胶球清洗装置凝汽器系统性能分析？

     胶球清洗装置凝汽器系统性能分析？以某600MW火电机组为研究对象，建立火电机组凝汽器胶球清洗装置凝汽器系统监测模型，为凝汽器胶球清洗装置凝汽器系统优化鉴定了理论基础。针对凝汽器喉部扩散角和低加对蒸汽热负荷分配不均的影响，提出安装导流板改善流体的流动及凝汽器的传热特性。以某电厂为例，分析了该系统的工作状况及运行特征，对模型和软件进行了验证。通过建立了凝汽器胶球清洗装置数学模型，分析了污垢热阻、时间常数、胶球价格和使用寿命对胶球清洗装置运行参数的影响。
     通过分析传统凝汽器胶球清洗装置系统，设计了一种新型凝汽器胶球清洗装置凝汽器系统，并建立凝汽器单流程物理模型。针对不同胶球速度、射流速度及投球方式，通过数值模拟分析了胶球在进口水室内的运动规律，以及水室旋涡对胶球轨迹的影响，提出了优化设计方案。
     火电湿冷机组凝汽器结构比较复杂，本文对凝汽器系统进行简化，利用Gambit软件对其建立物理模型如图1所示。
图1凝汽器物理模型
     大型机组凝汽器中有数以万计根冷却管束，在凝汽器几何模型中是很难准确地画出，用多孔介质来替代冷却管束，模拟循环水在凝汽器内的流动情况。二次滤网和收球网并不在这次研究范围内，因此，对其进行简化忽略不计。结合大量的论文及运行现场勘察发现，凝汽器冷却管束区结垢严重，大多出现在凝汽器管板边缘地带。本文主要考虑在循环水的扰动作用下，针对凝汽器冷却管束A区域上边缘地带进行清洗，分析胶球在水侧的运动轨迹。
     利用Gambit软件对凝汽器4部分分别进行四面体非结构化网格划分。计算分析前，先对网格进行无关性验证，*终确定各个区域网格数量，其中凝汽器进口水室30万，循环水进水管20万，凝汽器冷却管束区域75万，凝汽器出水室及循环水出水管42万，共计167万。计算模型网格划分如图2所示。
图2计算区域及网格划分
控制方程
     在该模型中，使用FLUENT6.3软件模拟凝汽器内部流体的流动状况，将循环水看作不可压缩流体。求解条件采用非耦合求解，使用Implicit隐式算法，将流体看做定常流动，采用绝对速度，选择标准k－ε湍流模型。
边界条件
     不考虑凝汽器冷却管束与外部气体之间的换热问题，故在模拟过程中不考虑能量方程，将循环水进水口设定为速度进口边界条件，定义为2m/s，垂直于进口截面，选择重力对流体运动的影响，设定胶球密度为1000kg/m3，以速度1．4m/s投球，射流速度为1．3m/s，出口边界条件设置为压力出口。在solve面板下，选择一阶迎风格式，打开残差监视器，*后进行迭代计算。
计算结果及分析
     对凝汽器进口水室内流体流场进行模拟时，设定在凝汽器进口水室的进水口处，面向管板方向为中心面，为Z=0m截面，中心面右侧为+Z方向，左侧为－Z方向;连接凝汽器进口水室和冷却管管束区的管板在坐标轴上的位置为X=0m。主要研究Z=1.0m(送球口的中心)、Z=1.2m(送球管的直径为0.3m，)、Z=0.8。将几个凝汽器冷却管束区域设定为A、B、C、D、E、F等6个区域，如图3所示。
图36区域图
     1Z=0m、Z=0．8m、Z=1m、Z=1．2m截面的速度流线图图4表示进口水室Z=0m、Z=0．8m、Z=1m、Z=1．2m截面的速度流线图，从图中观察到，水室结构不具有引导性，使高速流体集中在中间区域，水流整体向前流动。因为管板存在局部阻力，在进口水室Z=0m、Z=0．8m、Z=1．2m截面的上部分区域均出现旋涡，由于在Z=1．0m截面送球管有一射流，打破了Z=1．0m截面处的旋涡，但是仍然受到旋涡的影响。模拟结果表明，进口水室的旋涡主要发生在水室上部的A区域，水室下部也有微弱旋涡出现。

