（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150090）
摘要：从低压缸出来的蒸汽，由于速度较高，若无导流装置的作用，会沿着凝汽器入口方向迅速经过凝汽器上部，达不到良好的换热效果。本文从减小凝汽器喉部汽阻和保证喉部流场的稳定均匀性角度出发，提出了两种布置于凝汽器喉部特定位置的导流结构，并通过分析比较，确定凝汽器喉部流场的优化方向，对凝汽器本体的优化设计提供一定的指导意义。
关键词：凝汽器；喉部汽阻；导流结构
前言
凝汽器是将汽轮机排汽冷凝成水的一种换热器，其作用有二，一是在汽轮机末端排汽位置建立并维持一定的真空，二是将汽轮机排出的蒸汽凝结成水用以锅炉给水。凝汽器喉部一般指的是接受汽轮机排汽的进口部分，又称为凝汽器上部或者接颈；做为电站汽轮机的重要组成部分，衡量凝汽器喉部的运行指标主要有两个，一是喉部蒸汽的流动汽阻，如果喉部蒸汽的流动阻力过大，会导致汽轮机排汽压力增加，影响其效率，凝汽器喉部阻力增加0.133kPa，汽轮机功率将减少0.08%[1]，同时，蒸汽阻力过大还会造成凝结水内含氧量超标，加速换热管和其他设备的腐蚀性[2]；一般情况下，喉部的工作压力一般在0.05大气压左右，处于一个高度真空的状态之下，因此，要使凝汽器本体结构不发生变形，其内部需要布置大量的支撑元件，而支撑元件的合理布置，以及凝汽器上部的低压加热器等元件的存在，又对凝汽器喉部汽阻的大小产生非常大的影响。二是凝汽器喉部的蒸汽流动分布情况，从低压缸出来的蒸汽，其速度较高，如果内部的支撑结构不合理导致凝汽器喉部的蒸汽流动分布不均匀，会导致低压缸排汽经过凝汽器上部扩散到凝汽器下部的换热区域后，在凝汽器下部的换热区会产生局部换热不均的情况，同样也会导致效率的降低。
由于凝汽器上部内置低压加热器体积比较大，是造成喉部流动不均匀的主要原因，同时也是喉部汽阻的主要来源，低压加热器的布置位置及布置方式对喉部汽阻的影响很大[3]。针对凝汽器喉部出口流场分布不均匀的流动问题，本文提出在凝汽器喉部空间的适当位置加装导流装置，以使凝汽器喉部出口流场分布趋于均匀合理，本文提出两种导流结构，用以分析影响凝汽器喉部流动均匀性的结构调整方向，为凝汽器的优化设计提供辅助支撑。
1 凝汽器喉部的物理模型和控制方程
1.1设备参数和物理模型
凝汽器上部外形主要尺寸以及低压加热器布置位置如图1所示，其中左侧为主视图，右侧为侧视图。本文提供凝汽器喉部流场的两种导流板布置方案，并对两种布置方案进行了比较，计算中暂不考虑凝汽器内部支撑结构及抽汽管组的影响。
采用控制容积方法将控制方程组进行离散，在给定的边界条件下可用求解压力耦合方程的半隐式方法求解离散化方程组，得出凝汽器喉部汽相流场的速度、压力、温度等重要参数的分布[5]。
2 数值模拟及结果分析
2.1 计算假设
计算中忽略一些对流动分析计算相对次要的因素，作如下假设[6]：
（1）由于主要分析凝汽器喉部一段的蒸汽流场，蒸汽流动的速度快，距离短，发生相变的蒸汽量少，因此假定工质蒸汽的密度不变，即流动工质为不可压缩流体；
（2）假设凝汽器喉部入口的蒸汽流场分布均匀；
（3）假设整个流场的温度恒定不变；
（4）忽略蒸汽自身重力的影响。
