凝汽器機組水側(cè)膠球清洗裝置系統(tǒng)優(yōu)化改造說明？

    凝汽器機組水側(cè)膠球清洗裝置系統(tǒng)優(yōu)化改造說明？為提高火電機組的熱經(jīng)濟性，降低冷端損失，利用FLUENT數(shù)值模擬軟件，對某600MW機組凝汽器進行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)凝汽器入口水室內(nèi)出現(xiàn)膠球集聚打旋現(xiàn)象。對于傳統(tǒng)膠球清洗系統(tǒng)存在的問題，提出對凝汽器膠球清洗的方式進行優(yōu)化，利用可移動的膠球清洗裝置，在凝汽器入口水室內(nèi)靠近端孔板平面處精確投球，將膠球直接打入冷卻水管，避免了因入口水室結(jié)構(gòu)因素影響凝汽器冷卻管清洗效果。結(jié)果表明，凝汽器清洗得更加均勻、徹底，改造后的凝汽器膠球清洗裝置能滿足清洗冷卻管的要求。

    電站冷端設(shè)備對機組的高效經(jīng)濟運行有重要影響。凝汽器長期運行后，其冷卻管內(nèi)壁會形成污垢，嚴重時會堵塞管道，致使汽水換熱效果變差，影響機組熱經(jīng)濟性。目前，電站凝汽器普遍采用凝汽器膠球清洗裝置來清潔冷卻管。但由于凝汽器入口水室結(jié)構(gòu)原因，在入口水室內(nèi)會形成渦流區(qū)域，膠球?qū)⒃谠搮^(qū)域集聚打旋，這將導致膠球分布不均勻，管道清洗不徹底，嚴重時可能會影響凝汽器真空度，進而影響整個機組的熱經(jīng)濟性。對該部分進行優(yōu)化改造，對于提高機組的熱經(jīng)濟性有重要意義。

    目前，隨著計算機硬件性能的發(fā)展，許多研究者采用計算機數(shù)值模擬的方式來研究凝汽器的汽側(cè)和水側(cè)流動特性，采用多孔介質(zhì)模型對凝汽器進行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬計算的水阻和實驗結(jié)果比較，為動力裝置冷卻水系統(tǒng)整體的數(shù)值模擬提供參考。對于凝汽器膠球分布不均勻，清洗不徹底的現(xiàn)象，研究者提出了不同的解決方案。提出在凝汽器入口水室內(nèi)部加裝導流板和凸起扣板，并且比較了改造前后的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)改造后的傳熱性能優(yōu)于改造前;采用自旋轉(zhuǎn)均布投球、旋轉(zhuǎn)自清潔固定二次濾網(wǎng)和收球網(wǎng)、膠球自動計數(shù)等新技術(shù)進行改造，機組真空提高，節(jié)能經(jīng)濟效益明顯。上述研究提出了精確投球的概念，筆者以某600MW機組凝汽器為研究對象，應(yīng)用FLUENT軟件進行數(shù)值模擬，提出采用膠球清洗裝置將膠球直接打入冷卻水管，與傳統(tǒng)清洗方式相比，改造后的膠球清洗裝置能達到清洗效果，對管道清洗得更均勻徹底。

1模型及計算方法

1.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

    研究對象為某600MW機組凝汽器，型號為N－38000-4型，該凝汽器為雙殼體、單流程、雙背壓表面式凝汽器，有兩個斜喉部、兩個殼體(包括熱井、水室，回熱管系)。凝汽器外表1N－38000－4型凝汽器技術(shù)參數(shù)

冷卻面積，m2 循環(huán)水量，m3/h 冷卻管尺寸，mm 冷卻水設(shè)計壓力，MPa 設(shè)計背壓，kPa 運行質(zhì)量，t 水側(cè)阻力，kPa 冷卻水設(shè)計溫度，℃ 38000 71748 φ25×0.7 0.5 5.2 1485 ≤75 21.7

    殼底部設(shè)有循環(huán)水連通管，冷卻管材質(zhì)為TP316L不銹鋼。在研究該問題時，由于凝汽器結(jié)構(gòu)對稱，為簡化研究問題，僅取低壓側(cè)作為研究對象。該凝汽器技術(shù)參數(shù)見表1。

    凝汽器低壓側(cè)殼體內(nèi)有4組管束，管束下部設(shè)有空冷區(qū)。端管板為不銹鋼復合板，冷卻管兩端采用脹接和焊接的方式固定在端管板上，端管板與殼體采用焊接的方式固定成一個整體。凝汽器模型如圖1所示。

圖1N－38000－4型凝汽器模型

    在計算時使用ANSYSFLUENT對其進行流場求解，求解前對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。求解模型主要分為循環(huán)水進口水管、入口水室、管束區(qū)域、出口水室和出口水管等5部分。整體上采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對入口水室和近管板區(qū)域進行局部加密，如圖2所示。

