凝汽器部气阻和低压加热布置的数值研究

凝汽器部气阻和低压加热布置的数值研究

凝汽器的外壳是凝汽器的重要组成部分。它连接到电机喷嘴和主冷凝室的主冷凝区，起到传输损失的作用。喉部蒸汽流动的均匀性,对凝汽器壳侧蒸汽的流动和传热产生很大的影响。低压加热器在凝汽器喉部的不同布置形式和不同布置位置将对喉部流场的均匀性产生不同的影响,从而影响凝汽式汽轮机组的经济运行。因此,研究低压加热器在凝汽器喉部的布置具有重要意义。研究凝汽器喉部流动情况的方法目前一般有两种:模型吹风试验和数值模拟。模型吹风实验的方法投资巨大,周期长,只能测量个别工况下测点位置的流动,而且测量手段粗糙,精确度较差。而数值模拟方法具有简单、方便、投资少、周期短等优点,结果具有一定的准确性,而且可以得到实验难以获得的数据。被广泛地应用到各种领域。但现有文献中的数值模拟都是单独对凝汽器内气流、汽轮机排汽进行数值模拟,很少有关于凝汽器喉部流动特性数值模拟的报道,关于低加布置形式的探讨目前国内尚未见发布。因此,本文采用模型并结合壁面函数法,采用SIMPLE算法编程,对国内某台300MW汽轮机凝汽器喉部的三维流动问题进行数值求解。旨在通过对低压加热器在喉部的不同布置形式、不同的布置高度进行模拟,了解喉部的流动机理,为凝汽器喉部的改造、设计和安全运行提供理论基础。1其他物理模型低压加热器放置在排汽流速最低的中央区域,其布置形式有两种,纵向布置与横向布置,纵向布置时低压加热器轴线与汽轮机轴线重合,横向布置时低压加热器轴线与排汽缸中心线相重合。本文研究的凝汽器喉部内除了布置有低压加热器外,还有大量的支撑管、旁路蒸汽减温减压装置等。只考虑了喉部和低压加热器两个主要部分,忽略了其它对喉部流场影响较小的因素,分别模拟计算了加热器横向布置和纵向布置在喉部不同高度的几种情况。物理模型及其网格划分如图1所示,气流沿Z方向流动。喉部入口截面为6.57m×7.48m;出口截面为9.84m×7.92m;高度为4.810m;加热器的直径为2.08m。所用的控制方程主要由连续性方程、动量方程和k-ε方程构成,在直角坐标系中,这些方程表示如下。连续方程:div(U)=ə(ρu)əx+ə(ρυ)əy+ə(ρω)əz(U)=ə(ρu)əx+ə(ρυ)əy+ə(ρω)əz(1)动量方程控制:əət(ρui)+əəxj(ρuiuj)=-əpəxi+13μəəxi(əujəxj)+μə2uiəxjəxi(2)əət(ρui)+əəxj(ρuiuj)=−əpəxi+13μəəxi(əujəxj)+μə2uiəxjəxi(2)k方程:dkdt=əəxj[(μ+Cμk2εσk)əkəxjdkdt=əəxj[(μ+Cμk2εσk)əkəxj+Gk-ε(3)ε方程:dεdt=əəxj[(μ+Cμk2εσε)əkəxj〗+Cε1εkGk-cε2ε2k(4)其中,常数Cμ=0.09;Cε1=1.44;Cε2=1.92;σk=1.0;σε=1.3。以上方程式中其他符号的意义见文献。2流动工质蒸汽为适合于工程上的应用,突出主要矛盾,计算中忽略一些对流体运动主要规律不起决定性的因素,做如下假设:(1)由于蒸汽的流动距离短,速度快,发生相变的蒸汽量很少,因此假设流动工质蒸汽为不可压缩;(2)由于流动过程中蒸汽和外界来不及换热,所以假设整个流场温度不变;(3)忽略重力的影响;(4)由于凝汽器入口蒸汽分布很不均匀,难于预先精确了解,因此本文从研究低加位置对流场的影响的角度出发,取入口来流速度均匀。计算中来流质量流量为193kg/s,入口压力为5.1kPa。2.1低加纵向布置结构内流速场分布分别对低加在凝汽器喉部不同高度的纵向布置、横向布置进行了三维的数值模拟。图2所示为低加横向布置在距喉部出口1.73m处的速度分布等值线图,图3为低加纵向布置在距喉部出口1.73m处的速度分布等值线图。