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(jī)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(dòng)的均勻性,對(duì)凝汽器殼側(cè)蒸汽的流動(dòng)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(duì)喉部流場(chǎng)的均勻性產(chǎn)生不同的影響,從而影響凝汽式汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(dòng)情況的方法目前一般有兩種:模型吹風(fēng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。模型吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)的方法投資巨大,周期長(zhǎng),只能測(cè)量個(gè)別工況下測(cè)點(diǎn)位置的流動(dòng),而且測(cè)量手段粗糙,精確度較差。而數(shù)值模擬方法具有簡(jiǎn)單、方便、投資少、周期短等優(yōu)點(diǎn),結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性,而且可以得到實(shí)驗(yàn)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(xiàn)中的數(shù)值模擬都是單獨(dú)對(duì)凝汽器內(nèi)氣流、汽輪機(jī)排汽進(jìn)行數(shù)值模擬,很少有關(guān)于凝汽器喉部流動(dòng)特性數(shù)值模擬的報(bào)道,關(guān)于低加布置形式的探討目前國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)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(duì)國(guó)內(nèi)某臺(tái)300MW汽輪機(jī)凝汽器喉部的三維流動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值求解。旨在通過(guò)對(duì)低壓加熱器在喉部的不同布置形式、不同的布置高度進(jìn)行模擬,了解喉部的流動(dòng)機(jī)理,為凝汽器喉部的改造、設(shè)計(jì)和安全運(yùn)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(shí)低壓加熱器軸線與汽輪機(jī)軸線重合,橫向布置時(shí)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?jī)?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(gè)主要部分,忽略了其它對(duì)喉部流場(chǎng)影響較小的因素,分別模擬計(jì)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(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(hào)的意義見(jiàn)文獻(xiàn)。2流動(dòng)工質(zhì)蒸汽為適合于工程上的應(yīng)用,突出主要矛盾,計(jì)算中忽略一些對(duì)流體運(yùn)動(dòng)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(dòng)距離短,速度快,發(fā)生相變的蒸汽量很少,因此假設(shè)流動(dòng)工質(zhì)蒸汽為不可壓縮;(2)由于流動(dòng)過(guò)程中蒸汽和外界來(lái)不及換熱,所以假設(shè)整個(gè)流場(chǎng)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(duì)流場(chǎng)的影響的角度出發(fā),取入口來(lái)流速度均勻。計(jì)算中來(lái)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(chǎng)分布分別對(duì)低加在凝汽器喉部不同高度的縱向布置、橫向布置進(jìn)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(wú)疑給整個(gè)喉部流場(chǎng)帶來(lái)了很大影響,無(wú)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(guò)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(chǎng)情況不盡相同,但凝汽器內(nèi)置低壓加熱器的流場(chǎng)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(shí),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(chǎng)在4個(gè)角處形成低速區(qū)。最高流速發(fā)生在繞過(guò)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(shí),氣流在低加正下方形成的漩渦區(qū)較橫向布置時(shí)候要小一些,出口截面流場(chǎng)在4個(gè)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(shí)要大,低加兩側(cè)的繞流速度也明顯比橫向布置時(shí)候的要小。從出口截面速度分布圖來(lái)看,低加縱向布置時(shí)總體出口流場(chǎng)較橫向布置時(shí)要差。分析原因:因?yàn)榈图涌v向布置時(shí),其方向與喉部擴(kuò)散角較大的方向成90°,擴(kuò)散角對(duì)流場(chǎng)的影響較低加橫向布置時(shí)要大,在擴(kuò)散角下會(huì)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(shí)大的多;同時(shí)在擴(kuò)散角的影響下,也會(huì)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(shí)出口截面流場(chǎng)氣流速度相差較大,其均勻性較橫向布置時(shí)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(chǎng)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(shí)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(shí)喉部出口壓力分布等值線圖。從圖4、圖5中可見(jiàn),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(shí),由于棱臺(tái)斜壁下方的回流作用,在出口截面的4個(gè)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(duì)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(duì)于此型凝汽器,在同一個(gè)高度,由于低加縱向布置時(shí)擴(kuò)散角對(duì)氣流的影響較橫向布置時(shí)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(shí)大一些。對(duì)于本文的計(jì)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(shí)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(duì)流場(chǎng)和喉部汽阻的影響相對(duì)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(kuò)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(chǎng)分布,將進(jìn)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(duì)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(lái)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(kuò)散角通過(guò)對(duì)低加在凝汽器喉部不同布置形式、不同的布置位置進(jìn)行數(shù)值模擬和探討,結(jié)論如下。(1)低加縱向布置時(shí),其方向與喉部擴(kuò)散角較大的方向成90°,擴(kuò)散角對(duì)流場(chǎng)的影響較低加橫向布置時(shí)要大,在擴(kuò)散角下會(huì)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(shí)大的多;同時(shí)在擴(kuò)散角的影響下,也會(huì)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(shí)出口截面流場(chǎng)氣流速度相差較大,其均勻性較低加橫向布置時(shí)也就要差。(2)擴(kuò)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(jì)和改造中,應(yīng)給予足夠的