某凝汽器喉部及连通管阻力分析

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）

0 引言

凝汽器[1]喉部及连通管结构是凝汽器非常重要的一个结构。承担着汽机[2]排汽进入凝汽器的连通作用。排汽通过喉部进入凝汽器壳体，通过管内的冷却水将汽轮机排汽冷却到设计温度。喉部及联通管结构合理可以对进入到凝汽器壳体的冷却水起到很好的导流作用，保证壳体压力降，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，凝汽器壳体压降的控制要求也越来越高。更大流量、更大容积的壳体，保证喉部及连通管流动效率成了设计关键问题。本文针对传统凝汽器喉部及连通管进行结构优化，旨在提升设备性能，增强市场竞争力。

1 方案概述

某项目根据业主要求需要针对凝汽器喉部进行结构改造。为了评估结构改造的合理性以及结构阻力的合理性，针对某项目凝汽器喉部，设计人员优化了3种结构外形图方案。方案二喉部尺寸在换热管的长度方向缩短1102 mm，旁路接管深入长度不同，方案一3540 mm，方案二3590 mm，其余尺寸同方案一，方案三是在方案二的基础上仅保留一个旁路管，旁路管深入长度为6655 mm。其中连通管一和连通管二的内径同为2600 mm，连通管弯管处结构相同，计算区域为后水室连通管的法兰接口之间区域。

针对这3种凝汽器喉部分别进行模拟分析，计算不同结构喉部结构汽阻。

图1 凝汽器喉部及连通管的外形图

同时模拟计算凝汽器后水室连通管水侧阻力，为了方便计算阻力损失，本报告将后水室的两个连通管分别建模，具体外形图见图2。

分析具体过程为：建模——使用Unigraphics NX[3]建立喉部以及连通管计算的三维模型，针对3种不同喉部结构分别建立三维模型。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。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。结果分析——采用CFX进行结果处理分析[5]。分析3种喉部的结构及连通管合理性以及工艺加工合理性[6]。为优化喉部结构，提升凝汽器运行性能提供技术支撑。

2 结构建模

根据凝汽器喉部外形结构，采用全三维模拟计算，进行流动性能分析。具体过程为：使用Unigraphics NX建立水室计算的三维模型，导入ANSYS Icem中绘制计算网格，然后使用CFX进行计算分析。建模时由于凝汽器喉部内部结构简单，没有需要特别细化的网格部位，因此可以实现全尺寸建模计算。将3种结构的喉部以及连通管[7]分别进行全尺寸建模。

图2 凝汽器喉部及连通管结构模型

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。喉部模型相对内部结构较为简单，因此网格密度不用很大就可以达到较高的网格质量[8]。在UG建立模型时，由于入口口径较大，考虑到计算中可能产生的入口回流影响，增加喉部入口流道长度，保证计算中入口的回流比例，保证计算的收敛性[9]。

模型整体较为简单，只需要细化低加壳体处的网格即可。因此总体建模过程较简化。粗网格划分后进行了网格无关性初步验证计算。取得网格无关性计算结构后，采取少量网格的模型进行最终的计算。

模拟计算时采用κ－ε模型，考虑重力的影响，流体材料为蒸汽。在进行喉部模拟时，每一组进口给定总压条件，总压为0.004 22 MPa，焓值为2328.8 kJ/kg，出口边界条件为排汽流量出口，流量G=758.315 t/h。假定为外壁绝热，对3种喉部网格进行了多次试算，保证了收敛特性[10]。

采用ICEM对连通管结构进行网格划分，模拟采用κε模型，流体材料为循环水，在进行模拟时，每一组进口给定总压条件，总压为0.3 MPa，出口边界条件为流量出口，流量G=45 250 t/h。

4 结果分析

1）3种喉部结构结果分析。考虑重力加速度以及考虑黏性损失的情况下，计算壳体流场分布。详见图3，方案一与方案二流场分布一致。蒸汽从入口往下流动[11]，低加和旁路管对流体造成扰流现象，旁路管的下方存在漩涡，高速区聚集在低加与旁路管处。这是由于流动节流[12]造成的速度增大影响。方案三由于旁路管减少，节流效果不明显，因此高速区域上移，在入口位置处。从分析结果来看，方案三的流场由于扰流的因素降低，流场相对更加均匀。表1给出凝汽器喉部3种方案的汽阻[13]计算结果。

从汽阻计算结果可以看出，方案二修正了喉部的壳体倾角，起到了良好的汽体导流作用，减少了由于大倾角导致的倾角处的涡流，因此流动得到改善，压损降低。方案二从压损角度出发由于方案一结构，而且方案二的设计缩小了结构尺寸，提升了机构经济性。方案三在方案二的结构基础上减少了1个旁路管，扰流因素减少，所以是3种结构中压损最小的一种结构。旁路管的设计要视具体项目而定，本项目可以实现1个旁路管的设计，因此可以采用方案三的结构形式。从模拟分析来看，方案三是最优的适应本项目的喉部设计方案。

图3 凝汽器喉部流场分布图

表1 三种方案汽阻计算结果对比 Pa

2）连通管结果分析。考虑重力加速度以及考虑黏性损失的情况下，计算连通管内流场分布情况，为防止计算过程中进出口处有回流现象，结构计算模型加长了进口与出口的长度。如图4所见，连通管内速度最大值出现在弯管处，其中连通管2内的流线分布更为均匀，连通管1由于长度方向较短，弯管后流线存漩涡。

为了更好地比较连通管内的阻力，计算过程中给出两种方案，考虑重力的影响及不考虑重力的影响，通过表2的对比结果可知，重力的存在与否对阻力计算结果影响不大。

从水阻以及流场分析可以得出，连通管内压损要高，主要是由于水室流量较大，导致流通管内流速不能过小，导致压损较大[14]。

图4 连通管内的流线分布

5 结论

表2 连通管水侧阻力结果对比 Pa

通过CFX流场计算得到了3种喉部结构模型的流场分布及压力损失情况，观察喉部内部流场分布的情况，方案一由于壳体倾角较大[15]，导致倾角处有涡流，造成压损增大。而方案二模型改善了壳体倾角，可以较好地吻合流体的流向，流线分布均匀，压力损失相对变小；而方案三在方案二的基础上减少了1个旁路管，导致扰流因素减少，流场更加均匀，是3种方案中压力损失最小的一种方案。本项目凝汽器喉部结构可以采取方案三的结构。而对连通管的模拟可以得出，连通管长度方向较短的，流体的延伸性不好，弯管流线存在旋涡，而长连通管由于流道增长，流线均匀性好，但是流通路径变长，压损变大。

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