发动机涡轮增压器的冷却系统（16兆瓦蒸汽涡轮表面凝汽器的空气冷却系统）

在阅读此文前，麻烦各位看官点击一下“关注”，感谢大家的支持。

文丨上官顾玖

编辑丨上官顾玖

根据对基本朗肯热力循环的研究，典型蒸汽涡轮机向凝汽器排出的蒸汽压力对蒸汽涡轮机的效率和净输出功率起着重要作用，因此大多数热电厂中的表面凝汽器都保持在真空状态，以实现热力循环的最大功率。

凝汽器中的真空压力导致来自涡轮机封隔环的空气和不可冷凝气体进入凝汽器，因此特殊的空气排出设备被用于将空气与蒸汽分离，并排放到凝汽器外部。对内卡电厂16兆瓦蒸汽涡轮凝汽器中的空冷机制——“空冷器”的蒸汽和空气分离机构进行了研究，并利用Fluent CFD软件分析了16兆瓦蒸汽涡轮凝汽器空冷器系统中蒸汽和空气的行为，以找到减少空冷器管道破裂风险的方法。

一、冷凝换热器性能预测和CFD模拟

确定了管道破裂发生的临界条件，并证明在炎热的季节，通过增加海水冷却温度、提高涡轮机蒸汽排气压力和温度，一级空冷器冷却管行中的混合速度增加，导致管道破裂的风险增加，而管道堵塞对空冷器性能的影响显示出其他管道破裂风险增加，从而空冷器的效率降低，因为空冷器排气温度升高。

模拟两个修改后的空冷器系统设计方案，并利用FLUENT CFD软件进行模拟，以减少管道破裂的风险。通过修改空冷器管道和孔径，混合空气和蒸汽流向一级空冷器冷却管行的速度显著降低，从而导致管道破裂的风险显著减少，同时空冷器排气温度降低，提高了排气器的性能。

典型朗肯热力循环中的表面凝汽器压力对涡轮机的效率和输出功率起着重要作用。凝汽器压力越低，循环的效率和净功率输出就越高，因此在大多数情况下，凝汽器的压力被保持在真空状态。

为了降低蒸汽侧凝汽器的压力，使用了特殊的喷射装置，通过蒸汽或水经过喷嘴喷射，形成一个明确的真空，从而吸入凝汽器中的空气并在蒸汽侧凝汽器内部形成适当的真空。特殊的装置被称为"空冷器"，它被安置在凝汽器的蒸汽侧，通过该系统进行凝汽器中气体的吸入。首先，蒸汽与空气和不可冷凝气体的混合物通过该系统被吸入，然后蒸汽在通过一些冷却管道时被冷凝，最后剩余的气体将被排出凝汽器外。

二、16 MW蒸汽涡轮凝汽器的空冷器系统

在过去的30年中，对蒸汽与空气共存下的蒸汽冷凝进行了CFD模拟研究。Lux等人提出了一个可以预测圆管冷凝换热器性能的计算机模型。该模型忽略了冷凝和扩散过程的影响。Malalasekera等人使用CFD模拟了冷凝锅炉中二次换热器的传热和流动。

他的工作中没有考虑非冷凝气体中水蒸汽的扩散过程和水蒸汽的冷凝。Valencia利用商业代码FLUENT和用户定义的子程序对板上水蒸汽和酸的冷凝进行了CFD模拟。Karkoszka和Anglart提出了一种在存在非冷凝气体时预测冷凝的机械模型，使用商业计算流体力学代码CFX-4进行求解。该模型基于一个守恒方程的解决方案。

使用FLUENT CFD软件分析了内卡电厂16兆瓦蒸汽涡轮凝汽器典型空冷器系统中蒸汽和空气的行为，以找到减少空冷器管道破裂风险的方法。关于蒸汽相的部分采用了蒸汽相的传输方程，而非冷凝气体的传输方程则用于描述非冷凝气体的运动。

Ambrosini等人使用商业CFD软件FLUENT®对垂直方形通道中空气-蒸汽混合物在平板上的冷凝进行了数值模拟。Benelmir、Mokraoui和Souayed利用FLUENT软件对存在非冷凝气体的情况下，两个垂直平板之间和板式翅片管换热器中的水蒸汽冷凝进行了稳态模拟。Mohammad Saraireh 使用FLUENT CFD方法解决了紧凑式换热器中水蒸汽从湿空气中的冷凝问题。

