汽轮机凝汽器管束布置对工作特性的影响

汽轮机凝汽器管束布置对工作特性的影响

0管束低加布置位置随着电动汽车在线故障装置的功率的增加，低压蒸汽机的形状也会相应增加。为了使汽轮机热力系统部件及管道空间布置更为紧凑,设计部门趋向于将低加布置在凝汽器内管束上方空间。此时低加会影响管束外围的蒸汽流场及进入管束的流量分布,从而影响管束区的蒸汽流动与传热特性。为了将低加对凝汽器汽相流动与传热特性的影响减小到最低程度,需要确定低加布置位置对汽相流动与传热特性的影响。本文采用经过实验考核的凝汽器壳侧汽相流动与传热特性数值分析方法及程序对一台300MW汽轮机凝汽器内低加对凝汽器工作特性的影响进行了计算与讨论,为凝汽器的结构设计及低加布置位置的合理选择提供一些有用的依据。1维x-y直角坐标系的流动控制方程计算方法所依据的物理模型将凝汽器壳侧蒸汽空气混合物在管束区的流动简化为理想的蒸汽空气混合物在具有分布阻力和分布质量汇的多孔介质中的二维流动,分布阻力和分布质量汇由管束的流动与蒸汽凝结换热实验得出的半经验关系式确定。描述这种流动的控制方程主要由连续性方程、动量方程和空气组分方程构成。在二维x-y直角坐标系中,这些方程可以写成统一的形式:式中u、v——混合物在x、y坐标方向的速度分量ρ——混合物密度ε——多孔介质空隙率φ——任意一个独立变量Γφ、Sφ——广义的扩散系数和源项当φ分别表示u、v、空气浓度q及数值1时,方程(1)分别成为x、y方向的动量方程、空气组分方程及连续方程,Γφ、Sφ的表达式取决于φ所代表的意义,具体的形式可参见文献。采用控制容积积分法将控制方程组进行离散后,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,得出凝汽器壳侧汽相流场的速度、压力、空气浓度分布,同时也可得出混合物温度、传热系数、热负荷等重要参数的分布。2凝汽器空间参数凝汽器为一台单壳、单压、对分制、单流程、具有4个教堂窗式管束模块的凝汽器,主要结构尺寸参数如图1所示。低加位于中心线上,低加圆形外壳的半径R为650mm,外壳中心与管束顶边的垂直距离为H。表1列出了主要的凝汽器计算参数。考虑到凝汽器整体布局的对称性,计算区域可只取中心线一侧的凝汽器空间,如图1所示。假定凝汽器进口的蒸汽速度均匀分布,且平行于中心线。另外,还假定不同计算方案凝汽器进口压力相同,汽阻的差别只对空冷区抽汽口压力产生影响,空气泵容量保证能够抽出所有未凝结的汽气混合物。按凝汽器的气密性要求,取进口处的空气漏入量为15kg/h,进口混合物的空气相对浓度为4.9×10-5。3管束低加对汽阻的影响分别计算了无低加凝汽器结构方案以及9个不同的低加布置方案。图2至图5分别表示了无低加方案以及H/R分别为0.2492、2.2492和4.2492的有低加方案的汽相流场矢量图、流场流线图、压力等值线分布图和传热系数等值线分布图。由图2(a)及图3(a)可以看出,无低加方案凝汽器的管束模块间的蒸汽通道显然过于狭窄,管束间蒸汽通道内的蒸汽速度很大,在抽汽区下方形成一个低压区。由于随后蒸汽的减速升压作用,在通道的底部形成一个高压区。在蒸汽压力梯度的作用下,凝汽器的下半部分管束形成了两个方向相反的回流和空气积聚区,因此传热效果较差。由图2(b)、(c)、(d)可见,低加改变了蒸汽进入管束区前的流场以及进入各个管束的蒸汽量。在低加比较靠近管束时,这个现象更加明显。如图2(b)所示,低加的阻塞作用使进入中心线处管束间蒸汽通道的蒸汽量大为减少,随着蒸汽在流动过程中的不断凝结,在蒸汽通道底部形成了一个低压区,在其左边高压蒸汽的推动下,下半部分管束内形成了一个较大范围的逆时针方向的回流和空气积聚区,对传热特性有很大的影响。如图5(b)所示,在中间管束的下半部分与中间蒸汽通道邻近一侧的传热系数明显降低。但由于蒸汽的重新分配消除了原先下半管束左侧的空气积聚区(如图3所示),整体传热系数反而比无低加的有所升高。