電站凝汽器熱力性能數(shù)值仿真及其應(yīng)用

前言

凝汽器是凝汽式汽輪機的主要輔助設(shè)備，其熱力性能對汽輪機裝置運行的經(jīng)濟性和安全可靠性都具有重大的影響。隨著汽輪機單機容量的不斷提高，凝汽器的尺寸和質(zhì)量越來越大，而且伴隨著直流鍋爐和核動力裝置在電力工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展，對與之配套的電站凝汽器的性能提出了更高的要求。近30多年來，世界各國動力設(shè)備的研究與生產(chǎn)部門，廣泛而深入地開展了對凝汽器的研究工作，并取得了許多成果，將凝汽器的設(shè)計制造水平提高了一大步。電站凝汽器工程技術(shù)的核心在于管束設(shè)計和布置，優(yōu)化的管束結(jié)構(gòu)和布置將使凝汽器具有優(yōu)良的熱力性能，從而大大提高汽輪發(fā)電機組的經(jīng)濟性和安全可靠性。從1992年起，筆者開始從事凝汽器熱力性能數(shù)值模擬方面的研究工作，當(dāng)時國內(nèi)的電站凝汽器設(shè)計與制造單位基本上還處于測繪和仿制國外凝汽器的階段，凝汽器的管束設(shè)計和殼側(cè)空間布置在相當(dāng)大的程度上是憑經(jīng)驗進行的。多年來，筆者從加強工程適用性和改進計算精度等方面堅持推進凝汽器性能數(shù)值模擬的研究工作，并取得突破性進展。其間，筆者與自己當(dāng)年研究生時期的導(dǎo)師俞茂錚教授和姚秀平教授一起，將各個階段的凝汽器性能模擬研究成果在國內(nèi)企業(yè)推廣應(yīng)用，從而使國內(nèi)凝汽器工程設(shè)計人員逐步擺脫了基本依靠經(jīng)驗設(shè)計的狀況，顯著提高了凝汽器的設(shè)計技術(shù)水平，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。將凝汽器熱力性能仿真技術(shù)應(yīng)用于凝汽器的工程設(shè)計，有助于國內(nèi)凝汽器制造企業(yè)消化和吸收從國外引進的凝汽器技術(shù)，還可以對現(xiàn)有凝汽器產(chǎn)品進行技術(shù)改造，為凝汽器新產(chǎn)品的研制提供依據(jù)。同一時期，國內(nèi)各電站凝汽器設(shè)計生產(chǎn)廠家紛紛通過引進國外的大型電站凝汽器設(shè)計、制造和安裝技術(shù)來提升自身的產(chǎn)品等級，其產(chǎn)品和技術(shù)來源包括Foster Wheeler、Senior。TEI、KWU、B-D、ABB、Alstom，以及日立、東芝等公司，從而實現(xiàn)了國內(nèi)凝汽器產(chǎn)品的更新?lián)Q代。與汽輪機本體相比，作為給其配套的凝汽器，長期以來沒有得到人們應(yīng)有的重視。目前，國內(nèi)企業(yè)在凝汽器領(lǐng)域的科研與技術(shù)力量依然薄弱，與國外在凝汽器領(lǐng)域投入的研究資源和取得的成果相比，差距仍甚。為了促進我國電站凝汽器設(shè)備的技術(shù)進步，筆者謹盡自己綿薄之力，將自己在上海交通大學(xué)工作期間關(guān)于凝汽器性能數(shù)值模擬方面的多年研究成果編纂成稿，與國內(nèi)同行共享，旨在對國內(nèi)凝汽器工程設(shè)計和技術(shù)進步有所裨益。由于筆者水平以及時間上的原因，書中可能會存在不妥或錯誤之處，敬請智者勘誤指正。在此，對此書有過幫益的湖南省電力試驗研究院的朱曉星先生表示衷心感謝！

內(nèi)容概要

全書共分8章，第1章簡述凝汽器的任務(wù)，介紹凝汽器的常規(guī)工程設(shè)計方法；第2章全面介紹凝汽器性能的數(shù)值模擬方法，包括物理模型、數(shù)學(xué)方程組以及數(shù)學(xué)方程組的離散化和求解方法；第3章利用兩臺實驗?zāi)骱蛢膳_電站凝汽器的運行數(shù)據(jù)對凝汽器性能數(shù)值模擬方法進行考核，并討論了部分因素對數(shù)值模擬結(jié)果的影響；第4章介紹了對國內(nèi)外的一些不同類型凝汽器管束型式的數(shù)值模擬結(jié)果；第5章分析了凝汽器殼水側(cè)空間的布置對凝汽器性能的影響；第6章對凝汽器管側(cè)或殼側(cè)工作條件的變化導(dǎo)致凝汽器的工況性能的改變進行了數(shù)值模擬；第7章提供了四臺國內(nèi)電站凝汽器的技術(shù)改造案例，它們具有一定的代表意義和參考價值；第8章是筆者多年來對凝汽器性能研究工作的一些感悟。附錄簡要介紹了凝汽器熱力性能仿真軟件。    本書可供從事凝汽器設(shè)計、運行管理和熱力試驗工作的生產(chǎn)、技術(shù)人員閱讀和參考，也可供大專院校有關(guān)專業(yè)師生參考。

