凝汽器部氣阻和低壓加熱布置的數(shù)值研究

凝汽器部氣阻和低壓加熱布置的數(shù)值研究

凝汽器的外殼是凝汽器的重要組成部分。它連接到電機噴嘴和主冷凝室的主冷凝區(qū)，起到傳輸損失的作用。喉部蒸汽流動的均勻性,對凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動和傳熱產(chǎn)生很大的影響。低壓加熱器在凝汽器喉部的不同布置形式和不同布置位置將對喉部流場的均勻性產(chǎn)生不同的影響,從而影響凝汽式汽輪機組的經(jīng)濟運行。因此,研究低壓加熱器在凝汽器喉部的布置具有重要意義。研究凝汽器喉部流動情況的方法目前一般有兩種:模型吹風(fēng)試驗和數(shù)值模擬。模型吹風(fēng)實驗的方法投資巨大,周期長,只能測量個別工況下測點位置的流動,而且測量手段粗糙,精確度較差。而數(shù)值模擬方法具有簡單、方便、投資少、周期短等優(yōu)點,結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性,而且可以得到實驗難以獲得的數(shù)據(jù)。被廣泛地應(yīng)用到各種領(lǐng)域。但現(xiàn)有文獻中的數(shù)值模擬都是單獨對凝汽器內(nèi)氣流、汽輪機排汽進行數(shù)值模擬,很少有關(guān)于凝汽器喉部流動特性數(shù)值模擬的報道,關(guān)于低加布置形式的探討目前國內(nèi)尚未見發(fā)布。因此,本文采用模型并結(jié)合壁面函數(shù)法,采用SIMPLE算法編程,對國內(nèi)某臺300MW汽輪機凝汽器喉部的三維流動問題進行數(shù)值求解。旨在通過對低壓加熱器在喉部的不同布置形式、不同的布置高度進行模擬,了解喉部的流動機理,為凝汽器喉部的改造、設(shè)計和安全運行提供理論基礎(chǔ)。1其他物理模型低壓加熱器放置在排汽流速最低的中央?yún)^(qū)域,其布置形式有兩種,縱向布置與橫向布置,縱向布置時低壓加熱器軸線與汽輪機軸線重合,橫向布置時低壓加熱器軸線與排汽缸中心線相重合。本文研究的凝汽器喉部內(nèi)除了布置有低壓加熱器外,還有大量的支撐管、旁路蒸汽減溫減壓裝置等。只考慮了喉部和低壓加熱器兩個主要部分,忽略了其它對喉部流場影響較小的因素,分別模擬計算了加熱器橫向布置和縱向布置在喉部不同高度的幾種情況。物理模型及其網(wǎng)格劃分如圖1所示,氣流沿Z方向流動。喉部入口截面為6.57m×7.48m;出口截面為9.84m×7.92m;高度為4.810m;加熱器的直徑為2.08m。所用的控制方程主要由連續(xù)性方程、動量方程和k-ε方程構(gòu)成,在直角坐標(biāo)系中,這些方程表示如下。連續(xù)方程:div(U)=?(ρu)?x+?(ρυ)?y+?(ρω)?z(U)=?(ρu)?x+?(ρυ)?y+?(ρω)?z(1)動量方程控制:??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=-?p?xi+13μ??xi(?uj?xj)+μ?2ui?xj?xi(2)??t(ρui)+??xj(ρuiuj)=??p?xi+13μ??xi(?uj?xj)+μ?2ui?xj?xi(2)k方程:dkdt=??xj[(μ+Cμk2εσk)?k?xjdkdt=??xj[(μ+Cμk2εσk)?k?xj+Gk-ε(3)ε方程:dεdt=??xj[(μ+Cμk2εσε)?k?xj〗+Cε1εkGk-cε2ε2k(4)其中,常數(shù)Cμ=0.09;Cε1=1.44;Cε2=1.92;σk=1.0;σε=1.3。以上方程式中其他符號的意義見文獻。2流動工質(zhì)蒸汽為適合于工程上的應(yīng)用,突出主要矛盾,計算中忽略一些對流體運動主要規(guī)律不起決定性的因素,做如下假設(shè):(1)由于蒸汽的流動距離短,速度快,發(fā)生相變的蒸汽量很少,因此假設(shè)流動工質(zhì)蒸汽為不可壓縮;(2)由于流動過程中蒸汽和外界來不及換熱,所以假設(shè)整個流場溫度不變;(3)忽略重力的影響;(4)由于凝汽器入口蒸汽分布很不均勻,難于預(yù)先精確了解,因此本文從研究低加位置對流場的影響的角度出發(fā),取入口來流速度均勻。計算中來流質(zhì)量流量為193kg/s,入口壓力為5.1kPa。