凝汽器部布置形式对流场的影响

凝汽器部布置形式对流场的影响

0凝汽器司火场及低加布置形式和位置的确定为了减少对电网的配置，降低气阻，大型机车通常会将最低压力的低压加热放在心脏的喉咙里。凝汽器工作性能的好坏是影响机组运行经济性的重要因素之一,其在电厂中的重要地位也越来越明显。凝汽器喉部作为凝汽器结构的一部分,其设计不但要保证有足够好的强度和刚度,还要有良好的气动性能,既要结构紧凑,又要气流的阻力最小,在喉部布置低加的凝汽器,其运行时的真空常低于设计值,直接影响到机组的经济运行。因此,研究凝汽器喉部流场及低加的布置形式和位置有重要的意义。低压加热器放置在排汽流速最低的中央区域,其布置形式有两种,纵向布置与横向布置,纵向布置时低压加热器轴线与汽轮机轴线重合,横向布置时低压加热器轴线与汽轮机轴线垂直。为了将低加对凝汽器气相流动与传热特性的影响减小到最低程度,需要研究低加布置形式和位置对喉部流场的影响。研究凝汽器喉部流动情况的方法目前一般有两种:模型吹风试验和数值模拟。本文采用数值模拟方法研究,模拟对象是国内某台具有内置低压加热器的凝汽器,对加热器在其喉部纵向形式不同高度布置和横向形式不同高度布置进行了模拟,分析讨论了不同的低加布置形式以及同一种低加布置形式不同布置高度对凝汽器工作特性的影响。本文采用k-ε模型,结合壁面函数法,算法为SIMPLE算法。1温度调节方程本文研究的凝汽器喉部内除了布置有低压加热器外,还有大量的支撑管、旁路蒸汽减温减压装置等。在数值模拟中只考虑了喉部和低压加热器两个主要部分,忽略了其它对喉部流场影响较小的因素。物理模型及其网格划分如图1和图2所示,气流沿Z方向流动。喉部入口截面为6.57×7.48(m);出口截面为9.84×792(m);高度为4.810(m);加热器的直径为2.08(m);分别模拟计算了加热器横向布置和纵向布置在喉部不同高度的几种情况。流体设置为不可压。控制方程主要由连续性方程、动量方程、和k-ε方程构成,在直角坐标系中,这些方程表示如下:连续方程div(U)=∂(ρu)∂x+∂(ρυ)∂y+∂(ρω)∂z=0(1)div(U)=∂(ρu)∂x+∂(ρυ)∂y+∂(ρω)∂z=0(1)动量方程控制∂∂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∂xj]+Gk-ε(3)dkdt=∂∂xj[(μ+Cμk2εσk)∂k∂xj]+Gk−ε(3)ε方程dεdt=∂∂xj[(μ+Cμk2εσε)∂k∂xj]+Cε1εkGk-Cε2ε2k(4)dεdt=∂∂xj[(μ+Cμk2εσε)∂k∂xj]+Cε1εkGk−Cε2ε2k(4)其中,常数Cμ=0.09;Cε1=1.44;Cε2=1.92;σk=1.0;σε=1.3。以上方程式中其他符号的具体意义,可参看文献。2低加位置对流场影响由于凝汽器入口蒸汽分布很不均匀,难于预先精确了解,因此,本文从研究低加位置对流场的影响的角度出发,取入口来流速度均匀,质量流量为193,入口压力为4.9kPa。2.1低压加热器对部压的影响本文分别对凝汽器喉部无低加、低加在喉部不同高度纵向布置、低加在喉部不同高度横向布置进行了三维的数值模拟,模拟结果如图3至图6及表1所示。图3为凝汽器喉部无低加流场的速度分布,图4为低加横向布置在距喉部出口截面高度为1.73m流场的速度分布,图5为低加纵向布置在距喉部出口截面高度为1.73m流场的速度分布。图中的不同层次代表的数值不同,气流流动的方向是Z方向。从图3可见:无低加的凝汽器喉部流场速度分布由于扩散角的作用在壁面下方产生回流,在出口的4个角形成低速区,但整个流场基本均匀。凝汽器内置低压加热器无疑给整个喉部流场带来了很大影响,从图4、图5可见,无论是低压加热器横向布置还是纵向布置,都使入口气流在加热器正上方区域的速度急剧下降,并使其形成绕流,造成在出口截面气流速度降低,并在低加正下方形成低速涡流区。