書籍目錄

`前言1  凝汽器作用和工程設(shè)計方法  1.1  凝汽器作用和性能要求  1.2  凝汽器管束布置基本原則  1.3  凝汽器工程熱力計算2  數(shù)值模擬方法  2.1  數(shù)值模擬方法發(fā)展歷程  2.2  多孔介質(zhì)物理模型  2.3  主要簡化和假設(shè)  2.4  控制方程組和補充關(guān)系式  2.5  邊界條件  2.6  微分方程離散化和求解過程3  數(shù)值方法考核  3.1  數(shù)值模型考核  3.2  影響計算結(jié)果因素討論4  各種類型管束熱力特性  4.1  帶狀管束  4.2  卵形管束  4.3  教堂窗型管束  4.4  山谷型管束  4.5  小型凝汽器管束  4.6  管束內(nèi)部蒸汽通道5  凝汽器殼水側(cè)空間結(jié)構(gòu)布置  5.1  主蒸汽通道設(shè)置  5.2  雙流程凝汽器的冷卻水流道布置  5.3  熱負器喉部結(jié)構(gòu)影響  5.4  凝汽器喉部結(jié)構(gòu)影響  5.5  凝汽器特性全三維數(shù)值模擬6  凝汽器變工況運行特性  6.1  殼側(cè)條件的影響  6.2  管側(cè)條件的影響  6.3  半負荷運行方式影響7  凝汽器改造  7.1  國產(chǎn)N200電站凝汽器  7.2  引進型N300電站凝汽器  7.3  寶鋼N350電站凝汽器  7.4  國產(chǎn)N-560-I型凝汽器8  結(jié)束語附錄  電站凝汽器熱力性能仿真軟件簡介參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：由冷凝管數(shù)和管長，參照工程設(shè)計經(jīng)驗，進行冷凝管的排列布置和總體外形尺寸設(shè)計。如結(jié)構(gòu)設(shè)計與電站布置和系統(tǒng)發(fā)生矛盾，可適當(dāng)調(diào)整管內(nèi)水速、管數(shù)和管長，或調(diào)整機組運行平臺高度和框架尺寸。進行凝汽器的詳細熱力計算，可以通過水模型試驗、凝汽器工業(yè)試驗、數(shù)值模擬、管束分區(qū)計算等方法進行凝汽器的詳細熱力計算，了解并掌握蒸汽在凝汽器殼側(cè)各區(qū)域的流動與傳熱特性。在此基礎(chǔ)上，進一步改善凝汽器內(nèi)管束的排列和布置，修正工程熱力計算結(jié)果。因此，凝汽器的熱力計算可以分三步進行：第一步，利用國家或行業(yè)標準或經(jīng)驗公式所推薦的總體傳熱系數(shù)公式進行熱力計算，確定所需要的凝汽器冷卻面積的大小，稱為工程熱力計算；第二步，根據(jù)工程熱力計算的結(jié)果初步設(shè)計出管束；第三步，經(jīng)過凝汽器的詳細熱力計算，對凝汽器的管束排列進行優(yōu)化。通過以上反復(fù)多次的試驗或計算，逐步得到較為合理的管束結(jié)構(gòu)和較為精確的計算結(jié)果。1.3.2傳熱系數(shù)的工程估算方法作為電站凝汽器的運行單位，電站希望在凝汽器投資（主要取決于凝汽器的傳熱面積）一定的情況下能達到較高的真空度和較小的凝結(jié)水過冷度，這樣可以讓汽輪機多發(fā)功率，提高汽輪機裝置運行的經(jīng)濟性和安全性；而凝汽器制造單位則希望在用戶給定的真空值下減小凝汽器傳熱面積，以便降低凝汽器制造成本。滿足這兩個方面的共同要求的唯一辦法是，設(shè)計和制造出性能優(yōu)良的凝汽器。要提高大型電站凝汽器性能，其關(guān)鍵在于，合理地布置冷卻管束，形成合理的凝汽器殼側(cè)蒸汽流場，減弱乃至消除局部渦流區(qū)和孤立的不凝結(jié)氣體聚集區(qū)，從而提高其傳熱系數(shù)，并減小殼側(cè)汽流阻力，降低凝結(jié)水過冷度和含氧量，獲得優(yōu)良的換熱效果。

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