加装导流装置的凝汽器入口水室三维数值模拟.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：杨智（1987），汉族，研究生，工程师，汽轮机技术；赵东亮（1981），汉族，本科，工程师，汽轮机技术；潘文研（1988），汉族，研究生，高级工程师，汽轮机运行管理。-5-加装导流装置的凝汽器入口水室三维数值模拟 杨 智 赵东亮 潘文研 国能（绥中）发电有限责任公司，辽宁 葫芦岛 125000 摘要：摘要：为了减少凝汽器循环水对入口管束管端的冲刷，运用计算流体力学的方法，采用 Realizable-模型对凝汽器入口水室进行水力特性三维数值模拟，得出因凝汽器入口水室结构不合理导致的流场分布不均。在水阻无明显变化的前提下，采取加装导流板的方法，改善入口水室流体流动特性，均化流体流动速度，解决了管束入口冲刷问题。关键词：关键词：凝汽器；水室；冲刷；数值模拟 中图分类号：中图分类号：TM301.4 1 机组简介 某电厂 N880-23.54/540/540 型汽轮机为超临界，单轴五缸，（一个高压缸，一个中压缸，三个低压缸），具有一次中间再热，8 段非调节抽汽，凝汽反动式汽轮机，凝汽器型号为 800-8（如图 1 所示），纵向布置、双背压、两级串联凝汽器，该凝汽器主要由冷却水进口水室、中间水室、出口水室、凝结水室组成。凝 汽 器 壳 体 为 碳 钢 的 焊 接 结 构，换 热 管 为28112000 的含镍 30%的铜镍合金管。该凝汽器的冷却水为双通道，可单侧运行，即该凝汽器允许降负荷半侧运行。图 1 凝汽器示意图 由于凝汽器入口水室结构设计缺陷，循环水对凝汽器入口水室管束中下部区域内的铜管管端形成长期冲刷，造成管端严重腐蚀。机组运行中，经常发生凝汽器铜管管端泄漏问题，致使海水进入凝结水系统，导致凝结水水质恶化，直接影响机组的安全、稳定、经济运行。为了防止管口的冲刷腐蚀，虽然凝汽器所有铜管入口侧均加装了锥形塑料防磨保护套管，但套管与铜管间出现了缝隙腐蚀，局部冲刷引起的腐蚀问题依然未得到解决。本文采用 Fluent 数值模拟软件，分析凝汽器入口水室流体流动特性，采取加装导流板的方案解决管端冲刷问题。2 模型分析 针对凝汽器入口水室中下部管口严重冲刷腐蚀的问题，采用通用数值模拟软件 Fluent，以凝汽器入口水室为对象，建立三维模型，选择恰当的数学模型，模拟出凝汽器原入口水室结构中的内流特征，明确凝汽器入口端管束的冲刷位置及成因，并与实际结果进行对比，以验证数值模拟结果的准确性。主要研究方法：按照工程流体力学基本理论确定凝汽器入口水室的流场及优化方案：（1）基于先进的计算流体动力学工具 FLUENT，采用 GAMBIT 建立三维管路数值模型和网格划分，并优化复杂结构处的网格质量，总网格数保持在100万左右；采用稳态的雷诺时均方程和 REALIZABLE K-EPSILON 湍流模型进行三维数值模拟，在保证网格无关性和迭代收敛前提下，验证所建数理模型的可靠性和准确性，并从内流特征和压力场等多角度分析当前凝汽器入口水室流场分布不均的主要原因；（2）提出简单易行的多种结构优化方案，针对不同结构参数，采用理论计算和数值模拟相结合的方法筛选出凝汽器水室性能提高和流场优化的最优技术方案，确保凝汽器水室流场均匀性有明显提高，进而有效提高凝汽器水室入口可靠性，减少流场分布不均的冲刷。2.1 水室结构 凝汽器入口水室由循环水管道、入口水室过渡段中国科技期刊数据库 工业 A-6-和矩形入口水室组成，冷却水进入循环水管道沿入口水室过渡段进入入口水室。其中，入口水室过渡段与循环水管道成 106夹角，导致循环水进入管道后沿倾角进入水室，对中下部管束区域 A 内的铜管端口形成明显的冲刷作用，如图 2 所示，由此造成管端腐蚀，管口泄漏等问题。可以明确管端冲刷、腐蚀由此水室结构下自身导流作用所致，若要改善管端冲刷、腐蚀问题必须对水室结构进行改进。