凝汽器喉部流场数值模拟

张 勇， 贾昌盛， 许衍军

(陕西科技大学 机电工程学院， 西安 710021)

凝汽器是汽轮机系统中的重要辅机之一，而凝汽器喉部又是凝汽器的重要组成部分，连接着汽轮机的排汽口和凝汽器的主凝结区，起着输送乏汽的作用[1]。凝汽器喉部布置低压加热器和给水泵汽轮机排汽口的机组中，一方面布置低压加热器后其运行的真空常低于设计值；另一方面给水泵汽轮机排汽口的温度和压力都与主汽轮机排汽不同，导致凝汽器喉部流场更为复杂。喉部流场的分布特性不但影响整个喉部的安全和凝汽器的工作性能，而且直接影响到机组的经济性。因此，研究凝汽器喉部流场及低压加热器和给水泵汽轮机排汽口的布置位置具有重要的意义。

研究凝汽器喉部流动情况的方法目前一般有两种：模型吹风试验和数值模拟[2]。笔者采用数值模拟的方法，对凝汽器喉部布置低压加热器和给水泵汽轮机排汽口时的流场进行模拟。依据最大限度减少凝汽器喉部汽阻和尽可能增加凝汽器喉部出口流场均匀性，确立了凝汽器喉部的改造思路；并利用Fluent软件，采用标准k-ε模型，结合Simple算法进行模拟，分别讨论了660 MW火电机组凝汽器喉部低压加热器布置在不同高度和给水泵汽轮机排汽口布置在不同位置时，对凝汽器工作特性的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

凝汽器喉部是凝汽器的上部壳体部分，上部入口与汽轮机低压缸排汽口相连，下部与凝汽器主凝汽区相连，是汽轮机排汽进入凝汽器的通道，具有一定扩散角的棱台结构。凝汽器喉部内一般布置有大量的支撑管件、抽汽管道、旁路减温加压装置等[3]。为了节约空间和成本，凝汽器喉部还会布置低压加热器和给水泵汽轮机排汽通道；但考虑到凝汽器喉部其他管件尺寸相对于低压加热器比较小，对凝汽器喉部流场影响很小。为了简化计算，数值模拟时主要考虑低压加热器和给水泵汽轮机排汽口两个部分。

凝汽器喉部物理模型及网格划分见图1和图2，凝汽器喉部入口尺寸为7.82 m×6.64 m，出口尺寸为10.4 m×8.3 m，高度为7.5 m，低压加热器直径为1.82 m，给水泵汽轮机排汽口直径为1.4 m。

图1 布置低压加热器及给水泵汽轮机的凝汽器模型图

图2 布置低压加热器及给水泵汽轮机的凝汽器网格图

1.2 控制方程

控制方程由连续性方程、动量方程和k-ε方程组成[4]。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：ρ为微团内流体的密度，kg/m3；x、y、z分别为坐标分量；u、v、ω分别为微团内流体在x、y、z方向上的速度，m/s；U为微团内流体质量变化，kg/s；ui为微团内流体的速度，m/s；uj为微团内流体速度在边界平面法向上的速度，m/s；xi、xj分别为坐标x的分量；p为压力，Pa；μ为动力黏度，Pa·s；t为时间，s；k为微团内流体流动的紊动动能，J；ε为紊动能量损耗率；Gk为涡流生成项；cμ=0.09；cε1=1.44；cε2=1.92；σk=1.0；σε=1.3[5]。

2 模拟与分析

由于凝汽器喉部内蒸汽密度变化不大，可视为不可压缩流体；另外蒸汽在凝汽器喉部内基本不进行换热[6-7]。计算中，蒸汽来流即凝汽器喉部入口蒸汽气流速度为80 m/s，给水泵汽轮机排汽口蒸汽气流速度为76 m/s，凝汽器喉部出口背压分别为12 kPa(夏季工况)和4.9 kPa(冬季工况)。

2.1 低压加热器布置在凝汽器喉部不同高度

分别在凝汽器喉部出口背压为12 kPa和4.9 kPa时，对低压加热器布置在不同高度的凝汽器喉部进行模拟，得出的凝汽器喉部汽阻和凝汽器喉部出口流场均匀性系数的特性曲线，见图3和图4。

图3 背压为12 kPa时凝汽器喉部出口的汽阻和均匀性系数的变化

图4 背压为4.9 kPa时凝汽器喉部出口的汽阻和均匀性系数的变化

低压加热器的存在会增加凝汽器喉部流场的汽阻，以及影响凝汽器喉部出口流场的均匀性；但不同低压加热器的布置位置对凝汽器喉部流场的影响不同。当低压加热器位置距离凝汽器喉部出口较远时，对蒸汽来流造成阻碍，汽阻较大；当其位置与喉部出口位置之间距离减小时，汽阻迅速降低，但低压加热器对蒸汽气流的干扰使得整个扩散流动无法及时恢复，造成汽阻增加和喉部出口均匀性系数降低。

低压加热器布置位置应综合考虑凝汽器内部流场和汽阻变化等问题。对比数据分析得出，低压加热器布置最好是低压加热器中心在凝汽器喉部出口上部2.2～2.4 m，此时汽阻最小，喉部出口均匀性系数最大。

