基于CFD的小機循環水系統優化

洪大智 盧鵬宇 高世杰 李燕平 青可兒

摘 要：凝汽器管壁清潔度直接影響汽輪機背壓和凝汽器的上下端差，是影響濕冷機組換熱效果的一項重要因素。循環水水質、凝汽器清洗裝置的運行對凝汽器清潔度有較大影響，采用循環水二次濾網是提高循環水水質最有效的方法之一，對于采用膠球清洗裝置的系統，膠球清洗管路對清洗效率也有直接影響。鑒于此，結合CFD有限元分析軟件Fluent，對不同的膠球清洗管路布置、不同形制的濾網網板的流體動力學特性進行了分析。

關鍵詞：循環水;CFD;膠球清洗系統

中圖分類號：TM621.3 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0056-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.015

0 ? ?引言

北方地區氣候變化大，冷卻塔填料老化嚴重，隨著冷卻塔填料破碎脫落，循環水中填料碎片變多，碎片垃圾進入凝汽器會堵塞換熱管，導致凝汽器換熱面積減少;碎片垃圾進入收球網區域，會貼敷在網板上，導致收球網的網板堵塞膠球，進而影響膠球系統的運行效果，影響凝汽器清潔度。如何保持凝汽器管束的清潔度是各火電廠非常關心的問題之一，因為小汽輪機是火力發電廠的重要輔機，而小機凝汽器是小汽輪機的重要設備，故凝汽器管束的清潔度對于小機的經濟性及整個機組的安全穩定運行有著至關重要的作用，對其進行改造可實現火電廠節能降耗，確保機組高效運行，從而實現集團公司的節能目標。

某廠在進行膠球系統管路優化時，對存在問題的循環水濾網網板也進行了處理。網板的多項因素均對過濾效果存在影響，考慮到工期及成本，本工程不對濾網框架進行更換，因此需對濾網網板選型展開分析。網板有網絲板和沖孔板兩種常見形制，由于循環水水質較差，存在片狀、絲狀等形態不同的雜物，因此采用的沖孔板多為圓孔交錯布置。

有限元分析是利用數學近似的方法對真實物理系統進行模擬，利用簡單而又相互作用的單元，可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統。它用較簡單的問題代替復雜問題后再求解，將求解域看成是由許多被稱為“有限元”的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解[1]。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[2]。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，具有豐富的物理模型、先進的數值方法和強大的前后處理功能，在設計方面有著廣泛的應用[3]，凡是和流體、熱傳遞和化學反應等有關的工業均可使用。Fluent可用來模擬從不可緊縮到高度可緊縮范圍內的復雜流動。由于采納了多種求解方式和多重加速收斂技術，Fluent能達到最正確的收斂速度和求解精度。

1 ? ?管路優化

某廠某期兩臺機組小機膠球系統管路布置：A側小機凝汽器循環水膠球系統共有11個彎頭，B側小機凝汽器循環水膠球系統共有9個彎頭。小機凝汽器膠球系統膠球泵出口至收球室管道存在“幾”字型彎管段（以下簡稱“幾”字彎），高度為2 000 mm，運行時會產生局部阻力，影響膠球泵的出力，使得管路內流體及其攜帶的膠球動能不足;小機A、B側裝球室至小機凝汽器循環水入口管道布置過高，A側投球管約高6 000 mm，B側投球管約高4 500 mm，與循環水出口收球管路3 500 mm存在高差。

針對膠球系統管路布置分析如下：

（1）A、B側膠球泵出口至裝球室入口處有“幾”字彎，高度為2 000 mm，長度1 500 mm，由于連續彎頭造成的局部阻力，膠球系統流場受到直接影響，流體壓力損失較為嚴重，進而會影響到其攜帶的膠球，使得膠球沒有足夠的動能進入循環水入口管路。

圖1為優化前“幾”字彎處流體流動矢量圖，可以發現連續彎頭中，流體運動方向局部變化劇烈，多個彎頭對流動影響較大。基于仿真模型對小機膠球流場進行分析，膠球泵出口至裝球室，揚程損失占小機膠球系統的37.20%。

（2）A側小機凝汽器膠球系統裝球室出口管道布置約高6 000 mm，B側小機凝汽器膠球系統裝球室出口管道布置約高4 500 mm，均會產生對循環水出口至膠球泵管路的高差，影響膠球循環。具體改造方案如下：取消A、B側膠球泵出口至裝球室入口處“幾”字彎，降低管路高度，將A側小機凝汽器膠球系統裝球室出口管道布置降低至3 500 mm，B側小機凝汽器膠球系統裝球室出口管道布置降低至3 500 mm，以減小膠球系統阻力，裝球室抬高200 mm，如圖2所示。改造后A側小機凝汽器膠球系統將減少2個彎頭，B側小機凝汽器膠球系統將減少1個彎頭。

（3）圖3為優化后原“幾”字彎處流體流動矢量圖，可以發現減少彎頭后，彎頭對流動影響明顯降低。基于仿真模型對小機膠球流場進行分析，膠球泵出口至裝球室，揚程損失占小機膠球系統的14.83%。