利用FLUENT CFD软件分析了内卡电厂16兆瓦蒸汽涡轮凝汽器中典型空冷器系统中蒸汽和空气的行为，以找到减少空冷器管道破裂风险的方法。

在内卡电厂的辅助凝汽器中，空冷器系统被安装在凝汽器的蒸汽侧，直接连接到排气管线，通过该系统将空气、非冷凝气体和蒸汽吸入空冷器管道，经过冷却管道后，蒸汽冷凝并返回凝汽器，而剩余的气体被吸向排气器。

空冷器管道由三个区域组成，在第一区域中进入空气和蒸汽混合物，在第二区域中通过9.8毫米的孔进入混合物，然后蒸汽通过23个冷却管道冷凝，剩余的空气将通过6.1毫米的孔排出到第三区域，然后进入排气器的吸气管线。

三、Gambit软件中建立的2D空冷器模型和网格划分

在炎热季节，一些第一排空冷器管道出现破裂问题，导致涡轮和凝汽器停机以堵塞破裂的管道。这种现象导致涡轮和凝汽器的可靠性降低，同时堵塞的管道会降低第二区域的性能，增加其他管道破裂的风险，并导致空冷器排气温度升高，降低排气器的性能。

管道材料为铝黄铜，里面流动的冷却液是里海海水，直径为24毫米。实验室对样品管道的考虑和测试显示，破裂事件主要与脱锌现象有关，第二区域入口处的蒸汽、空气和非冷凝气体的喷射会破坏空冷器第一排冷却管道表面的锌层，一段时间后，这会导致管道破裂。

使用Fluent软件来考虑管道破裂的主要原因，以便：分析冷却管道温度以及凝汽器状态（涡轮蒸汽排气温度和压力）对空冷器性能的影响；找到导致管道破裂发生的临界条件；重新设计空冷器管道，以降低管道破裂的风险。

在对空冷器系统进行模拟时，使用了湍流动能模型作为“k”和“ε”（RNG）类型，其控制方程与方程（1）和方程（2）相同。∂(ρk)/∂t ∂(ρkui)/∂xi = ∂/∂xj(αkμeff∂k/∂xj) Gk Gb - ρε Sk质量连续方程或质量守恒方程为在对空冷器系统进行模拟时，使用了湍流动能模型作为“k”和“ε”（RNG）类型，其控制方程与方程（1）和方程（2）相同。

∂(ρk)/∂t ∂(ρkui)/∂xi = ∂/∂xj(αkμeff∂k/∂xj) Gk Gb - ρε Sk质量连续方程或质量守恒方程为以下方程表示动量守恒∂(ρu)/∂t ∂(ρuu)/∂x ∂(ρuν)/∂y = -∂P/∂x ∂τxx/∂x ∂τxy/∂y ρgx Fx∂(ρν)/∂t ∂(ρυu)/∂x ∂(ρνν)/∂y = -∂P/∂y ∂τxx/∂x ∂τyy/∂y ρgy Fy

能量守恒方程为 :对于稳定流动，凝汽器空冷器系统中的空气-蒸汽混合物的热平衡可以用CFD表示为：其中hfg,0是水的潜热。在上述方程中，hfg,0 CpvTa,j是水蒸汽的比焓，Ta是摄氏温度。

通过重新排列项，将方程的两边除以dx，并取极限，可以将方程表示为：-(m˙aCpa m˙vCpv)dTadTx-(hfg,0 CpvTa,j)dm˙vdx=Hav(Ta−Tf,i)从空气-蒸汽混合物向冷凝膜的总传热包括感热Qs和潜热Ql，即：经简化后，我们得到Hav=Ha−hvTa−Tf,idm˙vdx其中Hav是整体传热系数，包括感热和潜热，hv是水蒸汽通过冷凝成水液时传递给冷凝膜的热量。冷凝速率可以根据质量传递系数的定义计算，可以表示为dm˙v=(m˙v,j−m˙v,j 1)=dx⋅K(Cv−Cv,i)

其中K是水蒸汽的质量传递系数，Cv是空气-蒸汽混合物中水蒸汽的平均浓度，Cv,i是混合物与冷凝界面之间的水蒸汽浓度，

由于在解决整个空冷器管道的过程中存在限制，Gambit软件中的空冷器管道的几何形状被建模为与相同的二维模型。为了提高空冷器性能的浓度，只考虑了第2区域，即冷却管道存在和冷凝会发生的区域。Gambit是用于为CFD求解器创建网格的程序。