根据凝汽器喉部外形结构及尺寸，采用全三维模拟计算，进行流动性能分析。采用ICEM网格划分软件对上述建立的凝汽器上部结构模型进行网格划分，针对两种不同的方案，采用相同的网格划分设置，网格数量分别为：1459075个（方案一）、1569773（方案二）。求解模型采用κ-ε模型，不考虑重力的影响，流体介质为蒸汽（Steam1v）；给定入口边界条件为：inlet为流量入口，流量为189kg/s，给定入口蒸汽的焓值或者温度；出口边界条件设为压力出口，给定静压数值为4.9KPa。
2.2 结果分析
针对前面建立的模型及网格划分结果，利用流动分析软件进行数值模拟，得出上述两种方案下的计算模型中心截面上的流线图和速度云图分别如图3和图4，其中左图为方案一结果，右图为方案二结果。
从图中可以看出，低压缸排汽进入凝汽器上部后，在低压加热器位置产生绕流；速度最大的位置出现在导流结构布置处；对比方案二，方案一中的导流结构的布置相对来说更合理，方案一中的导流结构对蒸汽流场的分布效果更佳，该方案相比方案二中的导流结构位置更加趋于流体流动的核心区域，而方案二中靠近壁面位置的部分导流结构对流场分布的作用很小，因此相对来说对流场分布均匀性有影响的导流结构的有效面积小。为了从理论上更加有效地判断流场分布均匀性的效果，下面引入均匀性系数λ。
其中，pt 为总压，下角标“0”表示入口处值，下角标“1”表示指定处的值。本文分析计算了凝汽器入口平面到凝汽器上部出口平面之间的压损值（该值不包括凝汽器上部支撑结构及抽汽管组等设备产生的压损值），用以比较两种导流板方案所产生的汽阻大小，结果如表2。
表2 凝汽器上部汽阻值比较
从表2中可以看出，方案一产生的压损要比方案二产生的压损略低，从这点上说，方案一要比方案二更加合理。
3 结论
为改善凝汽器喉部蒸汽流场分布的均匀性，提出两种导流结构布置方案，并对两种方案进行了简单地对比，根据上述计算过程，可以得出如下结论：
（1）.从表1和图4中方案一和方案二的对比结果可知：方案一中的导流板布置结构更加有利于凝汽器喉部蒸汽分布的均匀性要求。
（2）.从表2中的对比结果可知，方案一中的导流板布置结构要比方案二的导流板布置结构产生的压损值要小。
（3）.导流结构的位置要更加偏重于布置在流体流动的有效中心区域，更有助于保证流体分布的均匀性。
参考文献：
[1]崔国民，蔡祖恢，李美玲. 凝汽器喉部蒸汽流动的三维数值模拟[J].热能动力工程，2001（5）：520-524
[2]刘克为，孙源浦，程方.凝汽器喉部补偿节优化计算分析[J].计算工程师，2018（7）：34-36
[3]李平，朱光宇，俞茂铮. 凝汽器内低压加热器对流动与传热特性影响的数值分析[J].汽轮机技术，2000（4）：208-213
[4]高学平. 高等流体力学[M]. 天津：天津大学出版社，2005
[5]邢朱苗，安娜，蒋波，等.凝汽器喉部流场三维数值分析[J]. 节能，2008（5）：15-17
[6]曹丽华，郭婷婷，李勇. 300MW汽轮机凝汽器喉部出口流场的三维数值模拟[J]. 中国电机工程学报，2006.26（11）：56-59
[7]曹丽华，周云龙，陈洋，等. 凝汽器喉部流场的三维数值分析[J]. 核动力工程，2010.03：55-59
作者简介：
许宝军（1975-），男，陕西周至人，工程师，1997年毕业于西安理工大学。主要从事汽轮机辅机、压力容器设计开发与技术管理工作。
论文作者:许宝军
论文发表刊物:《河南电力》2018年22期
论文发表时间:2019/6/21
标签：凝汽器论文; 喉部论文; 蒸汽论文; 方案论文; 结构论文; 汽轮机论文; 两种论文; 《河南电力》2018年22期论文;