管束布置对凝汽器性能影响的数值模拟分析

第56卷第3期2014年6月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVO156NO3JUN2014管束布置对凝汽器性能影响的数值模拟分析董建华，董爱华1哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨150090；2哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090摘要应用STARCD软件和自定义子程序，针对AT型、向心型、帽型和山型4种管束布置类型的凝汽器进行数值模拟，计算得到壳侧蒸汽的速度、压力、空气浓度、凝结率以及总传热系数等参数的分布情况，综合分析冷却管束的布置对于凝汽器产品工作性能的影响。关键词凝汽器；管束布置；数值模拟分类号TK2641L文献标识码A文章编号100158842014030176O3NUMERICALSIMULATIONANDANALVSISOFTHEEFFECTSOFTHETUBEBUNDLEARRANGEMENTONTHECONDENSERPERFORMANCEDONGJIANHUADONGAIHUA1HARBINELECTRICCOMPANYLIMITED，HARBIN150090，CHINA；2HARBINTURBINEAUXILIARYENGINEERINGCOMPANYLIMITED，HARBIN150090，CHINAABSTRACTFOURDIFFERENTCONDENSERSWITHATTYPE，CENTRIPETALTYPE，HATTYPEANDHILLTYPETUBEBUNDLESARESEPARATELYSIMULATEDUSINGSTARCDANDUSERDEFINEDFILESINTHISPAPERTHEGASVELOCITY，PRESSURE，AIRCONCENTRATION，CONDENSATIONRATEANDOVERALLCOEFFICIENTOFHEATTRANSFERARECALCULATEDCOMPREHENSIVEANALYSISHASBEENMADETOILLUSTRATETHEEFFECTSOFTHETUBEBUNDLEARRANGEMENTONTHECONDENSERPERFORMANCEKEYWORDSCONDENSER；TUBEBUNEARRANGEMENT；NUMEDCSIMULATION数来综合评估各种管束布置类型产品的工作性能。0前言1物理模型凝汽器作为汽轮机发电机组的重要辅机之一，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水，并在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空度。凝汽器工作性能的好坏将直接影响到整个发电厂运行的安全性和经济性，而凝汽器的工作性能则与壳侧蒸汽流动和换热情况有着密切联系。为了保证凝汽器达到设计要求，关键在于冷却管束的布置方式，以得到壳侧理想的蒸汽流场分布，在满足换热量的同时可以尽量避免不凝结气体空气聚集和流动阻力过大等不良现象。因此，合理的管束布置形式是凝汽器建立良好真空度的必要条件。目前工程上广泛采用经验计算方法，在冷却水参数、负荷以及管材相同的条件下，根据其总体传热系数来评估管束布置的传热效果。但是对于实际运行的机组，很难有两台凝汽器的运行参数完全相同，从而无法精确的比较凝汽器管束布置对于传热效果的影响。因此国内外开始使用数值模拟分析的方法来定性分析管束布置对于蒸汽流动和传热特性的影响。随着计算机技术和数学理论的快速发展，数值方法逐渐显示出研究范围广、性价比高、周期短以及数据完整等优点。本文将在TOSHIBA公司研发的凝汽器凝结模块用户子程序的基础上，采用商用CFD软件STARCD分别针对4种本文选择4种典型的凝汽器产品冷却管束采用三角形排列方式进行建模计算，包括由凝汽器进口、喉部、管束区、空冷区、挡板以及抽气口。物理模型中需要考虑低加管道对于下游流场的影响，忽略热阱部分。凝汽器的主要参数详见表1，结构详见图1。表1凝汽器主要结构参数随着汽轮机单机容量的大幅度增加，凝汽器尺寸也逐渐大型化，冷却管可达到几万根；同时，凝汽器壳侧的蒸汽流动和凝结换热现象十分复杂，因此，直接对其进行数值模拟非常困难。考虑到凝汽器整体布局的对称性，计算区域可以选取壳体的12。为了建立便于计算的物理模型，对于壳侧的蒸汽流动与传热过程进行以下简化模拟分析，根据实际运行参1二维稳态计算，即选取垂直于凝汽器管束轴向的平收稿日期20131226作者简介董建华1981一，女，硕士研究生，工程师。主要从事流体机械内部的数值模拟以及换热设备的分析计算工作。