某凝汽器水室流场分析

高良军， 姜晓霞

（1.哈电股份中央研究院，哈尔滨 150028;2.哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨 150090）

凝汽器[1]水室是凝汽器非常重要的一个结构，其承担着冷却水的流通循环作用。凝结水在进入水室之后进入到管束中，将管外的汽轮机[2]排汽冷却到设计温度。水室结构合理可以对进入到水室的冷却水起到很好的导流作用，提升凝汽器的运行性能。目前针对越来越严峻的市场形势，设备性能的优化成为提升设备竞争力的主要手段,随着机组容量的不断增大，凝汽器水室的设计要求也越来越高。更大流量、更大容积的水室，保证水室结构强度的基础上如何保证流动效率成了设计关键问题。本文针对传统凝汽器水室形式进行结构优化，旨在提升设备性能，增强市场竞争力。

1 方案概述

针对凝汽器我公司原始结构采用的是平顶设计，这种结构设计简单，工艺要求不高，制造加工较简单。但是随着设备性能要求越来越高，凝汽器水室流线控制也成为重要的设计参数之一。

针对某项目机组容量要求，凝汽器结构庞大，水室也较大。传统的平顶结构对材料较为浪费。为了增加设备的经济性，优化水室内部流场。设计人员为某大容量凝汽器进行了水室方案优化设计，在传统的方形顶部设计基础上，设计人员进行了结构优化，将水室背板的倾斜角度由4.5°增大到12°，并且将顶板由平板改为圆弧板，如图1所示。

从结构上看，优化后的水室结构紧凑，耗费材料较优化之前减少，经济性较好。而从加强上看，优化后水室采用肋板加强结构，保证了水室强度要求。本文针对传统设计方案以及优化设计方案对两种水室进行了流场模拟分析。水室的流场分析，根据水室对应的管束形式，采用全三维模拟计算，进行流动性能分析。

分析具体过程为：1）建模。使用Unigraphics NX[3]建立水室计算的三维模型，两种结构分别建立三维模型。2）网格绘制。将三维模型导入ANSYS ICEM中绘制计算网格[4]，采用六面体非结构化网格。3）计算。网格绘制完成后，使用CFX进行计算，计算收敛后保存计算结果。4）结果分析。采用CFX进行结果处理分析[5]。

分析两种水室的结构合理性以及工艺加工合理性[6]。为优化水室结构，提升凝汽器运行性能提供技术支撑。

图1 优化水室结构

2 水室建模

某凝汽器水室设计方案的水室结构采用UG建模。凝汽器水室存在较多的支撑结构，尤其是优化后的结构具有较复杂的顶部型线。因此采用三维造型方便快捷的UG软件对实体进行建模。由于流场分析时计算的是整个流动空间的状态，因此建模时保留流动空间。

某大型凝汽器水室入口为循环水管道接口，出口应为内部换热管，换热管为“山形”布管形式[7]。但是实际某大型凝汽器设备每个腔室内共有万余根换热管，如果全部按照真实尺寸构造不仅建模极其困难，而且网格划分也不现实。就算采用服务器并联也无法达到网格划分的内存要求，因此需要对模型结构进行简化处理[8]。为了达到大型设备的分析设计目的，采用等效模型简化，可以保证整个分析过程的可行性，以及分析结果的可靠性。针对某大型凝汽器等效模型简化的目的是减少计算量，保证网格划分以及计算量在计算机承受的范围之内。简化的方法是减少换热管的数量，保证流通面积比例的一致性，即增大每根管的直径。简化模型采用等效简化方法，保证了模拟结果与真实结果的合理统一，具有实际的指导意义。

根据实际计算条件，在保证结果的前提下，最后将凝汽器水室后管束减少，形状保持原布置形状，水室流动空间也进行了相应的等效简化，保证了尺寸比例的统一性。通过模型等效简化，解决了某大型凝汽器分析过程中节点和单元数过于庞大问题，节省了建模和计算时间，提高了分析效率。

3 计算模型

采用ICEM对两种水室结构进行网格划分，网格采用六面体非结构化网格，网格质量在0.5以上。ICEM对网格划分非常便利，可以在网格划分的同时修正实体建模时的一些接触面的连贯性，保证计算网格的质量[9]。在引入UG模型后，由于入口口径较大，在ICEM的操作环境下，增加进口流道长度，保证计算中入口的回流比例，保证计算的收敛性[10]。

