引言凝汽器是火电机组冷端最重要的设备之一，凝汽器性能优劣直接影响机组背压，背压对机组煤耗影响较大，因此，凝汽器性能直接影响整个火电机组的经济性[1-2]。除了直接空冷火电机组，凝汽器多为管壳式的间壁式换热器，管内走水管外走蒸汽，为了增大换热面积，凝汽器的管束数量巨大，与凝汽器整体尺寸相比管道尺寸较小，使用时间过长或水质过差，会导致管束发生堵塞现象，影响换热面积和换热效率。因此，凝汽器一般设有胶球清洗系统，保证管道内清洁。但在实际使用中，由于管束布置不合理或胶球清洗系统设备劣化等，会产生胶球收球率不高的现象，管束侧的胶球堵塞现象主要是因为管束内水流速过低[3-4]。某电厂二期2台330 MW湿冷火电机组凝汽器都进行过管束布置改造，改造形式不同，其中1台收球率偏低，通过现场检查无法得知原因。采用数值计算的方法对凝汽器水侧流场进行模拟，分析模拟结果确定流速薄弱区域，针对性提出改造和优化方案。1物理模型某电厂二期凝汽器已进行过一次改造，原管束形式为法国Alsthom公司的将军帽型布管，新的备选布管形式有德国Balcke-Durr公司的双山型布管、仿生双连树型布管。凝汽器管束布置形式如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.F001图1凝汽器管束布置形式通过数值模拟分析对3种布管形式进行对比，得到将军帽型布管管束传热效果不佳，达不到美国传热协会(HEI)的表面式凝汽器标准，与仿生双连树型布管差距为1.4 kPa。最终选择仿生双连树型布管形式作为选择方案，但二期2台机组由不同的公司进行改造施工，在仿生双连树型布管形式基础上进行了修改，最终造成2台机凝汽器管束布置方式不同。为了对比分析2台机凝汽器水侧流动性能区别，通过三维建模软件对2台机水侧部分建立三维模型，但由于管束尺寸只有Ф19 mm，凝汽器整体尺寸达到10 m数量级，是典型的多尺度问题，如果建立准确的三维模型会导致网格数量巨大，造成模拟计算无法进行。为了得到对比结果，管束区域只建立管束外轮廓，管束区域内采用多孔介质模型处理[5-8]，这种方法已被许多研究者证实有效且计算结果满足工程精度。N-18252型号凝汽器设计参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.T001表1凝汽器设计参数项目数值项目数值循环水流量/（t/h）40 564循环水温度/℃20冷却管内流速/（m/s）1.8 m/s冷却管外径/mm19冷却管有效长度/mm12 330冷却管总数量/根24 800凝汽器冷却面积/m218 252具体三维模型如图2所示。图2三维模型10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.F2a1（a）3号机管束布置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.F2a2（b）4号机管束布置10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.F2a3（c）凝汽器水侧整体外观单台机组的整个凝汽器有两组相同的图示结构，因此模拟计算只取一个。2计算方法采用流体动力学计算方法，控制方程形式如下。连续性方程：∂ux∂x+∂uy∂y+∂uz∂z=0 (1)式中：u——速度；x、y、z——笛卡尔坐标系的3个方向。动量方程组：ux∂ui∂x+uy∂ui∂y+uz∂ui∂z=-1ρ∂P∂xi+ν∂2ui∂x2+∂2ui∂y2+∂2ui∂z2 (2)式中：ρ——密度；P——压力；ν——黏度。能量方程：ux∂t∂x+uy∂t∂y+uz∂t∂z=α∂2t∂x2+∂2t∂y2+∂2t∂z2 (3)式中：t——温度；α——导热系数。湍流方程采用的RNG k-ε方程：∂∂tρk+∂∂xiρkui=∂∂xiαkueff∂k∂xi+Gk+Gb-ρε-YM+Sk (4)∂∂tρε+∂∂xiρεui=∂∂xjαεueff∂ε∂xj+C1εεkGk+C3εGb-C2ερε2k-Rε+Sε (5)式中：Gb——由浮力而产生的湍流动能；YM——由于在可压缩湍流中过渡的扩散产生的波动；Gk——层流速度梯度而产生的湍流动能；C1、C2、C3——常量；αk、αε——k方程和ε方程的湍流普朗特数；Sk和Sε——用户定义的源相。