汽輪機凝汽器管束布置對工作特性的影響

汽輪機凝汽器管束布置對工作特性的影響

0管束低加布置位置隨著電動汽車在線故障裝置的功率的增加，低壓蒸汽機的形狀也會相應(yīng)增加。為了使汽輪機熱力系統(tǒng)部件及管道空間布置更為緊湊,設(shè)計部門趨向于將低加布置在凝汽器內(nèi)管束上方空間。此時低加會影響管束外圍的蒸汽流場及進入管束的流量分布,從而影響管束區(qū)的蒸汽流動與傳熱特性。為了將低加對凝汽器汽相流動與傳熱特性的影響減小到最低程度,需要確定低加布置位置對汽相流動與傳熱特性的影響。本文采用經(jīng)過實驗考核的凝汽器殼側(cè)汽相流動與傳熱特性數(shù)值分析方法及程序?qū)σ慌_300MW汽輪機凝汽器內(nèi)低加對凝汽器工作特性的影響進行了計算與討論,為凝汽器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及低加布置位置的合理選擇提供一些有用的依據(jù)。1維x-y直角坐標(biāo)系的流動控制方程計算方法所依據(jù)的物理模型將凝汽器殼側(cè)蒸汽空氣混合物在管束區(qū)的流動簡化為理想的蒸汽空氣混合物在具有分布阻力和分布質(zhì)量匯的多孔介質(zhì)中的二維流動,分布阻力和分布質(zhì)量匯由管束的流動與蒸汽凝結(jié)換熱實驗得出的半經(jīng)驗關(guān)系式確定。描述這種流動的控制方程主要由連續(xù)性方程、動量方程和空氣組分方程構(gòu)成。在二維x-y直角坐標(biāo)系中,這些方程可以寫成統(tǒng)一的形式:式中u、v——混合物在x、y坐標(biāo)方向的速度分量ρ——混合物密度ε——多孔介質(zhì)空隙率φ——任意一個獨立變量Γφ、Sφ——廣義的擴散系數(shù)和源項當(dāng)φ分別表示u、v、空氣濃度q及數(shù)值1時,方程(1)分別成為x、y方向的動量方程、空氣組分方程及連續(xù)方程,Γφ、Sφ的表達式取決于φ所代表的意義,具體的形式可參見文獻。采用控制容積積分法將控制方程組進行離散后,在給定的邊界條件下可用求解壓力耦合方程的半隱式方法求解離散化方程組,得出凝汽器殼側(cè)汽相流場的速度、壓力、空氣濃度分布,同時也可得出混合物溫度、傳熱系數(shù)、熱負(fù)荷等重要參數(shù)的分布。2凝汽器空間參數(shù)凝汽器為一臺單殼、單壓、對分制、單流程、具有4個教堂窗式管束模塊的凝汽器,主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如圖1所示。低加位于中心線上,低加圓形外殼的半徑R為650mm,外殼中心與管束頂邊的垂直距離為H。表1列出了主要的凝汽器計算參數(shù)?？紤]到凝汽器整體布局的對稱性,計算區(qū)域可只取中心線一側(cè)的凝汽器空間,如圖1所示。假定凝汽器進口的蒸汽速度均勻分布,且平行于中心線。另外,還假定不同計算方案凝汽器進口壓力相同,汽阻的差別只對空冷區(qū)抽汽口壓力產(chǎn)生影響,空氣泵容量保證能夠抽出所有未凝結(jié)的汽氣混合物。按凝汽器的氣密性要求,取進口處的空氣漏入量為15kg/h,進口混合物的空氣相對濃度為4.9×10-5。3管束低加對汽阻的影響分別計算了無低加凝汽器結(jié)構(gòu)方案以及9個不同的低加布置方案。圖2至圖5分別表示了無低加方案以及H/R分別為0.2492、2.2492和4.2492的有低加方案的汽相流場矢量圖、流場流線圖、壓力等值線分布圖和傳熱系數(shù)等值線分布圖。由圖2(a)及圖3(a)可以看出,無低加方案凝汽器的管束模塊間的蒸汽通道顯然過于狹窄,管束間蒸汽通道內(nèi)的蒸汽速度很大,在抽汽區(qū)下方形成一個低壓區(qū)。由于隨后蒸汽的減速升壓作用,在通道的底部形成一個高壓區(qū)。在蒸汽壓力梯度的作用下,凝汽器的下半部分管束形成了兩個方向相反的回流和空氣積聚區(qū),因此傳熱效果較差。由圖2(b)、(c)、(d)可見,低加改變了蒸汽進入管束區(qū)前的流場以及進入各個管束的蒸汽量。在低加比較靠近管束時,這個現(xiàn)象更加明顯。如圖2(b)所示,低加的阻塞作用使進入中心線處管束間蒸汽通道的蒸汽量大為減少,隨著蒸汽在流動過程中的不斷凝結(jié),在蒸汽通道底部形成了一個低壓區(qū),在其左邊高壓蒸汽的推動下,下半部分管束內(nèi)形成了一個較大范圍的逆時針方向的回流和空氣積聚區(qū),對傳熱特性有很大的影響。如圖5(b)所示,在中間管束的下半部分與中間蒸汽通道鄰近一側(cè)的傳熱系數(shù)明顯降低。