网格划分时首先进行较粗网格划分，修正结构关联性，保证整体结构的正确性，无断点。粗网格划分成功后，细化局部网格，对水室进口以及换热管部位进行网格细化，保证局部网格质量。划分完后进行初步计算，计算收敛后，再进行网格细化，对整体和局部网格进行加密，加密后进行计算。将两次结果进行对比，验证网格无关性。保证了网格无关性后，采用较少网格数量的网格进行最终的细化计算。

计算时模拟采用κ－ε模型[11]，考虑重力的影响，流动介质材料为水。在进行模拟时，每一组进口给定总温总压条件，总压为0.5 MPa，总温为20.8℃，出口边界条件为循环水流量出口，流量G=13 956 kg/s。假定为外壁绝热，对两种网格进行了多次试算，保证了收敛特性[12]。

4 结果分析

4.1 流场分布

考虑重力加速度以及考虑黏性损失的情况下，计算水室流场分布[13]，流场分布如图2～图3所示。从图中可以看出原始结构的上部由于平顶设计，冷却水进入到水室后，由于有换热管结构的存在，水流有流出引导作用，进水会向换热管的方向靠近，导致平顶在主流线以外有较大的空隙，水流在这部分空间形成流动旋涡。一方面这样的流动导致了流动空间中有一部分滞留流体，造成对主流的影响。另一方面这部分空间没有参与流动导向作用，造成空间的浪费。

反观12°倾角模型，主流线以外几乎没有浪费的空间。水流进入腔室之后沿着一个统一的弯折方向靠近换热管，换热管的流动导向沿着主流线的方向。只在顶部倾角区域少量流动涡流。从流线可以明显看出优化的12°倾角模型，介质流动更为合理。充分利用了水室的空间，节约材料又保证了流动导流，是合理的优化结构。

两个模型流速的最大点都基本在进口位置。水室是个开放性的空间，水流进入之后进行分散流动，速度降低，所以这一流速最大点位置合理，分析结果可靠。

具体计算结果分析：1）原始水室结构模型流场分布不均匀，水室上部存在较大空腔，流体流动过程中在空腔内存在大尺度 漩 涡 ；2）优化方案12°水室结构模型内流场分布均匀，流线的走向与模型内部结构吻合，整个水室内产生的涡流区域较小，水室流动性较好；3） 两 种模型的流速最大位置都在接近进口位置区域。水室为腔室结构，水流进入后进入较大空间，流速降低。

4.2 压力损失

水室的另外一个重要的设计参数是水室的压降。凝汽器的压降直接影响着冷却水泵功率的选择。因此要求各部分尽可能地降低压损。对优化结构及原始结构两个模型进行定量分析时，计算的水室的压力损失计算结果如表1所示。

图2 原始结构凝汽器水室流线分布

图3 优化方案12°凝汽器水室流线

表1 水室的压力损失计算结果 Pa

通过对比可知，原始结构水室压力损失最小，优化12°结构模型次之。这是由于原始结构有较大的水室空间，以空间的浪费来降低水室流动的压损。两种水室结构内部都存在DN75的支撑管，支撑管的存在会对流体的流动造成影响，增大压力损失。而原始结构部分支撑管以及支撑管的部分有的并没有主流介质绕流，因此对整个主流的影响较小。而对于优化12°结构模型由于流动是布满整个流动空间的，因此主流需要绕流每一根支撑管[15]，增加了整个流动的流动损失，造成压力损失比原始结构稍大。

1）原始结构中有18根支撑管，从图3流场分布图可见，较少流体掠过水室上部支撑管，这也减少了支持管对流体的压损，除上部空腔内存在漩涡，支撑管处流场分布均匀；2）优化结构12°模型中有13根支撑管，从图4流场分布图可见，下部支撑管处流场分布不均，存在一定的涡流现象。

5 结论

通过CFX流场计算得到了两种水室结构模型的流场分布及压力损失情况，观察水室内部流场分布的情况，原始结构上部存在较大的空腔，造成结构的浪费，而优化结构12°模型可以较好地吻合流体的流向，流线分布均匀；而从压力损失来看，原始水室结构内支撑管的布置对流线的压损最小。支撑管的存在稍微加大了阻力损失，但是增加不多。因此优化水室结构方案合理，制造工艺简单。

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