管束区域采用多孔介质模型，此模型在原有的动量方程中增加了附加的动量损失，计算通过多孔介质区域的流体能量损失。在不损失精度的条件下，大幅度减少计算量，为工程应用提供可靠的技术支持。Si=∑j=13Dijμvj+∑j=13Cij12ρvjvj (6)式中：Si——笛卡尔坐标系中i方向动量源相；Dij、Cij——规定的矩阵；vj——液体的流速，m/s；μ——液体的动力黏度，Pa·s；ρ——流体密度，kg/m3。简单均匀的多孔介质，式(6)可简化为：Si=-(μαvj+C212ρvjvj) (7)式中：α——渗透系数；C2——内部阻力系数。压降和动量源相的关系为：Δp=-SiΔn (8)式中：Δn——多孔介质区域真实厚度，m。由厂家给出的凝汽器管束区域水阻特性，通过式(7)、式(8)可以得到内部阻力系数C2和黏性损失系数1α，代入多孔介质模型即可。本文模型为多尺度模型，模型结构复杂，因此采用非结构化的四面体网格对整个模型进行划分。经网格无关性验证，3号机选9 466 897个网格、4号机选7 919 454个网格进行计算。3计算结果分析3.1两机流场对比凝汽器管束入口流速是流体进入管束区域的初始流速，此截面上的流速代表了流体能够携带胶球的最大能量。最理想的状况是各个部位的流速能均匀一致，达到设计值，不会出现局部的低速区域，低速区域会导致胶球在此处堆积，影响收球率。3号机和4号机入口管束分布具有较大差别，流体流速很低的区域主要存在流域的内外边界处，被冲到这种位置的胶球由于流体动力不足容易在管束中发生堵塞。锯齿形边界设计能够减少低流速区域，直线形边界对流速削弱作用严重。2台机组管束入口上下边界处均为直线形边界，因此低速区域主要分布在上下边界处。管束入口面的速度分布决定了其后的流场形态，如果要设置导流装置，应设置在凝汽器入口至管束入口之间的区域内。截面速度标准差代表此截面速度分布均匀程度，数字越小越均匀。管束入口面4号机均匀度优于3号机；管束出口面3号机优于4号机，但程度很小；凝汽器出口面4号机速度均匀度优于3号机。总体来说，4号机的管束布置方式能够使流体在整个流动区域内速度分布更均匀。在实际使用中，4号机的收球率比3号机收球率高，说明管束入口速度的均匀度对凝汽器收球率至关重要。凝汽器不同位置的速度标准差如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.T002表2凝汽器不同位置的速度标准差凝汽器位置3号机4号机管束入口面截面速度标准差0.062 50.054 5管束出口面截面速度标准差0.011 60.015 5凝汽器出口速度标准差0.556 10.482 4m/s3.2结构优化后流场分析3号机加导流后的模型如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.08.004.F003图33号机加导流后的模型对于既定的管束布置，更改管束布置优化流场已不现实，为了改善3号机凝汽器胶球系统的收球率，可以通过增加导流装置，提高凝汽器入口面的速度分布均匀度。流速较低的区域主要集中在管束区域的上边缘处，因此，根据凝汽器入口水室的结构，增加图3中的导流板进行模拟计算。低速部位主要出现在距离凝汽器水室入口管道较远的上侧管束区，因此，导流结构主要用来增加上部水量和水流速，导流结构为弧形板片，厚度10 mm，位于入口水室上部。在3号机凝汽器原本结构中加入导流板后，管束入口面截面速度标准差由0.062 5 m/s降低至0.046 8 m/s，管束出口截面速度标准差和凝汽器出口速度标准差基本和原结构一致，因此，加入导流结构能够使原结构流场更均匀，提高管束的利用效率，降低堵球的概率。4结语（1）凝汽器管束布置形式对凝汽器的换热效率、胶球收球率至关重要，同样是仿生双连树型的布管方式，细微的差别也会导致管束入口流速分布不同，造成不同的运行效果。（2）管束入口截面速度标准差表示入管束时的流体速度分布均匀程度，通过模拟对比，某电厂4号机布管方式优于3号机布管方式。在实际使用中，在胶球设备状况区别较小的情况下，3号机收球率低于4号机。（3）为了改善3号机速度分布，根据3号凝汽器结构装设导流结构。对比模拟结果发现，装设导流板的凝汽器比原凝汽器管束入口面截面速度标准差大幅度降低，说明导流板能够起到均匀流速的作用，降低堵球概率。