600_MW汽轮机凝汽器喉部数值模拟_董倩茹.pdf

收稿日期：2022-06-13作者简介：董倩茹（1997-），女，辽宁大连人，硕士研究生。600 MW汽轮机凝汽器喉部数值模拟董倩茹a，盛伟b（沈阳工程学院 a.能源与动力学院；b.发展规划处，辽宁 沈阳 110136）摘要：根据600 MW汽轮机机组的凝汽器喉部建立物理及数学模型，同时考虑小机排汽的影响并在ANSYS软件中进行数值模拟。在100%、75%、50%THA（total hydrocarbons analyzer）工况下，对凝汽器喉部的汽动性能、静压恢复系数、喉部汽阻及总压损失系数的分布规律进行分析可知：随着质量流量降低，凝汽器喉部出口的均匀性系数减小，出口静压恢复系数增大，总压损失系数降低，流场随着工况的改变逐渐恶化。此结果可为凝汽器喉部优化改造提供一定的理论基础。关键词：凝汽器喉部；热耗率验收工况；数值分析中图分类号：TM621文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）01-0036-06DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.01.006第 19 卷第 1 期2 0 2 3 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）目前，火力发电仍是我国电力的主要来源，且随着装机容量的持续增长，汽轮机也逐渐向着低背压、大容量方向发展1-2。凝汽器喉部属于汽轮机的通流部分，是提高汽轮机的效率和经济性的关键，当偏离设计工况时，汽轮机的效率及经济性也将发生转变。凝汽器喉部作为衔接汽轮机排汽缸及凝汽器的关键组成部分，连接着汽轮机的排汽口和凝汽器的主凝结区，可回收排汽的动能并将其转化为压力能，从而减少余速损失，从而提高整个电厂的经济效益。在凝汽器喉部内布置7#和8#低压加热器、各级抽汽管道和支撑结构的管系，这些设备对凝汽器喉部的流场会产生一定的扰流，导致喉部出口流场分布不均匀3。同时，小机排汽也会对凝汽器喉部流场产生一定的影响4。文献 4 分析了凝汽器喉部的中低压加热器与小机排汽布置的位置对凝汽器喉部流场的影响，结果表明：小机排汽离低压加热器越远，排汽阻力损失就越小。文献5 考虑了在冬季和夏季工况下，低压加热器的布置位置对喉部流场的干扰，结果表明：距喉部出口 2.2 m2.4 m处对流场的影响最小。文献 6 对600 MW排汽通道流场进行不同的THA工况数值分析，并对通道进行优化改造。综上所述，暂无在热耗率验收工况条件下对独立的凝汽器喉部流场的分析。因此，本文在考虑小机排汽影响的基础上根据不同的质量流量，由凝汽器喉部的出口流动的均匀系数来判断在100%、75%、50%THA工况下的流场变化，从而为凝汽器喉部后续改型提供一定的理论基础，提高汽轮机的经济性。1模型建立1.1物理模型为使汽轮机蒸汽的动能更好地转变为压力能，将凝汽器喉部设计成棱台型，如图1所示。喉部上半部分与排汽缸出口相连接，下半部分链接凝汽器的主凝汽区。为节约空间，通常在凝汽器喉部内部布置低压加热器、水泵汽轮机排汽和一些支撑管路。为简化计算，只需留下低压加热器和小机排汽口。以 600 MW 汽轮机的凝汽器喉部为原型绘制物理模型，凝汽器喉部进口的尺寸为6 600 mm7 618 mm，出口尺寸为11 200 mm7 180 mm，低压加热器的直径为1 820 mm，低压加热器距凝汽器喉部进口的高度为 2 670 mm，小机排汽直径为1 800 mm，小机排汽距凝汽器喉部进口高度为1 880 mm。额定工况下，凝汽器喉部来流的质量流量为201.8 kg/s，压力为4 900 Pa；小机排汽处来流的质量流量为5.04 kg/s，压力为6 570 Pa；凝汽器喉部的冬季设计背压约为4 900 Pa，夏季设计背压为6 000 Pa。根据此数据绘制出凝汽器喉部的物理模型5，如图1所示。