基于STAR—CD軟件的帶狀管束凝汽器殼側數值分析

趙云云　李剛

摘 要：凝汽器是電站的主要設備之一，其性能取決于凝汽器管束結構的合理布置。該文使用STAR-CD軟件模擬循環水上進下出流動時帶狀管束布置的凝汽器殼側流場和性能，得到凝汽器殼側的流場和壓力分布、管束區換熱系數及不凝結氣體的分布情況，通過凝汽器殼側流場結果分析此種帶狀管束布置的優劣性。

關鍵詞：STAR-CD 帶狀管束 凝汽器 數值分析

中圖分類號：TK172 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0084-02

1 概況

凝汽器是使驅動汽輪機做功后排出的蒸汽變成凝結水的熱交換設備。大型凝汽器具有良好的熱力性能的關鍵技術在于其管束的布置，管束區熱負荷均勻、蒸汽凝結充分、流動阻力小等都靠上萬根冷卻管的合理安排來實現。該文在STAR-CD軟件的基礎上結合udf程序文件模擬分析循環水上進下出流動時凝汽器殼側流場和性能。通過分析凝汽器殼側壓力分布、空氣濃度分布以及傳熱系數分布等分析管束布置的優劣性，對凝汽器管束結構布置的改進和優化提供理論指導。

2 建模

2.1 結構模型

根據提供的圖紙，凝汽器為對稱殼體，為簡化計算，分析時計算區域只取半個殼體進行計算。凝汽器為三角形叉排管束，管束區按上述單元尺寸劃分網格，管束區的網格如圖1所示。

2.2 物性參數及邊界條件

該凝汽器為雙流程設計，循環水為上進下出的流動方式，即冷卻水由上部管束進入，與蒸汽換熱后由下部管束流出。確定模擬參數如表1所示。

2.3 評價方法

該文的模擬計算方法采用壓力評價法，即通過不斷調整出口壓力（假設）計算得到設備入口的壓力（已知），計算收斂后結果認為正確的。

該文設置凝汽器抽汽壓力為出口壓力，根據模擬的結果得出凝汽器入口附近的壓力（凝汽器設計壓力），經過對出口壓力值的不斷調整，直到推算出的凝汽器入口壓力為設計壓力時，并且計算收斂后，此時流場計算結果認為是正確的。

3 模擬結果分析

3.1 流場分布

凝汽器殼側流場速度矢量圖見圖2。蒸汽在管板上方的流速為55 m/s，最大流速為77 m/s。在管束區上方即第一流程，蒸汽逐步穿過管束區流向空冷區，部分蒸汽沿著管束區兩側的通道進入第二流程，蒸汽經過管束區凝結后進入空冷區，在空冷區內未完全凝結的蒸汽再一次參與換熱凝結，剩余的不凝結氣體和未凝結的蒸汽一起被抽出。從圖中可以看出部分蒸汽流向熱井對凝結水進行熱力除氧，實現凝汽器的經濟運行。

3.2 壓力分布

凝汽器殼側壓力分布圖如圖3所示，在管束區上方蒸汽突遇管束阻力，蒸汽動能轉換為勢能，造成壓力突然升高，隨著蒸汽深入管束區，蒸汽的壓力越來越低，即壓降越來越大。空冷區下方擋板處的壓力變化較劇烈，從速度矢量圖上也可看出擋板處的流速較高，經計算擋板部分的壓力損失約為300 Pa，而整個管束區的總壓降約為900 Pa。

3.3 空氣質量分數分布

凝汽器空氣主要集聚在空冷區，抽空氣口的位置空氣濃度最大，最大的空氣濃度為37.75%，管束區幾乎沒有空氣的集聚，根據凝汽器布管原則可知，此管束的空冷區布置較為合理。

4 結語

通過STAR-CD軟件對凝汽器殼側流場的模擬得出，空冷區上方帶狀管束布置略微不合理，存在換熱不完全的情況，此處需要調整管束布置，空冷區下方壓力損失較大，結構仍需調整，但是總體整個管束中蒸汽流程較短、汽阻較小，部分蒸汽直接流向熱井的凝結水面，降低凝結水的過冷度并且熱力除氧。因此，此管束的布置符合凝汽器管束設計的基本原則，同時循環水上進下出流動使得水側的阻力損失較小。

參考文獻

[1] 董建華，董愛華.管束布置對凝汽器性能影響的數值模擬分析[J].汽輪機技術，2014，56（3）：176-178.

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