圖2凝汽器模型網(wǎng)格劃分

1.2多孔介質(zhì)模型

    在計算管組的流動時，由于冷卻管數(shù)量眾多，計算時硬件開銷大，在數(shù)值計算時一般使用ANSYSFLUENT提供的多孔介質(zhì)模型。在該模型中，將管組流動區(qū)域看成是多孔介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)是將計算區(qū)域看成由固相顆粒和孔隙共同組成，其中孔隙的空間由流經(jīng)多孔介質(zhì)的流體占據(jù)。

    在多孔介質(zhì)模型中，通過定義相關(guān)參數(shù)得到流體通過該多孔介質(zhì)區(qū)域的壓降。多孔介質(zhì)在數(shù)值計算時，其實質(zhì)是在動量方程中添加一動量源項，以此來模擬多孔介質(zhì)對流體的作用。源項由兩部分組成:一個為黏性損失項，即方程(1)右端一項，另一個為慣性損失項，即方程(1)右端二項:Si=－(Dijμνj+Cijρνmaxνj)(1)式中，Si是i方向(x、y或z)流體動量方程中的源項;D和C是給定的矩陣。

    該源項起到的作用是在多孔介質(zhì)單元上產(chǎn)生一個正比于流體速度的壓力降。在結(jié)構(gòu)簡單、分布均勻的多孔介質(zhì)中，可以使用簡化以后的動量方程進行模擬計算。方程如下:νi+C2ρνmaxνi)式中，α為多孔介質(zhì)的滲透性;C2是慣性阻力因子，其意義是沿著流體流動方向上單位長度的損失系數(shù)。

    多孔介質(zhì)中的壓降與動量損失源項的關(guān)系為:Δp=－SiΔn(3)通過式(2)、式(3)可以計算出多孔介質(zhì)內(nèi)部慣性阻力系數(shù)和黏性系數(shù)，將計算得到的兩組阻力系數(shù)添加到FLUENT多孔介質(zhì)區(qū)域中，就可以實現(xiàn)對物理模型的簡化處理。

1.3離散項模型

    求解多相流問題一般采用雙歐拉方法和歐拉－拉格朗日方法，其中離散相模型(DPM)就是歐拉－朗格朗日方法中的一種特例，該模型忽視了離散相之間的相互作用和顆粒體積分數(shù)對連續(xù)相的影響。

    FLUENT可以實現(xiàn)離散相和連續(xù)相的雙相耦合。在求解離散相運動軌跡的同時，離散相在運動過程中熱量、動量和質(zhì)量的損失均會同步計算出來，并及時反饋給連續(xù)相，連續(xù)相與離散相進行相互作用。此時連續(xù)相的運動狀態(tài)能夠影響離散相的運動，而離散相的運動也能夠同時影響到連續(xù)相，通過反復計算兩相的各種控制方程，終收斂。

1.4湍流模型

    數(shù)值計算時采用k-ε湍流模型，方程如下:k方程:=j[(μ+C)]+Gk-ε(4)ε方程:=μ++Cε1Gk-Cε2(5)式中，k為單位質(zhì)量流體的湍流脈動動能;ε為耗散率;Gk為由于層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能;xj表示坐標軸j(j=x，y，z)方向上的微元距離;經(jīng)驗系數(shù)Cμ=0.99、Cε1=1.44、Cε2=1.92、σk=1.0、σε=1.3。

2膠球清洗系統(tǒng)改造方案

    在傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗裝置的基礎(chǔ)上，在凝汽器前水室孔板處加裝凝汽器膠球清洗裝置，設(shè)置投球管道連接至膠球清洗裝置，使得投球系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)分離開，在凝汽器前水室孔板加裝絲杠架，利用外部電機驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，帶動滑動槽和膠球清洗裝置在內(nèi)部孔板往復移動，將膠球精確地射入凝汽器冷卻管中，避免了膠球在入口水室內(nèi)的積聚造成收球率不高的問題。圖3為凝汽器前水室改造部分示意圖。

3流場模擬及結(jié)果分析

3.1膠球在流場中的軌跡

    從圖4可以看出，在傳統(tǒng)凝汽器水室內(nèi)部產(chǎn)生了大量旋渦，這些旋渦主要分布在進口水室的上部和下部，這些旋渦區(qū)域速度很低，不利于膠球進入凝汽器冷卻管。目前電廠所使用膠球的濕態(tài)密度跟冷卻水基本一致，因此，在實際運行中，膠球會跟隨冷卻水在水室的上部和下部旋轉(zhuǎn)、停留，導致膠球不能夠及時進入到冷卻管道，甚至聚集在水室內(nèi)部，進一步導致傳統(tǒng)凝汽器膠球清洗裝置系統(tǒng)的清洗效果下降。