低加的存在增加了凝汽器的汽阻。如图2所示,低加在管束上方形成了一个降压增速的渐缩通道,压降急速增大。如图4及表2所示,无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达到178.5Pa,最小的也有113.5Pa。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。表2列出了各个方案下凝汽器的平均传热系数、平均汽阻及未凝结蒸汽量。从中可以看出低加对凝汽器的流动与传热特性影响很大。如表所列,无低加方案的未凝结蒸汽量为247.5kg/h,而有低加方案最小未凝结蒸汽量为376.71kg/h、最大为674.8kg/h,将近是原来的1.5至3倍。如果空气泵没有足够大的容量,不能抽出全部的汽气混合物,则势必导致凝汽器压力上升。图6至图8分别为平均传热系数、平均汽阻及未凝结蒸汽量随低加位置变化的曲线。从这些图中可以清楚地看出低加对凝汽器流动与传热特性的影响。如图6所示,凝汽器平均传热系数随低加位置的抬高先是减小,然后升高,但是平均传热系数都要比无低加方案大。从图2及图3可以看出,这是低加改善了下半部分管束蒸汽流场的结果。虽然有低加方案下的流场也不够理想,但总体上抑制了无低加方案下流场的回流和空气积聚区,使原先的空气积聚区从4个减少到3个,因而导致凝汽器平均传热系数的提高。如图7所示,凝汽器的汽阻随低加位置的抬高先是减小,然后增大。这种变化主要是蒸汽通道以及低加下方涡流区随低加位置变化的结果。在低加位置较低时,低加的阻塞使进入两个中间管束之间蒸汽通道的蒸汽流道面积大为减小,进入的蒸汽量也相应地减少,在低加下方就形成一个低压区,导致中部管束的压降明显地增大。如表2所列,H/R=0.7492有低加方案的最大平均压降达到了-178.5Pa。随着低加位置的抬高,低加对蒸汽通道的影响逐渐减小,进入中心线蒸汽通道的蒸汽量也逐渐增加,凝汽器的汽阻也随之降低。当低加位置到达一定的高度后,由于管束对蒸汽的排挤作用减弱,低加后方的涡流区范围扩大,因此,凝汽器的最大压降又开始增大。凝汽器汽阻变化造成了蒸汽平均传热温差的变化,对凝汽器凝结有很大的影响。在传热系数以及汽阻变化的作用下,凝汽器的凝结量发生了变化,因而形成了如图8所示的凝汽器为凝结蒸汽量随低加位置变化关系。从中可以看出,在凝汽器内部布置低压加热器时,为了保证凝汽器的凝结效果,既不能把低加位置放置在十分靠近管束的位置以防对凝汽器流动与传热特性产生太大的影响,也不能把它布置得过高,使凝汽器尺寸过分增大。对于本文所分析的凝汽器,H/R取1.75左右时,既可以保证低加对凝汽器的换热效果不会有很大的影响,又可使凝汽器的体积不过分增大。4流动与传热特性数值分析方法1.凝汽器内低压加热器下方形成的旋涡会改变管束进口区域的流场及进入各个管束的蒸汽流量分布,从而影响管束的流动与传热特性,使凝汽器平均传热系数、汽阻、传热温差及抽汽口未凝结蒸汽量等重要工作特性相应改变。低加和管束模块间距的布置以及低加下方蒸汽通道的设计应将低加对凝汽器蒸汽流动与传热特性的影响减小到最低程度。利用所发展的汽相流动与传热特性数值分析方法可详细反映低加对凝汽器工作特性的影响。对于本文所分析的凝汽器,H/R取为1.75左右时,既可以保证低加对凝汽器特性不会有很大的影响,又可使凝汽器的体积不过分增大。当然这个数值与具体管束的结构以及管束模块的布置方式有关,需要根据凝汽器结构具体分析。2.低加对本文所讨论的凝汽器工作特性的影响主要是由于低加及其下部涡流区阻塞蒸汽通道使汽阻增大,从而造成蒸汽凝结不充分,空气泵负荷增大。由于原先所设计的管束结构及管束模块布置得不够合理,管束下部存在空气积聚区,低加的置入反而改善了凝汽器内部的流场,使平均传热系数增大,因此,低加对凝汽器流动与传热特性的影响变得更为复杂。3.在进行凝汽器设计时很有必要把管束