汽轮机凝汽器换热特性的多孔介质建模研究

李文科 刘志超 王建刚 张汉柱 姚坤 刘东旭

摘 要：火电机组凝汽器内部换热特性对机组整体运行性能具有非常重要的意义。本文针对汽轮机的冷凝器内凝结管束区内的流固耦合复杂特性，基于多孔介质三维仿真策略，对凝汽器汽侧压力场的进行简化建模研究，考虑冷却水温度沿管长呈线性分布的特性及其对蒸汽凝结量和换热量分布的影响，利用Fluent软件对其进行仿真。计算结果与实际物理过程基本吻合，简化合理。这对实际工程问题具有重要的指导意义。

关键词：汽轮机 冷凝器 压力场 多孔介质 建模仿真

中图分类号：TK12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0112-02

冷凝器是汽轮机非常重要的辅助设备，特别是大型汽轮机冷凝器，其尺寸比较大，冷凝管数量多且布置方式有异于一般冷凝器。而且，随着蒸汽的凝结，多相混合物流速、空气浓度、换热系数和热负荷等参数沿流程的剧烈变化，其内部的流动与传热现象更加复杂。因此，正确合理预测冷凝器内部复杂物理场，对实际工程项目具有非常重要的指导意义，一直以来都受到许多研究者的重视[1-3]。文献[4]和[5]提出了多孔介质建模思路，为凝汽器特性研究提供了一定的思路。但是，针对冷却水温度、蒸汽凝结量与换热量的耦合情况的研究较少。

因此，本文首先采用多孔介质模型，对某大型汽轮机的冷凝器内凝结管束区内汽侧的复杂压力场做适当简化后，然后利用Fluent软件对其进行二维数值模拟，计算结果与实际物理过程基本吻合。然后在此基础上，进行了一些理论分析，得到了一些有参考价值的结论，对实际工程问题具有重要的指导意义。

1 多孔介质物理建模策略

蒸汽凝结放出的热量由金属管壁吸收，然后通过对流换热方式由循环冷却水带走。对于不可避免的一定漏气量，通过抽汽保持真空。

1.1 汽侧压力场物理模型的简化过程

一般，由于整个冷凝器尺寸与大型凝气器内凝结区管束的管径相比已经相当小了，因此，在整个冷凝器物理场的模拟中，将凝结区管束作为多孔介质处理的假设是合理的。蒸汽在管束区流动，随着蒸汽的凝结，蒸汽质量不断减少，将蒸汽在管壁上凝结量，分布到整个管束区中，可看作是连续性方程中的一个源项，即分布质量汇。同样将蒸汽在管束区流动的阻力分布在整个管束区中，作为动量方程的一个源项，即分布阻力。

因此，为了简化计算并能确保模型具有一定的精度，在建立冷凝器的模型时，根据大型冷凝器工作情况，进行如下假设：冷却水管束区按一族处理，采用具有分布阻力和分布质量汇的模型模拟管束区的物理场；由于只模拟汽侧物理场，因此忽略不凝性气体的影响、忽略冷凝器散热、忽略凝结水的体积；由于蒸汽流速较高，汽侧湍流较强，而且在凝结区内，由于是相变传热，因此忽略粘性耗散。通过以上的合理简化，最终可以将冷凝器汽侧复杂的汽相流动和传热过程，简化为蒸汽在具有分布阻力和分布质量汇的多孔介质中的单相定压定常湍流流动。

1.2 凝结水温度场物理模型的简化过程

针对冷凝器内部甚为复杂的流动与传热现象以及受多种因素影响的凝结水形成过程，简化策略如下：

（1）凝结水存在过冷度问题。

（2）将流固耦合的两相流问题转化为等效的单相问题进行研究。

（3）冷却水管束区按一族建模，采用具有多空介质模型策略。

（4）非管束区域有凝结水在流动，如图1所示。

2 数值模拟理论基础

2.1 基本数学模型

一般来说，连续方程、动量方程、湍流方程来描述具有分布阻力和分布质量汇的蒸汽流动和凝结换热过程，其通用形式如下式（1）所示：

针对研究问题的特殊性，只需进行源项的单独处理。

2.2 多孔介质模型的建立策略

所假设的冷却水温度线性分布，冷却水管束区按一族处理，采用多孔介质模型模拟管束区复杂流场。

（1）非管束区没有质量与能量的损耗，源项为0。

（2）管束区忽略凝结水的体积，质量与能量都有一定的损耗，在管束区各添加是一个负的质量源项与能量源项分别如下式2和3所示：

目前，计算中常用的近似温度为平均温度，与实际中的卧式冷凝器的温度分布有所差异。所以，本文采用线性温度分布特性的假设条件。

3 数值模拟结果及分析

由于中间部分的冷凝水管分布区域（即多孔介质区域）对研究起重要作用，因而网格可以根据计算需要而进行加密细化，图1为间隔4个网格点显示效果。此外由于管束区与非管束区之间存在一个过渡，内部条件与壁面也存在一个过渡，因此，为了使模拟结果更加准确，在这些过渡区域部分进行网格加密处理。

边界条件设为：蒸汽垂直排入冷凝器内，质量流量入口；多孔介质区域，采用均匀质量与温度分布条件；其余为壁面条件。

压力分布模拟结果如下图2所示，从结果中可以看出，模拟结果与实际结果有一定吻合度，表示模型存在合理的地方。在实际中，由于汽侧压力的改变会导致很多因素的改变，间接对凝结水过冷度造成影響。

4 结语

针对目前缺乏对冷却水温度、蒸汽凝结量与换热量的耦合情况加以考虑的凝汽器特性模拟研究的现状，本文首先采用多孔介质模型，对某大型汽轮机的冷凝器内凝结管束区做适当简化后进行二维数值模拟，计算结果与实际物理过程基本吻合。然后在此基础上，进行了一些理论分析，得到了一些有参考价值的结论，对实际工程问题具有重要的指导意义。

参考文献

[1] 杜小泽，金衍胜，姜剑波，等.火电厂直接空冷凝汽器传热性能实验研究[J].工程热物理学报，2009，30（1）：99-101.

[2] 王曼华，杨立军，杜小泽，等.梯形空冷凝汽器布局下直接空冷系统的流动传热性能[J].中国电机工程学报， 2013，33（14）：59-66.

[3] 韩成龙，张莉，曾申富，等.管板尺寸对凝汽器性能影响的研究[J].汽轮机技术，2017，59（2）：107-110.

[4] 周霄，崔国民，姜涛.大型电站凝汽器汽侧物理场的数值模拟[A].中国工程热物理学会学术会议[C].2009.

[5] 何金桥，肖波，汤盛萍，等.基于多孔介质模型的电厂凝汽器汽侧流动特性[J].中南大学学报：自然科学版，2013， 44（5）：2113-2117.