通过gambit软件对凝汽器喉部建模并运用Tet/HybridTGrid格式绘制结构化网格，整个凝汽器喉部网格数量为 1 586 391 个，网格模型如图2所示。1-凝汽器喉部入口；2-小机排汽；3-7#和8#低压加热器图1布置低压加热器及给水泵汽轮机的凝汽器模型图2凝汽器喉部网格在FLUENT软件中对凝汽器喉部的结构化网格进行质量检测，如图3所示。凝汽器喉部处的网格正交质量为 0.241 769，网格横纵比为 17.468 6，均符合 FLUENT软件中网格质量的要求，为后续的数值计算奠定了基础。图3凝汽器喉部网格质量检测1.2求解参数设置对凝汽器喉部的研究主要有两种方法：吹风试验和数值模拟。模型吹风试验投资大，时间长，只能在特殊工况下进行试验，现阶段不采用；数值模拟方法精确度高，方便且快捷，目前基本采用数值模拟的方法研究凝汽器喉部的流场。数值模型采用RNG k-湍流模型，是目前工业上应用最广泛的模型，也是能够适应高应变和高曲率流动的数值模型。近壁面采用scalable函数及二阶迎风差分格式对模型进行运算。整体采用Simple算法进行计算。控制方程是由连续方程、动量方程、k-方程组成1-7。连续性方程：divU=(u)x+(v)y+()z（1）动量方程：t(ui)+xj(uiuj)=-pxi+13xi(ujxi)+2uixixj（2）k方程：dkdt=xj+ck2kkxj+Gk-（3）方程：ddt=xj+ck2kxj+c1kGk-c22k（4）第 1 期董倩茹，等：600 MW汽轮机凝汽器喉部数值模拟37第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）式中，为微团内流体的密度；u、v、分别为微团内流体在x、y、z方向上的速度分量；U为微团内流体的质量变化；xi和xj为x轴的分量；k为微团内流体流动的紊动动能；为紊动能量损耗率；Gk为涡流生成项；c=0.09；c1=1.44；c21.92；k=1.0；=1.3。根据国内外的研究现状，绘制模型并设计出100%、75%、50%THA工况。采用均匀系数来反映喉部出口截面流场分布的均匀性，采用总压损失系数和静压恢复系数来反映喉部能量损失和余速利用情况。=vavm 100%（5）式中，表示均匀系数；va表示质量加权平均速度；vm表示面积加权平均速度。s=pout-pinp0,in-pin（6）Cp=p0,in-p0,outp0,in-pin（7）式中，s为静压恢复系数，Cp为总压损失系数；p0,in和pin分别为凝汽器喉部的进口总压和静压；p0,out和pout分别为凝汽器喉部出口的总压和静压。2模型与分析基于实际情况分析，蒸汽在凝汽器喉部流动的过程中，流动的距离很短，未来得及换热便进入凝汽器中，因此在模拟运算过程中可将蒸汽在凝汽器喉部的流动视作绝热状态。在蒸汽进入主凝结区时，假设蒸汽是单相流动的，忽略重力因素的影响且蒸汽在凝汽器喉部的流动是不可压缩的定常湍流流动。在Fluent软件中设置边界条件，两个入口均为质量流量入口，出口为压力出口；设凝汽器喉部的壁面为无滑移的绝热壁面。2.1100%工况下凝汽器喉部蒸汽流动分析排汽缸向下输入的蒸汽进入凝汽器喉部的入口，蒸汽在凝汽器喉部内部的低压加热器上下两处，流速减小并产生涡流。小机排汽也同时增加了凝汽器喉部流场的不均匀性，从z轴方向上输入的蒸汽在x轴方向上与小机排汽产生了撞击，使小机排汽侧也出现了低速区。100%工况在凝汽器喉部x轴截面及出口速度云图如图4所示。速度/(m s-1)a x轴截面速度/(m s-1)b 喉部出口图4100%工况凝汽器喉部x轴截面和出口速度由图4a可知：进入凝汽器喉部的蒸汽经过低压加热器上方时，速度逐渐减小，直到加热器汽流速度也到了最低值。与低压加热器分离后，在低压加热器的两侧形成高速汽流，凝汽器喉部入口在x轴截面的最大速度为227.93 m/s，随后汽流在低压加热器脱离，形成了涡流。由图 4b 可知：由于 z 轴方向的汽流受到小机排汽进汽的扰动，改变了汽流流动的方向，速度下降，在小机排汽下方位置出现低速区和漩涡。