2.2 给水泵汽轮机排汽口布置在不同位置

分别在凝汽器喉部出口背压为12 kPa和4.9 kPa时，将给水泵汽轮机排汽口布置在低压加热器上、下、左、右四个位置，考虑到低压加热器左、右两侧蒸汽流场对称分布，所以在此只选取在低压加热器左侧布置给水泵汽轮机排汽口。笔者分别对给水泵汽轮机排汽口布置在低压加热器的正上部、正下部和左侧的三种喉部结构内的蒸汽流场进行模拟分析。图5、图6、图7为背压为12 kPa时，排汽口布置在不同位置的模拟流场图，背压为4.9 kPa时流场与此近似。

图5 给水泵汽轮机排汽口在上部时喉部速度流场分布

图6 给水泵汽轮机排汽口在左侧时喉部速度流场分布

图7 给水泵汽轮机排汽口在下部时喉部速度流场分布

由图5可得：当汽轮机排汽进入凝汽器喉部后，气流首先受到给水泵汽轮机排汽的冲击，同时给水泵汽轮机排汽也干扰了进入喉部的蒸汽气流，在低压加热器正上方区域是减速过程；给水泵汽轮机排汽的冲击和干扰造成蒸汽气流在低压加热器两侧形成的高速绕流提前脱离，加剧了低速漩涡区的扩大，阻碍了低速漩涡的脱落，使得靠近给水泵汽轮机排汽侧位置出现了一个较大的低速区域，并一直延伸到凝汽器喉部出口，喉部出口速度分布更加不均匀；而两侧的扩散绕流则削弱了喉部下方的低速回流，改善了给水泵汽轮机排汽侧边角处的低速现象，另外，由于绕流扩散的作用，在低速区域外围气流速度较高，远离给水泵汽轮机排汽区域，喉部气流流场受干扰较小，出口速度分布相对均匀。

由图6可得：当汽轮机排汽进入凝汽器喉部后，在低压加热器上部受阻，气流速度减小，但由于喉部左侧蒸汽气流受到给水泵汽轮机排汽的冲击，造成其上方的蒸汽气流阻力的增大，迫使气流改变流动方向，挤压了低压加热器右侧蒸汽绕流，使得绕流速度增加；而位于给水泵汽轮机排汽口下侧的区域，由于排汽对上部气流的截流，导致其下方蒸汽流速急剧下降，形成局部低速漩涡区，并一直延伸到喉部出口，该区域也对低压加热器下方形成的低速涡流区产生了一定干扰。在喉部出口速度分布中可以看到给水泵汽轮机排汽侧出现的低速区域，在远离给水泵汽轮机排汽的位置速度分布所受影响较小，喉部出口流场相对均匀。

由图7可得：当汽轮机排汽进入凝汽器喉部后，排汽气流受到低压加热器的干扰，在其两侧形成高速绕流，并在其下方形成低速涡流区。由于受到来自低压加热器正下方给水泵汽轮机排汽的冲击，靠近给水泵汽轮机排汽侧区域的低速涡流区部分得到消除；但给水泵汽轮机正下方仍出现了明显的低速区，并且延伸到喉部出口，这是由于给水泵汽轮机排汽冲击引起的。从整体上来讲，位于低压加热器下方的给水泵汽轮机排汽消弱了喉部出口中间的低速带状区域，从而降低了喉部出口流场不均匀程度。这对凝汽器下部管束区的蒸汽均匀分布十分有利，使得凝汽器的工作性能得到一定提高。

由于给水泵汽轮机排汽的影响，导致凝汽器喉部汽阻增大。在凝汽器喉部出口背压分别为12 kPa和4.9 kPa时，给水泵汽轮机排汽口在低压加热器上部布置时喉部汽阻最大，分别达到94.09 Pa和92.34 Pa；而给水泵汽轮机排汽口布置在低压加热器下部时，由于削弱了给水泵汽轮机排汽对主蒸汽气流的影响，汽阻变化趋于平缓，最大汽阻分别减小到44.65 Pa和45.81 Pa。给水泵汽轮机排汽口布置在不同位置时的汽阻、压损系数和均匀性系数见表1和表2。

表1 背压为12 kPa时排汽口布置在不同位置数据

表2 背压为4.9 kPa时排汽口布置在不同位置数据

从表1和表2中也可以看出：凝汽器喉部出口背压分别为12 kPa和4.9 kPa时，相对于其他两种布置位置，给水泵汽机排汽口布置在低压加热器正下部时压损系数最小，分别为0.18和0.15，均匀性系数最大，分别达到89.85%和90.67%。给水泵汽轮机排汽口布置在低压加热器正下部时布置方式较为合理，这对降低喉部汽阻和减少喉部出口的不均匀程度以提高凝汽器的工作性能及机组的经济性十分有利。

3 结语

(1) 凝汽器喉部内置低压加热器和给水泵汽轮机排汽口会造成对喉部蒸汽气流的阻碍和扰动。

(2) 低压加热器布置位置过高，会增大喉部汽阻，而过低的布置位置则会使喉部出口的汽阻和不均匀性均增大。通过数据对比分析，低压加热器布置为其中心在凝汽器喉部出口上部2.2～2.4 m处时汽阻最小，喉部出口均匀性系数最大。

(3) 给水泵汽轮机排汽对蒸汽气流的冲击加剧了喉部流场的扰动。布置在低压加热器上部和两侧时，给水泵汽轮机排汽对来流的阻碍使其下方出现低速涡流区，并一直延伸到凝汽器喉部出口，致使喉部出口流场均匀性很差；布置在下部时，给水泵汽轮机排汽减弱了蒸汽绕流低压加热器形成的低速涡流区，很大程度上减小了喉部出口流场不均匀程度，有利于提高凝汽器的工作性能。