从图中可以看出气流高速绕过低加两侧并从旋涡两侧流出,尽管低压加热器不同的布置形式、不同的位置高度流场的情况不尽相同,但凝汽器内置低压加热器的流场整体分布都不均匀。低加的存在无疑也增加了喉部的汽阻,对于不同的低加布置形式,布置在距出口截面相同位置进行数值模拟,得出其喉部汽阻的特性曲线如图6所示,加入低加之后,最大平均汽阻达110.6Pa,最小的平均汽阻也有67.2Pa。而无低加时,喉部汽阻只为19.5Pa汽阻的增大会使平均传热温差减小,对凝结效果有很大影响,它的影响超过了低加对传热系数的影响,使总体凝结效果变差,导致抽汽口处的未凝结蒸汽量增加。分析原因:由于低压加热器的存在,其正上方入口流体阻力突然增大,迫使气流改变流动方向,改变方向的气流与低加两侧的气流相遇,使其速度也降低。由于低加的阻力作用使气流在喉部壁面摩擦损失增大,从而气流的能量损失增大,速度减低,速度远远低于低加两侧绕流而过的气流,在出口截面附近的四角上形成了漩涡区。低加正下方的涡流区则是由于低加的存在使其正下方的气流密度突然降低而形成的。综上所述,无论是低压加热器在喉部是何种布置形式,其存在必使入口气流阻力增大,使喉部流场不均匀性增大,喉部流场的不均匀将影响凝汽器管束凝结区的热负荷分布,从而影响机组运行的经济性,因此对喉部是否加低加除了节省空间外,还应考虑到其对经济性的影响。2.2低加对汽阻的影响为了方便比较,低加横向布置和纵向布置的高度位置相对应。以下分析比较均是低加布置在同一高度但布置形式不同的比较。从图4中可以看出,当低加横向布置时,气流在低加正下方形成的旋涡区域较大,低加两侧壁面存在涡流区域,出口截面流场在4个角处形成低速区;入口气流速度较无低加时候比要小的多,最高流速发生在绕过加热器的两侧,并一直延续到喉部出口。从图5中可以看出:当低加纵向布置时,气流在低加正下方形成的旋涡区较横向布置时候要小一些,出口截面流场在4个角与低加同向的两条边上形成低速区,但低加对入口气流的影响要比横向布置时要小一些,低加两侧的绕流速度也明显比横向布置时候的要大。从出口截面速度分布矢量图来看,低加纵向布置时虽然出口气流速度较横向布置时的要大,但总体出口流场较横向布置时却要差一些。分析原因:因为低加纵向布置时,其方向与喉部扩散角较大的方向成90°,扩散角下形成气流的低密度区,使扩散角对流场的影响增大;而由于扩散角的存在,使低加两侧气流流动空间增大,气流在壁面的摩擦损失也就减小,所以涡流两侧气流出口速度要较横向布置时候要大一些。以上原因造成纵向布置时出口截面流场气流速度相差较大,其均匀性较横向时候也就要差一些。流场的不同导致低加不同布置形式汽阻的变化也不尽相同,作者分别模拟了低加不同布置形式在不同位置的情况,得出了汽阻随低加高度变化的曲线,如图6所示,对于此型凝汽器,在同一个高度,低加横向布置要略优于纵向布置,其汽阻都要低一些,对于本文的计算条件,最佳的低加横向布置位置是在距出口截面2.34m左右,而低加纵向布置最佳位置则在距出口截面2.46m左右的地方。由此可见,对于本文的计算条件来说,低加在喉部横向布置对流场和喉部汽阻的影响相对纵向布置来说要好一些。从喉部汽阻方面考虑,低加在喉部的最佳布置位置因布置形式而异。3凝汽器司放系统部纵向布置通过对凝汽器喉部有低加无低加,及低加不同布置形式、不同布置位置模拟计算,得出以下结论:(1)无论低压加热器在喉部是何种布置形式,其存在必使入口气流阻力增大,使喉部流场不均匀性增大,喉部流场的不均匀将影响凝汽器管束凝结区的热负荷分布,从而影响机组运行的经济性。对喉部是否加低加除了节省空间外,还应考虑到对经济性的影响。(2)低加在凝汽器喉部纵向布置时,其方向与喉部扩散角较大的方向成90°,扩散角下形成气流的低密度区,使扩散角对流场的影响增大;低加两侧气流流动空间增大,气流在壁面的摩