凝汽器機組水側膠球清洗裝置系統優化改造說明？

    凝汽器機組水側膠球清洗裝置系統優化改造說明？為提高火電機組的熱經濟性，降低冷端損失，利用FLUENT數值模擬軟件，對某600MW機組凝汽器進行數值模擬，根據模擬結果發現凝汽器入口水室內出現膠球集聚打旋現象。對于傳統膠球清洗系統存在的問題，提出對凝汽器膠球清洗的方式進行優化，利用可移動的膠球清洗裝置，在凝汽器入口水室內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構因素影響凝汽器冷卻管清洗效果。結果表明，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。

    電站冷端設備對機組的高效經濟運行有重要影響。凝汽器長期運行后，其冷卻管內壁會形成污垢，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構原因，在入口水室內會形成渦流區域，膠球將在該區域集聚打旋，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濟性。對該部分進行優化改造，對于提高機組的熱經濟性有重要意義。

    目前，隨著計算機硬件性能的發展，許多研究者采用計算機數值模擬的方式來研究凝汽器的汽側和水側流動特性，采用多孔介質模型對凝汽器進行數值模擬，將數值模擬計算的水阻和實驗結果比較，為動力裝置冷卻水系統整體的數值模擬提供參考。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，發現改造后的傳熱性能優于改造前;采用自旋轉均布投球、旋轉自清潔固定二次濾網和收球網、膠球自動計數等新技術進行改造，機組真空提高，節能經濟效益明顯。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，應用FLUENT軟件進行數值模擬，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型凝汽器技術參數

冷卻面積，m2 循環水量，m3/h 冷卻管尺寸，mm 冷卻水設計壓力，MPa 設計背壓，kPa 運行質量，t 水側阻力，kPa 冷卻水設計溫度，℃ 38000 71748 φ25×0.7 0.5 5.2 1485 ≤75 21.7

    殼底部設有循環水連通管，冷卻管材質為TP316L不銹鋼。在研究該問題時，由于凝汽器結構對稱，為簡化研究問題，僅取低壓側作為研究對象。該凝汽器技術參數見表1。

    凝汽器低壓側殼體內有4組管束，管束下部設有空冷區。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格劃分。求解模型主要分為循環水進口水管、入口水室、管束區域、出口水室和出口水管等5部分。整體上采用四面體非結構化網格劃分，并對入口水室和近管板區域進行局部加密，如圖2所示。

圖2凝汽器模型網格劃分

1.2多孔介質模型

    在計算管組的流動時，由于冷卻管數量眾多，計算時硬件開銷大，在數值計算時一般使用ANSYSFLUENT提供的多孔介質模型。在該模型中，將管組流動區域看成是多孔介質，這種結構是將計算區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多孔介質的流體占據。

    在多孔介質模型中，通過定義相關參數得到流體通過該多孔介質區域的壓降。多孔介質在數值計算時，其實質是在動量方程中添加一動量源項，以此來模擬多孔介質對流體的作用。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單元上產生一個正比于流體速度的壓力降。在結構簡單、分布均勻的多孔介質中，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。

    多孔介質中的壓降與動量損失源項的關系為:Δp=－SiΔn(3)通過式(2)、式(3)可以計算出多孔介質內部慣性阻力系數和黏性系數，將計算得到的兩組阻力系數添加到FLUENT多孔介質區域中，就可以實現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對連續相的影響。

    FLUENT可以實現離散相和連續相的雙相耦合。在求解離散相運動軌跡的同時，離散相在運動過程中熱量、動量和質量的損失均會同步計算出來，并及時反饋給連續相，連續相與離散相進行相互作用。此時連續相的運動狀態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;經驗系數Cμ=0.99、Cε1=1.44、Cε2=1.92、σk=1.0、σε=1.3。

2膠球清洗系統改造方案

    在傳統凝汽器膠球清洗裝置的基礎上，在凝汽器前水室孔板處加裝凝汽器膠球清洗裝置，設置投球管道連接至膠球清洗裝置，使得投球系統和循環水系統分離開，在凝汽器前水室孔板加裝絲杠架，利用外部電機驅動絲杠轉動，帶動滑動槽和膠球清洗裝置在內部孔板往復移動，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流場模擬及結果分析

3.1膠球在流場中的軌跡

    從圖4可以看出，在傳統凝汽器水室內部產生了大量旋渦，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、停留，導致膠球不能夠及時進入到冷卻管道，甚至聚集在水室內部，進一步導致傳統凝汽器膠球清洗裝置系統的清洗效果下降。

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系統和凝汽器膠球清洗系統分離開。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泵的流量參數。

    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，且應該選擇合適的通流面積和結構。因此，設計了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，在管道內流動的湍流度增加，膠球將增加在其內集聚的可能。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，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內沿端孔板平面移動1次，每次釋放在每根管子中的膠球數量為2個～4個，在1h內可循環3次，管道中每根管子每小時能進入的膠球數量為6個～12個，對于凝汽器冷卻管道，這種頻率能防止管道內部結垢或污物堵塞。

    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，投球數量為單側冷卻管數目的10%，取每分鐘平均循環速率為99%計算，假設膠球平均分布在膠球管道內，則1h內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來回移動，使得對于管組的投球更加均勻，管道結垢和堵塞的現象會大大減少。

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。對于數值計算模型，設置不同的進口流速能得到不同的水阻，將其與凝汽器設計時測得的實驗數據進行比較，凝汽器水阻的大差值為9.2%，計算結果和設計結果差異較小，模型選用適當。

4結論

    (1)采用FLUENT數值模擬軟件對傳統的凝汽器膠球清洗裝置進行模擬，發現凝汽器入口水室內部由于結構原因出現膠球集聚打旋現象，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，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于傳統清洗方式，對管道清洗更加全面、徹底。