2.1低加縱向布置結(jié)構(gòu)內(nèi)流速場分布分別對低加在凝汽器喉部不同高度的縱向布置、橫向布置進行了三維的數(shù)值模擬。圖2所示為低加橫向布置在距喉部出口1.73m處的速度分布等值線圖,圖3為低加縱向布置在距喉部出口1.73m處的速度分布等值線圖。從圖2、圖3中可以看出,凝汽器內(nèi)置低壓加熱器無疑給整個喉部流場帶來了很大影響,無論低壓加熱器橫向布置還是縱向布置,都使入口氣流在加熱器正上方區(qū)域的速度急劇下降,并使其形成繞流,在低加正下方形成低速渦流區(qū),造成在出口截面氣流速度降低。氣流高速繞過低加兩側(cè)并從漩渦兩側(cè)流出,盡管低壓加熱器不同的布置形式的流場情況不盡相同,但凝汽器內(nèi)置低壓加熱器的流場整體分布都不均勻。從圖2中我們可以看出,當(dāng)?shù)图訖M向布置時,氣流在低加正下方形成的旋渦區(qū)域較大,低加兩側(cè)壁面存在渦流區(qū)域,出口截面流場在4個角處形成低速區(qū)。最高流速發(fā)生在繞過加熱器的兩側(cè),并一直延續(xù)到喉部出口。從圖3中可以看出:當(dāng)?shù)图涌v向布置時,氣流在低加正下方形成的漩渦區(qū)較橫向布置時候要小一些,出口截面流場在4個角和與低加同向的兩條邊上形成低速區(qū),低速區(qū)域較橫向布置時要大,低加兩側(cè)的繞流速度也明顯比橫向布置時候的要小。從出口截面速度分布圖來看,低加縱向布置時總體出口流場較橫向布置時要差。分析原因:因為低加縱向布置時,其方向與喉部擴散角較大的方向成90°,擴散角對流場的影響較低加橫向布置時要大,在擴散角下會形成氣流的低密度區(qū),氣流的低速區(qū)也就比橫向布置時大的多;同時在擴散角的影響下,也會使在斜壁下方產(chǎn)生的回流區(qū)增大。以上原因造成縱向布置時出口截面流場氣流速度相差較大,其均勻性較橫向布置時也差。2.2低加在未加溫域中的汽阻分布低加不同布置形式流場的不同導(dǎo)致壓力分布也不盡相同。圖4所示為低加橫向布置在距喉部出口2.61m時喉部出口壓力分布等值線,圖5為低加縱向布置在距喉部出口2.61m時喉部出口壓力分布等值線圖。從圖4、圖5中可見,兩種低加布置形式下的喉部出口在斜壁的下方都存在低壓區(qū)。由于低壓加熱器正下方的旋渦作用,在渦流區(qū)形成低壓,同時,由于棱臺斜壁下方的回流作用,在出口截面的4個角處形成較大的低壓區(qū)。比較兩圖可以明顯看出,圖4的低壓區(qū)和渦流區(qū)較圖5的要小。凝汽器喉部加入低加后,除低壓加熱器本身對流體的阻力外,由于低壓加熱器兩側(cè)處的流速增大,也就增大了兩側(cè)壁處的摩擦阻力,因此總體將增大喉部汽阻。低加不同布置形式汽阻隨低加布置高度的變化也不盡相同,作者分別模擬了低加不同布置形式在不同位置的情況,得出了汽阻隨低加高度變化的曲線,如圖6所示。從圖6中可以看出:對于此型凝汽器,在同一個高度,由于低加縱向布置時擴散角對氣流的影響較橫向布置時大,低壓區(qū)較大,造成出口壓力減小,其汽阻也就較橫向布置時大一些。對于本文的計算條件,最佳的低加橫向布置位置是在距出口截面2.34m左右,而低加縱向布置時低加最佳布置位置則在距出口截面2.46m左右的地方。綜上所述,低加在喉部橫向布置對流場和喉部汽阻的影響相對縱向布置要好一些。從喉部汽阻方面考慮,低加在喉部的最佳布置位置因布置形式而異。擴散角是低加在喉部采取何種布置形式影響最大的因素。凝汽器喉部的流場分布,將進一步影響凝汽器的工作,影響凝汽器傳熱端差及有效傳熱面積。對于低加布置形式和最佳布置高度,應(yīng)和凝汽器管束區(qū)的管束布置綜合考慮,不同的布置形式和布置位置應(yīng)根據(jù)管束區(qū)的換熱要求來確定,以便提高凝汽器真空,提高凝汽器工作效率。3密度區(qū)和擴散角通過對低加在凝汽器喉部不同布置形式、不同的布置位置進行數(shù)值模擬和探討,結(jié)論如下。(1)低加縱向布置時,其方向與喉部擴散角較大的方向成90°,擴散角對流場的影響較低加橫向布置時要大,在擴散角下會形成氣流的低密度區(qū),氣流的低速區(qū)也就比橫向布置時大的多;同時在擴散角的影響下,也會使在斜壁下方產(chǎn)生的回流區(qū)增大。以上原因造成低加縱向布置時出口截面流場氣流速度相差較大,其均勻性較低加橫向布置時也就要差。(2)擴散角是低加在喉部采取何種布置形式影響最大的因素。在凝汽器喉部設(shè)計和改造中,應(yīng)給予足夠的