 图4 进口水室Z截面的速度流线图
 
 图5 胶球运动轨迹图
优化设计及数值模拟
     由于凝汽器进口水室内存在旋涡，为了减弱旋涡的影响，分别改变射流速度和投球速度、射流方式，通过对比模拟结果，选出*优的解决方案。下面将速射流度设为1．3m/s 1．7m/s;投球速度分别设为1．0m/s、1．2m/s、1．4m/s、1．6m/s、1．8m/s、2．0m/s、2．2m/s，分别组合成14种投球方式。影响胶球在凝汽器内流动的主要因素包括凝汽器内存在的旋涡、射流速度和投球速度3方面。分别计算各种方案下Z=1m截面的流动状况以及胶球的运动轨迹。设置数字1、2、34、5、6、7分别代表7种胶球流速，如1表示胶球速度V=
1m/s，a1表示射流速度U=1．3m/s、胶球速度V=1m/s。射流速度为1．3m/s时结果分析图6表示对A区域上部分冷却管束进行清洗，射流速度为1．3m/s时，送球速度分别为1．0m/s、1．2m/s、1．4m/s、1．6m/s、1．8m/s、2．0m/s、2．2m/s，进口水室内的流线图和胶球轨迹图。对胶球通过A、B、C、D、E、F6个区域的情况进行统计，结果见表1。
     随着凝汽器送球速度的增大，凝汽器进口水室内在Z=1.0截面上的流线图基本没有发现变化，旋涡仍然存在，起初胶球的速度比较小，会流到B、C、D、E、F区域中。送球速度在1.0m/s～1.6m/s时，A区域进球量比较少，进球量增长比较快，送球速度在1.6m/s～2.2m/s时，A区域进球量比较多，进球量增长缓慢，胶球在水室内不能发散，对凝汽器管束清洗的区域减小。
     射流速度为1.7m/s时结果分析图7是对A区域上部分进行定区域清洗，射流速度为1.7m/s，送球速度分别为     1.0m/s、1.2m/s、1.4m/s、1.6m/s、1.8m/s、2.0m/s、2.2m/s时，进口水室内的胶球运动轨迹图。
射流速度为1.0m/s时结果分析
     选择射流速度在1.3m/s～1.7m/s之间，送球速度控制在1.6m/s～2.2m/s之间，由于射流水来自于凝汽器循环水图7射流速度为1.7m/s的方案管，循环水的进水速度为2.0m/s，设射流速度*大为2.0m/s。度为1.0m/s的胶球运动轨迹。
射流速度m/s 送球速度m/s A区域进球数 B区个 域进球数C区域进球数D区域进球数E区域进球数F区域进球数个个个个个
1.0 1.0 7 1 3 4 3 0
1.0 1.2 6 3 3 2 3 1
1.0 1.4 13 2 1 0 2 0
1.0 1.6 13 0 0 3 2 0
1.0 1.8 15 0 2 1 0 0
1.0 2.0 15 0 2 1 0 0
1.0 2.2 14 0 2 1 0 1
若减小射流速度，分析是否存在*佳的送球速度。因此，对对胶球通过A、B、C、D、E、F6个区域情况进行观察，统射流速度为1.0m/s和2.0m/s进行模拟，如图8所示射流速计结果见表2。
 表2 射流速度为1.0m/s，胶球通过6个区域的个数

 图8 射流速度为1.0m/s的方案
本文以某电厂600MW机组凝汽器胶球清洗装置系统为研究对象，根据实际尺寸建立了物理模型，针对凝汽器管板A区上边缘区域，用Fluent软件对14种投球方式进行了模拟分析，得出以下结论:
(1)当射流速度为1.0m/s，送球速度为1.8m/s～2.2m/s时，胶球进入A区域的数量*多为83.33%。
(2)当射流速度为1.3m/s，送球速度为1.6m/s～2.2m/s时，胶球进入A区域的数量*少为88.89%。
(3)当射流速度为1.7m/s，送球速度为1.6m/s～2.2m/s时，胶球进入A区域的数量*少为83.33%。
(4)得到*优方案:射流速度控制在1.3m/s～1.7m/s之间，送球速度控制在1.6m/s～2.2m/s之间，流经A区域的胶球数量比较均匀、数量较多，且清洗面积比较大。