2 ? ?循環水二次濾網選型優化

本文所述小機循環水系統，在進行過空冷島尖峰改造后，循環水流速較大，由2.5 m/s提升至2.8 m/s，結合現場循環水管路及循環水池尺寸進行結構計算后得出，網板處入口平均流速為0.8 m/s。如圖4、圖5所示，基于Solidworks建立500 mm×500 mm的網板局部平面模型，導入CFD軟件內的Geometry模塊，其中網絲編織型網板的網絲直徑為2 mm，網絲網孔尺寸為5 mm×5 mm;沖孔板圓孔直徑7 mm，網孔交錯布置，間距為2 mm。

如圖6、圖7所示，將所建模型在mesh模塊內進行網格劃分，采取四面體網格，網格數量為21 954 506，在Fluent模塊內進行邊界參數設置，流體模型計算采用k-ε湍流模型，入口速度邊界為0.8 m/s，可得到流場各參數的計算結果。

圖8、圖9為兩種網板局部流線的分析結果。網絲板各孔道流體的流線分布均勻，網孔入口方向轉換平緩，流場內除網孔處流體速度達到1.5 m/s外，入口及出口均在1.0 m/s以下，流體無較大的速度梯度，網板前后方均無較大的渦流或死區;沖孔板流線分布相對雜亂，在網孔入口平面速度梯度大，入口處存在速度為0的點，網孔處最大速度達到了2.13 m/s，網板前后存在大量局部速度漸變點，即存在數量較大的局部渦流，且網板后方存在較大的死區。從對流體中網孔處流線的分析來看，網絲板在流場中的效果遠優于沖孔板。

圖10、圖11為兩種網板入口平面速度矢量分布，網絲板入口平面速度矢量成束分布，沿流體方向較為整齊，對網板后方流體有一定整流作用;沖孔板入口平面處速度矢量雜亂，每個網孔位置速度分布有明顯的分散，網板前方存在與速度方向垂直且速度為0的矢量，同時也證明了沖孔板前方存在相當數量的局部渦流，對網板后方的流體流動影響較大，易形成局部渦旋，導致動能損失較大。從對網板入口流體速度矢量的分析來看，網絲板在流場中的效果遠優于沖孔板。

結合流線與速度矢量的分析不難發現，網絲板相對沖孔板有較好的表現。其原因是網板在流場中的截面不同，邊緣的曲率也就不同，流體對于網絲板局部為圓柱形擾流，對于沖孔板局部則為長方形擾流，邊界曲率不同造成了流體過網板時壓力梯度不同，故對流體邊界層分離的影響也不相同。

目前流速下，從對流場影響的角度分析，網絲板全面優于沖孔板，但不同形制的網板對流速變化的適應性不同，需針對不同流速對兩種網板的影響進行分析。從安全性出發，不同流速下網板的承壓是需考慮的最主要因素。

如表1及圖12所示，隨著流速的增加，兩種網板的承壓均呈逐漸增大的趨勢，但相同流速承壓的幅度與流速變化時網板承壓的變化幅度有著較大差別。網絲板在不同流速下承壓較小，且隨著流速的增加，網板承壓增加幅度較小，最大流速2.8 m/s時為681 Pa，且從流速2.67 m/s至2.8 m/s，網板平均承壓增加了190 Pa;沖孔板承壓幅度較大，最大流速2.8 m/s時為1 194 Pa，且從流速2.67 m/s至2.8 m/s，網板平均承壓增加了345 Pa;從各流速的承壓及隨流速變化承壓的變化速度來看，網絲板的運行安全性遠優于沖孔板。

同時考慮到結構影響，循環水相同流速、同面積下，網絲板承壓較沖孔板小39%，網絲板的編織結構特性使得其在交變應力下可以進行應力釋放，且由于圓柱形編織結構，網絲板即使出現破損，也大多僅局限在局部。

沖孔板在工程上工藝簡單，成本較網絲板低，過流面積較網絲板大5.76%，且其板面平整光滑，垃圾易于分離，不掛絲、不纏絲;但其對交變應力的抗性差，易出現破損，且出現破損時容易導致較大范圍的破裂。綜上所述，在流場的流體特性、網板的承壓方面，網絲板均優于沖孔板。

3 ? ?結語

本文所采用的仿真分析方法，可在現場試驗條件受限的情況下，結合仿真建模的方式對膠球系統收球管路及循環水濾網網板進行輔助計算，并可對多種方案進行比較分析，對解決實際問題有幫助，在實際的工程實施中可起到一定的借鑒作用。

[參考文獻]

[1] 牛碧凱，王惠源.基于ANSYS的某密閉容器靜態應力分析[J].機械工程與自動化，2015（2）：89-90.

[2] 劉子越.基于ANSYS多種步態下半月板應力分布的研究[D].天津：天津工業大學，2014.

[3] 黨敏輝，鄭化安，張生軍，等.FLUENT在旋風分離器氣固分離中的應用進展[J].山東化工，2017，46（12）：82-83.

收稿日期：2022-02-15

作者簡介：洪大智（1985—），男，吉林人，工程師，研究方向：熱能與動力工程。