圖4凝汽器入口水室的流動跡線圖

3.2膠球清洗裝置優(yōu)化模擬

    為了避免膠球在進口水室中積聚，降低清洗效果，在凝汽器進水孔板加裝精確膠球清洗裝置，使得凝汽器冷卻水循環(huán)系統(tǒng)和凝汽器膠球清洗系統(tǒng)分離開。為了選取合適的膠球清洗裝置，采用不同形狀的膠球清洗裝置進行數(shù)值模擬，共有A、B、C3種膠球清洗裝置，其外形特點各異。對于這3種膠球清洗裝置，由于出口面積不同，為了達到將膠球打入冷卻管的目的，選取不同的流速以適應(yīng)泵的流量參數(shù)。

    圖5所示為A型膠球清洗裝置模型圖，圖6為A型膠球清洗裝置流動跡線圖。

    由圖6可見，當膠球清洗裝置的入口設(shè)置在垂直于孔板方向時，在入口處流體流動速度較快，膠球能平穩(wěn)快速地通過膠球清洗裝置進入到凝汽器管組中，但其余部分成渦嚴重，將導致膠球在此處聚集打旋。由此可見，將膠球垂直于圖6A型膠球清洗裝置流動跡線圖端孔板平面打入管組效果較好，且應(yīng)該選擇合適的通流面積和結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計了B種膠球清洗裝置，如圖7所示。

圖7B型膠球清洗裝置模型圖

圖8為B型膠球清洗裝置流動跡線圖。

    由圖8可以看出，導流通道對膠球通過膠球清洗裝置有一定作用，但由于在入口處通流面積突然擴大，在管道內(nèi)流動的湍流度增加，膠球?qū)⒃黾釉谄鋬?nèi)集聚的可能。從圖8還能看出，膠球清洗裝置中心的導流通道速度較高，但周圍6個導流通道速度較低，這可能會導致在膠球出口處形成橫向流動，阻礙膠球快速通過膠球清洗裝置。

圖8B型膠球清洗裝置流動跡線圖

圖9所示為C型膠球清洗裝置模型圖，圖10為C型膠球清洗裝置流動跡線圖。

    由圖10可以看出，流體通過C型膠球清洗裝置時，通過速度比較快，流動比較平穩(wěn)，利于膠球快速通過投球圖10C型膠球清洗裝置流動跡線圖裝置進入冷卻管，投球效果比較好。

3.3改造后的運行分析

    對于改進后的膠球清洗裝置，它能在20min內(nèi)沿端孔板平面移動1次，每次釋放在每根管子中的膠球數(shù)量為2個～4個，在1h內(nèi)可循環(huán)3次，管道中每根管子每小時能進入的膠球數(shù)量為6個～12個，對于凝汽器冷卻管道，這種頻率能防止管道內(nèi)部結(jié)垢或污物堵塞。

    對于采用普通投球方式的機組，按照運行機制，一天投運兩次，每次投球1.5h，收球1h，投球數(shù)量為單側(cè)冷卻管數(shù)目的10%，取每分鐘平均循環(huán)速率為99%計算，假設(shè)膠球平均分布在膠球管道內(nèi)，則1h內(nèi)每根管道平均可通過6個膠球。實際上，由于采用普通投球方式，膠球并不能均勻地進入管道，致使靠近中間部分的管組清洗次數(shù)遠高于在入口水室邊緣的管組。當采用新型凝汽器膠球清洗裝置時，由于膠球清洗裝置可在靠近端孔板平面內(nèi)來回移動，使得對于管組的投球更加均勻，管道結(jié)垢和堵塞的現(xiàn)象會大大減少。

3.4阻力特性分析

    凝汽器水阻是凝汽器冷卻水在水側(cè)流動的阻力，一般由凝汽器冷卻管水阻、凝汽器水室及管端水阻組成。對于數(shù)值計算模型，設(shè)置不同的進口流速能得到不同的水阻，將其與凝汽器設(shè)計時測得的實驗數(shù)據(jù)進行比較，凝汽器水阻的大差值為9.2%，計算結(jié)果和設(shè)計結(jié)果差異較小，模型選用適當。

4結(jié)論

    (1)采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對傳統(tǒng)的凝汽器膠球清洗裝置進行模擬，發(fā)現(xiàn)凝汽器入口水室內(nèi)部由于結(jié)構(gòu)原因出現(xiàn)膠球集聚打旋現(xiàn)象，不利于管道清洗。

    (2)針對上述情況，對凝汽器膠球清洗裝置進行改造，對3種膠球清洗裝置進行比較研究，對于提出的3種膠球清洗裝置，圓柱形裝置投球效果好，利于膠球快速通過膠球清洗裝置進入冷卻管。

    (3)對于改造后的膠球清洗裝置系統(tǒng)，其清洗速度和頻率能保證凝汽器冷卻管道的清洗，而且其清洗均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)清洗方式，對管道清洗更加全面、徹底。