又因为入口水室内部存在纵横布置加强筋管，大范围更改水室结构不仅破坏水室抗水击强度，同时又难于施工短时间内不易完成。所以采取加装导流板改善入口水室流体流动特性的方法是最佳可行的。图 2 循环水流动示意图 2.2 模型选择 为保证数值模拟结果的准确性，首先入口水室模型进行网格无关性验证，经对网格数分别为 27 万、41万和74万等情形下的水室出口总压性能和内流特征比较表明，当总计算单元数约为 41 万，可同时满足计算精度和计算时间的要求。模拟中，残差设置为小于 10-4，计算时间足够长，确保流场充分发展。模拟分别采用Standard-模型、RNG-模型和 Realizable-模型等三种模型对凝汽器入口水室内部的流场分布进行分析。三种-模型下的模拟结果如图 3-图 5 所示。图 3 Standard-模型下的流场分布 图 4 RNG-模型下的流场分布 图 5 Realizable-模型下的流场分布 上述模拟结果显示，采用三种-模型下的数值模拟流场分布基本一致。而且，模拟结果清楚地显示出原凝汽器入口水室内的流场分布特征：入口水室出口截面处速度和压力分布呈现上低下高的显著特征，流场不均匀性十分突出；由于下部区域流速较高，从而使得凝汽器入口端中下部区域冲刷严重。通过与现场结果比对可知，模拟所得结果与实际结果吻合良好，表明对该凝汽器入口水室模拟结果的准确性和可行性。另外，经大量文献检索和分析可知，Realizable-模型适用性广，包括有旋均匀剪切流、自由流（射流和混合层）、腔道流动和边界层流动，尤其对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流具有很好的适用性。鉴于入口水室结构中的内流特征，以下针对于该凝汽器入口水室改造方案的数值模拟均采用 Realizable-模型。3 导流板加装方案 通过在入口水室过渡段中增设导流板的方式，改变循环水流动方向，并降低入口水室中、下部局部的循环水流速，从分流和改变流速两方面减轻原结构下存在的严重冲刷现象，进而改善水室内部循环水的流动性能。3.1 导流板安装形式 导流板的安装形式主要有三种：（1）入口水室进水管中增设导流板：通过在入口水室进水管中增设导流板的方式，改变循环水流动方向，并降低入口水室中下部局部的循环水流速，从分流和改变流速两方面减轻原结构下存在的严重冲刷现中国科技期刊数据库 工业 A-7-象，进而改善水室内部循环水的流动性能。（2）入口水室顶部增加直挡板，进口内侧增加倾斜挡板：在入口水室的顶部内部，靠近水室门盖侧增加直挡板，消除原方形水室顶部的涡流死角区，进而改善水室内部循环水的流动性能。同时在入口水室进口内侧增加倾斜挡板，构成渐缩型入口，通过提高流速及改变循环水流动方向，从而达到改善水室内循环水的内流特征的目的。（3）入口水室进水管中增设导流板，循环水入口管与水室间加装分流管：入口水室进水管中增设导流板后，从分流和改变流速两方面减轻了原结构下存在的严重冲刷现象，水室内部循环水的流动性能得以改善。在此基础上，循环水管顶部加装直径为500 mm的分流管，其与入口水室相连，倾斜角度与过渡管段倾角保持一致，通过布置分流管以期达到减阻效果。由于导流板分流作用、渐缩型出口增速和渐扩型出口减速的作用，整体上出口截面的速度和压力分布均匀化程度良好，因此采用入口水室进水管中增设导流板方案。3.2 导流板材质 凝汽器水室改造所用钢材要具耐海水腐蚀性质，为此，导流板材质选用 TP316L。另外，考虑到启停机过程中水击现象对导流板强度的影响及进一步增强导流板强度，导流板两侧与所处进水管道壁间安装支撑筋管支撑，直径为50mm 圆钢，材质为 TP316L。3.3 导流板安装尺寸说明 在凝汽器入口水室进口管道中布置一导流板，该导流板呈垂直安装，高度为 690mm，厚度为 25mm，导流板安装高度与入口水室底板持平（=0mm），水平安装位置距入口侧底板 L=800mm。