该二维模型包括9.8毫米的进口孔，蒸汽和空气从该孔进入，以及6.1毫米的出口孔，只有空气排出。还有23个冷却管道，根据海水的平均温度值，被视为固定壁温度。进口混合流体的规格是根据凝汽器的状态确定的，其与涡轮蒸汽排气压力和温度直接相等。

为了在Fluent软件中分析空冷器系统，需要创建一个网格结构。网格结构指定了FLUENT®分析模型的分辨率。因此，进行了网格独立性研究，以确保结果的准确性。显示了不同网格尺寸下空冷器冷却管道中混合气体温度变化的网格独立性。

在空冷器排气吸气管道安装了一个温度计，以控制温度的变化，图9显示了CFD方法和实际情况下的温度变化。显示了在不同季节中，空冷器第二区域的前两排冷却管道中蒸汽-空气混合物速度的CFD结果。同时，显示了第二区域末端到第三区域的排气温度变化，显示了空冷器降低混合物温度以提高排气器性能的能力。

四、空冷器在不同季节条件下的混合物流速和排气温度变化

在炎热季节，空冷器第二区域中对第一排冷却管道的混合物速度将增加，这可能是炎热季节导致管道破裂的主要原因。在炎热季节，空冷器第二区域的效率将降低，因为其降低空冷器排气温度的能力较低。

为了降低空冷器第二区域中管道破裂的风险，预测了两种优化的空冷器管道设计，首先降低了冷却管道的第一和第二排的混合物速度，其次降低了空冷器排气温度以提高排气器性能。

在这种设计中，区域2的进口部分将向后移动到区域1，并且进气孔的位置发生改变，以使进气流动集中在中央，通过这种设计，新模型的扩散形状有助于扩散进气流动，并且流向第一排的速度将减小。

在新的设计1中，冷却管道的第一排的混合物速度减少了28％，空冷器排气温度降低了1开尔文。在新的设计2中，空冷器管道的基本形状保持不变，但每个9.8毫米的进气孔变为跨越第二区域进气管宽度的两个7毫米孔。

在这种情况下，通过保持吸气孔面积不变，将混合流分为两个流，这些流在冷却管道中比以前更分散。新的设计2空冷器第二区域的速度轮廓。在新的设计2中，冷却管道的第一排的混合物速度减少了60％，空冷器排气温度降低了3开尔文。

结论

凝汽器空冷器中的两相流体混合物流动，还模拟了空冷器第二区域的冷凝过程。确定了导致管道破裂的临界条件，并表明在炎热季节中，通过增加海水冷却温度和提高涡轮排汽蒸汽压力和温度，导致了管道破裂的风险增加，因为蒸汽和空气混合物流向空冷器冷却管道的第一排的速度更高，这导致了管道破裂。

这种现象强调了混合物流向空冷器冷却管道的流速增加会导致管道脱锌和管道破裂。两种空冷器管道设计，结果表明通过修改空冷器管道和孔洞，管道破裂的风险显著降低。这只是通过降低混合物流向空冷器冷却管道的第一排的流速来实现的，另外这些修改的结果导致了空冷器排气温度的降低，并提高了排气器的性能。

参考文献

Lux, S.等人，“预测具有圆形管的冷凝换热器的性能。” 《化学工程科学》，第52卷，第7期，1997年，第1085-1092页。

Malalasekera, W.等人，“对冷凝锅炉换热器中传热和流动的CFD建模。” 《国际热科学杂志》，第45卷，第6期，2006年，第550-560页。

Valencia, L. “在非冷凝气体存在下的冷凝的CFD模拟。” 《国际热科学杂志》，第45卷，第6期，2006年，第545-549页。

Karkoszka, K.和Anglart, H. “在非冷凝气体存在下的冷凝的CFD建模。” 《国际传热与质量传递杂志》，第52卷，第15-16期，2009年，第3706-3715页。

Ambrosini, W.等人，“在垂直通道中的空气-蒸汽混合物的冷凝的数值模拟。” 《热与流体流动国际杂志》，第30卷，第4期，2009年，第691-700页。

,