从图2、图3中可以看出,凝汽器内置低压加热器无疑给整个喉部流场带来了很大影响,无论低压加热器横向布置还是纵向布置,都使入口气流在加热器正上方区域的速度急剧下降,并使其形成绕流,在低加正下方形成低速涡流区,造成在出口截面气流速度降低。气流高速绕过低加两侧并从漩涡两侧流出,尽管低压加热器不同的布置形式的流场情况不尽相同,但凝汽器内置低压加热器的流场整体分布都不均匀。从图2中我们可以看出,当低加横向布置时,气流在低加正下方形成的旋涡区域较大,低加两侧壁面存在涡流区域,出口截面流场在4个角处形成低速区。最高流速发生在绕过加热器的两侧,并一直延续到喉部出口。从图3中可以看出:当低加纵向布置时,气流在低加正下方形成的漩涡区较横向布置时候要小一些,出口截面流场在4个角和与低加同向的两条边上形成低速区,低速区域较横向布置时要大,低加两侧的绕流速度也明显比横向布置时候的要小。从出口截面速度分布图来看,低加纵向布置时总体出口流场较横向布置时要差。分析原因:因为低加纵向布置时,其方向与喉部扩散角较大的方向成90°,扩散角对流场的影响较低加横向布置时要大,在扩散角下会形成气流的低密度区,气流的低速区也就比横向布置时大的多;同时在扩散角的影响下,也会使在斜壁下方产生的回流区增大。以上原因造成纵向布置时出口截面流场气流速度相差较大,其均匀性较横向布置时也差。2.2低加在未加温域中的汽阻分布低加不同布置形式流场的不同导致压力分布也不尽相同。图4所示为低加横向布置在距喉部出口2.61m时喉部出口压力分布等值线,图5为低加纵向布置在距喉部出口2.61m时喉部出口压力分布等值线图。从图4、图5中可见,两种低加布置形式下的喉部出口在斜壁的下方都存在低压区。由于低压加热器正下方的旋涡作用,在涡流区形成低压,同时,由于棱台斜壁下方的回流作用,在出口截面的4个角处形成较大的低压区。比较两图可以明显看出,图4的低压区和涡流区较图5的要小。凝汽器喉部加入低加后,除低压加热器本身对流体的阻力外,由于低压加热器两侧处的流速增大,也就增大了两侧壁处的摩擦阻力,因此总体将增大喉部汽阻。低加不同布置形式汽阻随低加布置高度的变化也不尽相同,作者分别模拟了低加不同布置形式在不同位置的情况,得出了汽阻随低加高度变化的曲线,如图6所示。从图6中可以看出:对于此型凝汽器,在同一个高度,由于低加纵向布置时扩散角对气流的影响较横向布置时大,低压区较大,造成出口压力减小,其汽阻也就较横向布置时大一些。对于本文的计算条件,最佳的低加横向布置位置是在距出口截面2.34m左右,而低加纵向布置时低加最佳布置位置则在距出口截面2.46m左右的地方。综上所述,低加在喉部横向布置对流场和喉部汽阻的影响相对纵向布置要好一些。从喉部汽阻方面考虑,低加在喉部的最佳布置位置因布置形式而异。扩散角是低加在喉部采取何种布置形式影响最大的因素。凝汽器喉部的流场分布,将进一步影响凝汽器的工作,影响凝汽器传热端差及有效传热面积。对于低加布置形式和最佳布置高度,应和凝汽器管束区的管束布置综合考虑,不同的布置形式和布置位置应根据管束区的换热要求来确定,以便提高凝汽器真空,提高凝汽器工作效率。3密度区和扩散角通过对低加在凝汽器喉部不同布置形式、不同的布置位置进行数值模拟和探讨,结论如下。(1)低加纵向布置时,其方向与喉部扩散角较大的方向成90°,扩散角对流场的影响较低加横向布置时要大,在扩散角下会形成气流的低密度区,气流的低速区也就比横向布置时大的多;同时在扩散角的影响下,也会使在斜壁下方产生的回流区增大。以上原因造成低加纵向布置时出口截面流场气流速度相差较大,其均匀性较低加横向布置时也就要差。(2)扩散角是低加在喉部采取何种布置形式影响最大的因素。在凝汽器喉部设计和改造中,应给予足够的