由此可见，小机排汽对喉部流场的均匀性产生了影响。382.275%工况下凝汽器喉部蒸汽流动分析随着工况的改变，进入凝汽器喉部的质量流量也相应减小。由于在数值模拟计算中将凝汽器喉部的蒸汽视作不可压缩流体，所以凝汽器喉部内部的蒸汽密度并不发生改变，而且通流面积也不发生改变，当质量流量改变时，蒸汽进入凝汽器喉部的流速随着质量流量的减小而减小。75%工况在凝汽器喉部x轴截面及出口速度云图如图5所示。速度/(m s-1)a x轴截面速度/(m s-1)b 喉部出口图575%工况凝汽器喉部x轴截面与出口速度由图5a可知：在凝汽喉部x轴截面处，低压加热器下方的低速区域及涡流区域变大，低压加热器两侧的高速汽流相比于 100%THA工况下的高速汽流有所减小。此时，凝汽器喉部入口在x轴截面的最大速度为178.6 m/s。由图5b可知：由于小机排汽的影响，在小机排汽的下方形成低速区与涡流区域，此区域相对于100%THA工况的面积增大，凝汽器喉部出口截面的不均匀性也相对增加，对汽轮机的凝汽器换热也造成一定的影响。2.350%工况下凝汽器喉部蒸汽流动分析将边界条件设置成 50%THA 工况时，进入凝汽器喉部的质量流量相对其他工况最少。50%工况在凝汽器喉部x轴截面及出口速度如图6所示。速度/(m s-1)a x轴截面速度/(m s-1)b 喉部出口图650%凝汽器喉部x轴截面与出口速度由图6a可知：随着THA工况的改变，凝汽器喉部的低压加热器下方的低速区在逐渐增大，而且低压加热器上方的低速区域也有扩张的趋势；与75%THA工况相比，在7#和8#低压加热器两侧的高速区也有所减少。此时，凝汽器喉部入口在x轴截面的最大速度为116 m/s。由图6b可知：在低压加热器的下方产生了大面积的涡流以及低速区，这严重影响出口流场的均匀性，低压加热器的下游低速区域相较于其他工况逐渐扩散，流速逐渐减小，流场恶化。第 1 期董倩茹，等：600 MW汽轮机凝汽器喉部数值模拟39第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）综上所述，随着THA工况的递减，同时受低压加热器以及小机排汽的影响，凝汽器喉部内部的流场也产生了相应的变化，且THA工况的变化对喉部流场的均匀性以及主蒸汽的流速均造成了一定的影响：在 100%THA工况下，出口流场最为均匀且主蒸汽流速相对较高；在75%THA工况下，流场的低速区域出现了扩张的趋势，且蒸汽流速也相对减小；在50%THA工况下，出口流场开始紊乱，高速区域减小，低速区域增加，流速降低，对后续凝汽器换热效率也造成了影响。3结果分析凝汽器喉部汽动性能的好坏可由静压恢复系数及总压损失系数来判定，静压损失系数表示余速损失的利用情况，压力损失系数表示能量损失情况。根据式（6）和式（7）所得数据绘制不同THA工况下的静压恢复系数和总压损失系数折线图，如图7所示。图7不同THA工况下的静压恢复系数和总压损失系数由图7可知：静压恢复系数在100%THA工况处最小，总压损失系数在 100%THA工况下最大。随着质量流量的减小，在凝汽器喉部内产生的低速区和漩涡增加，从而导致在低质量流量的工况下静压恢复系数增大，总压损失系数减小。由式（5）可得不同工况下的均匀系数分别为0.671、0.618和0.592。随着工况的改变，凝汽器喉部出口的均匀系数逐渐降低，凝汽器喉部流场的均匀性也越来越差。4结论凝汽器喉部的汽动特性和流动特性对汽轮机的效率和经济性产生一定影响。在凝汽器喉部处于 50%THA工况时，出口的流场较不均匀。以某600 MW汽轮机凝汽器喉部为研究对象，在100%、75%、50%THA工况下通过数值分析研究喉部的流场变化，所得结论如下：1）小机排汽对凝汽器喉部流场均匀性产生了一定的影响。2）随着质量流量的减小，工况逐级变化，凝汽器喉部出口的流速也随之减小，静压恢复系数增大，总压损失系数减小，出口截面均匀系数降低，流场逐渐恶化。参考文献1王文营，郭良丹，安国银，等.小容积流量下汽轮机排汽缸流动特性分析 J.汽轮机技术，2019，61（