但由于蒸汽的重新分配消除了原先下半管束左側(cè)的空氣積聚區(qū)(如圖3所示),整體傳熱系數(shù)反而比無低加的有所升高。低加的存在增加了凝汽器的汽阻。如圖2所示,低加在管束上方形成了一個降壓增速的漸縮通道,壓降急速增大。如圖4及表2所示,無低加方案凝汽器平均汽阻只有70.6Pa,有低加方案最大平均汽阻達到178.5Pa,最小的也有113.5Pa。汽阻的增大會使平均傳熱溫差減小,對凝結(jié)效果有很大影響,它的影響超過了低加對傳熱系數(shù)的影響,使總體凝結(jié)效果變差,導(dǎo)致抽汽口處的未凝結(jié)蒸汽量增加。表2列出了各個方案下凝汽器的平均傳熱系數(shù)、平均汽阻及未凝結(jié)蒸汽量。從中可以看出低加對凝汽器的流動與傳熱特性影響很大。如表所列,無低加方案的未凝結(jié)蒸汽量為247.5kg/h,而有低加方案最小未凝結(jié)蒸汽量為376.71kg/h、最大為674.8kg/h,將近是原來的1.5至3倍。如果空氣泵沒有足夠大的容量,不能抽出全部的汽氣混合物,則勢必導(dǎo)致凝汽器壓力上升。圖6至圖8分別為平均傳熱系數(shù)、平均汽阻及未凝結(jié)蒸汽量隨低加位置變化的曲線。從這些圖中可以清楚地看出低加對凝汽器流動與傳熱特性的影響。如圖6所示,凝汽器平均傳熱系數(shù)隨低加位置的抬高先是減小,然后升高,但是平均傳熱系數(shù)都要比無低加方案大。從圖2及圖3可以看出,這是低加改善了下半部分管束蒸汽流場的結(jié)果。雖然有低加方案下的流場也不夠理想,但總體上抑制了無低加方案下流場的回流和空氣積聚區(qū),使原先的空氣積聚區(qū)從4個減少到3個,因而導(dǎo)致凝汽器平均傳熱系數(shù)的提高。如圖7所示,凝汽器的汽阻隨低加位置的抬高先是減小,然后增大。這種變化主要是蒸汽通道以及低加下方渦流區(qū)隨低加位置變化的結(jié)果。在低加位置較低時,低加的阻塞使進入兩個中間管束之間蒸汽通道的蒸汽流道面積大為減小,進入的蒸汽量也相應(yīng)地減少,在低加下方就形成一個低壓區(qū),導(dǎo)致中部管束的壓降明顯地增大。如表2所列,H/R=0.7492有低加方案的最大平均壓降達到了-178.5Pa。隨著低加位置的抬高,低加對蒸汽通道的影響逐漸減小,進入中心線蒸汽通道的蒸汽量也逐漸增加,凝汽器的汽阻也隨之降低。當(dāng)?shù)图游恢玫竭_一定的高度后,由于管束對蒸汽的排擠作用減弱,低加后方的渦流區(qū)范圍擴大,因此,凝汽器的最大壓降又開始增大。凝汽器汽阻變化造成了蒸汽平均傳熱溫差的變化,對凝汽器凝結(jié)有很大的影響。在傳熱系數(shù)以及汽阻變化的作用下,凝汽器的凝結(jié)量發(fā)生了變化,因而形成了如圖8所示的凝汽器為凝結(jié)蒸汽量隨低加位置變化關(guān)系。從中可以看出,在凝汽器內(nèi)部布置低壓加熱器時,為了保證凝汽器的凝結(jié)效果,既不能把低加位置放置在十分靠近管束的位置以防對凝汽器流動與傳熱特性產(chǎn)生太大的影響,也不能把它布置得過高,使凝汽器尺寸過分增大。對于本文所分析的凝汽器,H/R取1.75左右時,既可以保證低加對凝汽器的換熱效果不會有很大的影響,又可使凝汽器的體積不過分增大。4流動與傳熱特性數(shù)值分析方法1.凝汽器內(nèi)低壓加熱器下方形成的旋渦會改變管束進口區(qū)域的流場及進入各個管束的蒸汽流量分布,從而影響管束的流動與傳熱特性,使凝汽器平均傳熱系數(shù)、汽阻、傳熱溫差及抽汽口未凝結(jié)蒸汽量等重要工作特性相應(yīng)改變。低加和管束模塊間距的布置以及低加下方蒸汽通道的設(shè)計應(yīng)將低加對凝汽器蒸汽流動與傳熱特性的影響減小到最低程度。利用所發(fā)展的汽相流動與傳熱特性數(shù)值分析方法可詳細(xì)反映低加對凝汽器工作特性的影響。對于本文所分析的凝汽器,H/R取為1.75左右時,既可以保證低加對凝汽器特性不會有很大的影響,又可使凝汽器的體積不過分增大。當(dāng)然這個數(shù)值與具體管束的結(jié)構(gòu)以及管束模塊的布置方式有關(guān),需要根據(jù)凝汽器結(jié)構(gòu)具體分析。2.低加對本文所討論的凝汽器工作特性的影響主要是由于低加及其下部渦流區(qū)阻塞蒸汽通道使汽阻增大,從而造成蒸汽凝結(jié)不充分,空氣泵負(fù)荷增大。由于原先所設(shè)計的管束結(jié)構(gòu)及管束模塊布置得不夠合理,管束下部存在空氣積聚區(qū),低加的置入反而改善了凝汽器內(nèi)部的流場,使平均傳熱系數(shù)增大,因此,低加對凝汽器流動與傳熱特性的影響變得更為復(fù)雜。3.在進行凝汽器設(shè)計時很有必要把管束