L82汽轮机技术第56卷并在塔侧翅墙后形成局部高温区，散热量比未安装翅墙时降低如图3B。随着风速增加至8MS时，横向风经翅墙作用被迫改变流动方向，使得塔体附近的切向速度减小，减缓了空冷塔附近的“圆柱绕流”影响，减少塔内漩涡，提升了空气的浮升驱动力，大大提高了塔侧的进风量，散热器表面空气温度降低，散热量比未安装翅墙时增加如图4B。安装45。翅墙后，4MS风速下，由于翅墙的包络作用，使得塔内负压增大，迎风侧和塔侧的进风量增加，散热器表面空气温度降低，散热量比未安装翅墙时增加如图3C。随着风速增加至8MS时，高速气流在翅墙边缘脱流后绕流塔体，塔侧切向速度增大，进气压力降低，使得塔侧进风量大大减少，散热器表面空气温度上升，散热量比未安装翅墙时大幅度降低如图4C。3结论对安装翅墙前后的间接空冷塔内外空气的流动传热性能进行数值模拟，研究了不同环境风速下，不同翅墙安装角度对空冷塔的进风量和空冷散热器散热量的影响。在0。、15。、3O。和45。4种安装角度下，0。和045。时对空冷塔性能的改善效果较好00。翅墙下风速为6MS一9MS时，气流经翅墙作用被迫转向，塔侧切向速度减小，提升了空气浮升驱动力，通风量和散热量增加比较明显，并随着风速的增加改善作用更突出，到9MS时增幅分别达到3893和4847；45。翅墙结构下，风速为4MS7MS时，由于翅墙的包络作用，使得塔内负压增大，通风量和散热量明显增加，并且随风速增长增幅增大，最大增幅可达2573和2574参考文献1DUPREEZAF，KRIIGERDGEXPERIMENTALINVESTIGATIONINTOTHEINFLUENCEOFCROSSWINDSONTHEPERFORMANCEOFDRYCOOLINGTOWERSJNOJOERNAAL，1993，922ABRAHAMFRANCOISDUPREEZTHEINFLUENCEOFCROSSWINDONTHEPERFORMANCEOFNATURALDRAFTDRYCOOLINGTOWERSDUNIVERSITYOFSTELLENBOSCH，19923TANGDM，FUSNUMERICALSIMULATIONOFFLUIDFLOWANDTHERMALPERFORMANCEOFADRYCOOLINGTOWERUNDERCROSSWINDCONDITIONJJOURNALOFWINDENGINEERINGANDINDUSTRIALAERODYNAMIC，1999，792893064贾宝荣，杨立军，杜小泽，等导流装置对直接空冷单元流动传热特性的影响J中国电机工程学报，2009，29814195周兰欣，白中华，李卫华直接空冷机组空冷岛结构优化研究J汽轮机技术，2008，50295976MADADNJ，KOUSHAH，MIRZAEIMEFFECTOFWINDBREAKWALLSONPERFORMANCEOFACOOLINGTOWERMODELFJMECHAEROSPACEENGJ，2008，3461677王晓华侧风情况下空冷塔性能的数值模拟D天津天津大学，20O58陶文铨数值传热学M第2版西安西安交通大学出版社，20019韩占忠FLUENT流体工程仿真计算实例与分析M北京北京理工大学出版社，20091O石磊，石诚，余拮，等间接空冷散热器空冷塔流动流动和传热的数值研究J西安建筑科技大学学报自然科学版，20U，43453554011杨立军，贾思宁，永东，等电站间冷系统空冷散热器翅片管束流动传热性能的数值研究J中国电机工程学报，2012，32325O一5612杨立军，杜小泽，杨勇平间接空冷系统空冷散热器运行特性的数值模拟J动力工程，2008，284594599上接第178页多，反而造成N一341型凝汽器的汽阻明显高于其它类型凝汽器。向心型的平均凝结率最低，这主要是由于冷却管束排列密集，换热面积大，整个管束区域内的平均凝结率很小，同时空气含量也相应较低。4结论针对凝汽器壳侧选取截面上的流场进行数值模拟，通过对速度分布、压力损失、传热系数、空气浓度等进行综合分析，得到以下结论1AT型管束凝汽器具有压损小、传热效率高、管束区内未出现明显空气聚集区等优点，工作性能明显优于其它类型凝汽器；2向心型管束凝汽器内冷却管束密集排列，管束区面积过大直接造成压损大、凝结率低，不仅使凝汽器的工作压力提高，也使凝汽器的体积增大，电厂运行效率降低；3帽型管束凝汽器的抽气口仅设置在管束区的下部，随着蒸汽的凝结，上部管柬区内的空气含量增高而无法顺利排出，易于形成阻塞区，不仅增加了流动阻力，也降低了传热效果；4山型管束凝汽器内流场分布不理想，不利于蒸汽进入管束区进行凝结换热。同时，由于抽气口设置在两峰之间，导致管束区底部至整个空冷区内空气含量升高，传热系数和凝结率明显降低。综上所述，目前工程中各类凝汽器产品在满足各种运行要求的同时，还存在着改进和优化的空间。参考文献1张卓澄，等