不同管束结构凝汽器壳侧数值分析

赵云云

（哈尔滨汽轮机厂 辅机工程有限公司，哈尔滨 150090）

汽轮机机组的重要辅机之一就是凝汽器，它维持着低压缸的背压，其性能影响着整个发电机组的经济性和安全性。管束是凝汽器的重要组成部分。管束设计的主要任务是将热力计算得出的一定数量的冷却管，在壳体空间范围内合理地优化排列和组合，构成一定形状的管束，确保凝汽器运行时达到热力设计的各项指标（如传热量、真空度、凝结水的过冷度及含氧量等）[1]。随着数值模拟技术的发展，数值模拟方法被越来越多地应用于各种复杂传热流动方面，如凝汽器换热和流动问题，以减少实验的周期以及成本[2]。本文应用凝汽器性能分析软件对布管型式为山型（a）、AT型（b）、教堂窗型（c）这三种管束结构的凝汽器进行数值模拟分析，分别得到每种布管方案的凝汽器壳侧的流场、压损、空气浓度分布、凝结量和热负荷分布，并对这三种管束方案进行对比分析。

1 物理模型

某凝汽器结构为单流程对称结构，因此选取凝汽器的一半结构作为计算域，三种方案的管束分布区域如图1所示。为对比不同管束区域对凝汽器性能影响，三种方案除布管类型不一致外，其他设计参数相同，凝汽器背压为4220kPa，进汽量是758.415t/h，冷却水入口温度20.8℃，流量90500m3/h。

2 计算结果

图1～图4为三种布管方案的流速、压损、空气浓度等值线图。图中，所有黑点●处表示最大/最小值。

由图1可知，三种布管方案的凝汽器的蒸汽流动路径相似，一部分蒸汽直接进入管束区凝结换热，一部分流经管束与壳体间蒸汽通道和管束之间的蒸汽通道，从侧面进入管束区，剩余部分在管束区下方的水平蒸汽通道汇合，并对凝结水进行热力除氧后，向上流动进入管束区，最后流经空冷区，不凝结气体抽气口抽出。凝汽器壳体与膨胀节连接处有挡板，因此在挡板下面会形成一个小漩涡，同时由于低压加热器的存在改变蒸汽流动分布，三种方案在低加下方、管束区上方均存在漩涡。

对比分析三种结构的凝汽器流场，发现管束区流场分布对称。这三种凝汽器管束区外围的蒸汽流速基本一致，分别为61m/s、64m/s和62m/s。而空冷区蒸汽流速大小区别较大，山型管束在空冷区的蒸汽流速为0.04m/s，而AT形管束空冷区的蒸汽流速为0.38m/s，教堂窗形空冷区的蒸汽相对偏高，而且空冷区流速不一致，分别为12.9m/s、8.91m/s、2.18m/s。因此，布管结构为教堂窗型的凝汽器空冷区结构需要进一步的优化。从空冷区蒸汽流速大小可以看出，山型布管结构的凝汽器的换热性能较好。

图1 速度等值线图

由图2可知，凝汽器上部的低压加热器的阻碍流动的作用导致蒸汽动能、势能的转换，使得此处蒸汽压力突变。从图2可以看出，混合气体的压力损失是随着蒸汽逐渐进入管束区内传热而逐渐增大。a方案最大压损为614Pa（最大值点如图中管束左侧黑点●），空冷区和抽空气口压损为497Pa；b方案最大压损为617Pa（最大值点如图中管束中部黑点●），空冷区和抽空气口压损为477Pa；c方案最大压损为658Pa（最大值点如图中管束中部下方黑点●），空冷区和抽空气口压损为519Pa。通过压力损失对比发现，a结构凝汽器管束压损较大的区域主要集中在空冷区；b结构凝汽器压力损失集中在中间管束侧的空冷区上，而靠近壳侧的空冷区压损反而相对较小；c结构凝汽器压损较大的区域集中在管束的下方，同样的空冷区处的压损相对较小。因此，对比这几种管束结构，c结构凝汽器的空冷区的设置需要优化，a凝汽器结构较为合理。

由图3可知，a结构抽空气口积聚了大量空气，空气浓度较高，管束布置较为合理。b结构抽空气口的空气浓度相对于整个管束的空气浓度较低，c结构的抽空气口的空气浓度更低。空气浓度低，表明此处的蒸汽含量大，不易再次设置抽空气口，因此c结构的抽空气结构需要优化。

通过计算和比较这三种管束方案，a结构凝汽器区传热系数较高，传热系数在1721W/（m2·K）以上（不包含空冷区）；b结构凝汽器管束下半部分靠近中心侧处传热系数相对较低；c结构凝汽器的传热系数都很高，空冷区的传热系数也较高（主要原因是混合气体流速相对较高），虽然传热系数较高但是蒸汽的流速高，蒸汽的凝结量低，凝汽器性能反而较低。

图2 压损等值线图

图3 空气浓度等值线图

因此，综合比较，a结构凝汽器的管束布置较为合理，三种凝汽器结构性能参数对比如表1所示。

表1 三种凝汽器性能参数对比

3 结论

在本文特定的设计工况下，AT型布管结构和教堂窗型布管结构的凝汽器性能稍差，压损较大，蒸汽凝结量小。与二者相比，山型布管结构的凝汽器壳侧压损较小，蒸汽凝结量大，凝汽器的相对性能较高，传热性能较好。