束性能优良.水模型试验成为开发合理的管束排列过程中最为重要,最有说服力的一环.以下例举的几种典型的管束排列均为水模型试验优化后的结果.带状管束由于等宽度的管束带的布置形状不同,形成了多种带状管束.我国中,小型凝汽器以前广泛采用前苏联的带状管束;在大型核电机组中带状管束同样也占有重要的地位,例如:岭澳核电二期的凝汽器采甩了法国Delas.Weir公司开发的将军帽型(见图2)汽流向心式的带状管束,同核电一期的卯形布管相比,凝结水的过冷度明显改善,汽阻小.这种管束性能较佳,管束四周成封闭带状,空冷区布置在中央.管束全周进汽,流速均匀,凝结水的回热除氧性能好,适用于单流程大型凝汽器.图2将军帽形管束外围带状管束是整个管束的外围呈小条带形状,为了增加蒸汽通流面积,以降低管束外围的汽流速度,减小压力损失.典型的外围带状管束是均匀向心式的管束排列形式.日本三菱公司在1000Mw核电机组中采用了均匀向心式,这种管束排列可以适用于单流程也可用于双流程(如图3所示),特点:蒸汽从管束外围沿数量相当多的进汽通道进入管束,一部分蒸汽在管柬外围条带内先行凝结,然后与另一部分新蒸汽一起进入管束的密区,剩余的汽气混合物在管束中部汇集并流入抽气管,没有明确区分开的空气冷却区.管束外围的小通道,即可减小管束进口处的蒸汽速度,也可提高密集区的热负荷,整个管束的热负荷均匀.大型电站凝汽器管束排列的开发及优化电站辅机总第102期(2007No.3)图3均匀向心式管束组合型管束排列中教堂窗管束为西门子公司(BBC)公司研制,该管束的特点是:整个管束窄长,空冷区布置合理,整个管束无带状管束和外围带状管束所具有的进汽通道和排汽通道,蒸汽从管束外围流入管束凝结,最终汇集于中部的空冷区.管束之间空间大,可以保证足够的蒸汽进入管束底部,保证全周进汽.应用于单流程及双流程凝汽器中,用于双流程设计时,可采用一个或几个管束进水另一个或几个管束出水的布置型式.与教堂窗类似的其他窄长形管束排列在大型核电机组中都有着广泛的应用,例如秦山核电一期的凝汽器管束排列,东芝公司最新研制的AT型管束排列(图4)等.东芝公司的AT型管束排列有以下特点:楔形的管束排列,可以适应蒸汽自上而下不断凝结的流量变化.管束薄,汽阻小,管束内汽流分布均匀,无空气滞留.蒸汽流经上,下部的蒸汽通道进入管束中部,然后进入左右空冷区.空冷区的通道上部设计成锥形,防止由于凝结引起的体积流量的减少,从而引起换热性能的降低.空冷区的挡板将上部管束的凝结水引出管束,上部管束,下部管束,空冷区都有较高的换热性能.蒸汽从管束外围的每个节点流入管束(如图5所示),在管束下部蒸汽向上流同凝结水迎面接触.这样的流动工况可以保证凝结水处于较高的温度和较低的含氧量状态.东芝公司对以上性能的评估采用了流场分析方法.同时,为了确认此分析结果的真实性,进行了水流模拟实验和小模型机试验.目前这种新型的凝汽器已在大型火电站及核电站种得到推广和应用.当经过水流模拟试验后,结合数值分析结果,对管束进行优化改进,最后进行小模型机实际运行试图4东芝公司研制的AT型管束图5AT管束的模拟汽流分布验,得到一个最佳的管束排列.开发全新管束排列是一个精细,复杂的过程,需要大量人力和资金的投入.目前,随着电力市场不断走向理性化,改造项目也在不断增多,对