导流板两侧安装支撑筋管支撑固定，导流板与支撑筋、导流板端部与原水室侧板均采用焊接固定。3.4 导流板的技术特点（1）流场均匀化：导流板的分流作用将入口水室进水口分成两部分，其中在靠近水室门侧形成渐缩型入口，提高水室中上部循环水的流速，在水室出口侧形成渐扩型入口降低该侧循环水流速，减轻局部严重冲刷现象，两侧流速的增减使水室出口截面处的流场更加均匀化。（2）导流板为垂直布置，该布置方式具有两方面的技术优点。一是靠近水室门侧形成渐缩型入口，有利于提高水室中上部的循环水流速；在水室出口侧形成渐扩型入口，有利于降低该侧的循环水流速，减轻局部严重冲刷现象；两方面的综合作用使得出口截面处的流场更加均匀化；二是垂直布置有利于安装，而且便于加装支撑筋管，通过增强刚性减轻水击现象的影响。（3）结构简单，不改变原管道外形，改造工作量相对较小。模拟结果如图 6 所示。图 6 加装导流板后流场分布 该模拟结果显示：在入口水室进水管中增设导流板后，通过分流作用、渐缩型入口增速和渐扩型入口减速的作用，使得水室出口流面处速度场和压力场明显得以改善，虽然存在局部的低速区域，但整体上出口截面上的速度分布均匀化程度良好，能够有效避免中下部管段的严重冲刷现象。增加导流板后，保证其强度的同时还应保证附加水阻无明显变化，因此需对导流板厚度和附加水阻进行计算：循环水的工作压力为 0.25MPa，试验压力为0.325MPa。按HEI标准，挡板厚度的计算公式为：112.8DpAp x ytS 式中：tp 为挡板计算厚度；PD 为设计压力；x1为横向支撑间距；y1 为纵向支撑间距；SA 为料许用应力，通过计算得到 tp=20.7mm，而实际挡板厚度选取25mm，完全能够满足水室正常运行和水压试验的强度要求。循环水管入口流速为 2.5m/s，改造后在增加导流板的该段区域内的水阻比改造前增加了 0.45kPa。按凝汽器总水阻 70kPa 来计算，增加了约 0.57%的水阻值，此增加量可以忽略不计，不影响冷端的整体性能。4 总结 中国科技期刊数据库 工业 A-8-俄制800-8型海水开式循环冷却式凝汽器，采用含 Ni30%铜镍合金管材质，因循环水对凝汽器入口水室管束中下部区域内的铜管管端形成长期冲刷，造成管端严重腐蚀。机组运行中，经常发生凝汽器铜管管端泄漏问题，致使海水进入凝结水系统，导致凝结水水质恶化，直接影响机组的安全、稳定、经济运行。为了防止管口的冲刷腐蚀，虽然凝汽器所有铜管入口侧均加装了锥形塑料防磨保护套管，但套管与铜管间出现了缝隙腐蚀，局部冲刷引起的腐蚀问题依然未得到解决。应用计算流体力学知识和数值模拟软件，模拟凝汽器入口水室流体流动特性，分析发生管端腐蚀的主要原因，并有针对性的采取加装导流板的方法，改善入口水室流场分布，使速度分布更加均匀。采用数值模拟方法，能够更准确的复现入口水室流体流动特性，便于发现结构设计缺陷，对解决问题具有重要的指导意义。加装导流板后的模拟结果显示，入口水室速度场分布更加均匀，冲刷现象已经消除，有助于提升凝汽器循环水侧的换热效果，解决了管端冲刷腐蚀问题。参考文献 1 曹 丽 华,李 勇,张 仲 彬,等.加 装 导 流 装 置 的 凝 汽 器 喉 部 流 场 的 三 维 数 值 模 拟 J.动 力 工程,2008,28(1):108-111.2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):56-59.3曾辉,孟继安,李志信.湍流参数对凝汽器数值模拟的影响J.工程热物理学报,2011(10):1707-1710.4蒋建飞,黄树红,王坤,等.凝汽器水侧流动的三维数值模拟J.动力工程,2006,26(2):249-252.5谷楠,马权,董爱华.数值模拟在凝汽器水侧流动特性分析中的应用J.汽轮机技术,2010,52(3):185-187.