凝汽器机组水侧胶球清洗装置系统优化改造说明？
凝汽器机组水侧胶球清洗装置系统优化改造说明？为提高火电机组的热经济性，降低冷端损失，利用FLUENT数值模拟软件，对某600MW机组凝汽器进行数值模拟，根据模拟结果发现凝汽器入口水室内出现胶球集聚打旋现象。对于传统胶球清洗系统存在的问题，提出对凝汽器胶球清洗的方式进行优化，利用可移动的胶球清洗装置，在凝汽器入口水室内靠近端孔板平面处精确投球，将胶球直接打入冷却水管，避免了因入口水室结构因素影响凝汽器冷却管清洗效果。结果表明，凝汽器清洗得更加均匀、彻底，改造后的凝汽器胶球清洗装置能满足清洗冷却管的要求。
电站冷端设备对机组的高效经济运行有重要影响。凝汽器长期运行后，其冷却管内壁会形成污垢，严重时会堵塞管道，致使汽水换热效果变差，影响机组热经济性。目前，电站凝汽器普遍采用凝汽器胶球清洗装置来清洁冷却管。但由于凝汽器入口水室结构原因，在入口水室内会形成涡流区域，胶球将在该区域集聚打旋，这将导致胶球分布不均匀，管道清洗不彻底，严重时可能会影响凝汽器真空度，进而影响整个机组的热经济性。对该部分进行优化改造，对于提高机组的热经济性有重要意义。
目前，随着计算机硬件性能的发展，许多研究者采用计算机数值模拟的方式来研究凝汽器的汽侧和水侧流动特性，采用多孔介质模型对凝汽器进行数值模拟，将数值模拟计算的水阻和实验结果比较，为动力装置冷却水系统整体的数值模拟提供参考。对于凝汽器胶球分布不均匀，清洗不彻底的现象，研究者提出了不同的解决方案。提出在凝汽器入口水室内部加装导流板和凸起扣板，并且比较了改造前后的传热性能，发现改造后的传热性能优于改造前;采用自旋转均布投球、旋转自清洁固定二次滤网和收球网、胶球自动计数等新技术进行改造，机组真空提高，节能经济效益明显。上述研究提出了精确投球的概念，笔者以某600MW机组凝汽器为研究对象，应用FLUENT软件进行数值模拟，提出采用胶球清洗装置将胶球直接打入冷却水管，与传统清洗方式相比，改造后的胶球清洗装置能达到清洗效果，对管道清洗得更均匀彻底。
1模型及计算方法
1.1几何模型和网格划分
研究对象为某600MW机组凝汽器，型号为N－38000-4型，该凝汽器为双壳体、单流程、双背压表面式凝汽器，有两个斜喉部、两个壳体(包括热井、水室，回热管系)。凝汽器外表1N－38000－4型凝汽器技术参数
冷却面积，m2 循环水量，m3/h 冷却管尺寸，mm 冷却水设计压力，MPa 设计背压，kPa 运行质量，t 水侧阻力，kPa 冷却水设计温度，℃ 38000 71748 φ25×0.7 0.5 5.2 1485 ≤75 21.7
壳底部设有循环水连通管，冷却管材质为TP316L不锈钢。在研究该问题时，由于凝汽器结构对称，为简化研究问题，仅取低压侧作为研究对象。该凝汽器技术参数见表1。
凝汽器低压侧壳体内有4组管束，管束下部设有空冷区。端管板为不锈钢复合板，冷却管两端采用胀接和焊接的方式固定在端管板上，端管板与壳体采用焊接的方式固定成一个整体。凝汽器模型如图1所示。
图1N－38000－4型凝汽器模型
在计算时使用ANSYSFLUENT对其进行流场求解，求解前对几何模型进行网格划分。求解模型主要分为循环水进口水管、入口水室、管束区域、出口水室和出口水管等5部分。整体上采用四面体非结构化网格划分，并对入口水室和近管板区域进行局部加密，如图2所示。
图2凝汽器模型网格划分
1.2多孔介质模型
在计算管组的流动时，由于冷却管数量众多，计算时硬件开销大，在数值计算时一般使用ANSYSFLUENT提供的多孔介质模型。在该模型中，将管组流动区域看成是多孔介质，这种结构是将计算区域看成由固相颗粒和孔隙共同组成，其中孔隙的空间由流经多孔介质的流体占据。
在多孔介质模型中，通过定义相关参数得到流体通过该多孔介质区域的压降。多孔介质在数值计算时，其实质是在动量方程中添加一动量源项，以此来模拟多孔介质对流体的作用。源项由两部分组成:一个为黏性损失项，即方程(1)右端一项，另一个为惯性损失项，即方程(1)右端二项:Si=－(Dijμνj+Cijρνmaxνj)(1)式中，Si是i方向(x、y或z)流体动量方程中的源项;D和C是给定的矩阵。
该源项起到的作用是在多孔介质单元上产生一个正比于流体速度的压力降。在结构简单、分布均匀的多孔介质中，可以使用简化以后的动量方程进行模拟计算。方程如下:νi+C2ρνmaxνi)式中，α为多孔介质的渗透性;C2是惯性阻力因子，其意义是沿着流体流动方向上单位长度的损失系数。
多孔介质中的压降与动量损失源项的关系为:Δp=－SiΔn(3)通过式(2)、式(3)可以计算出多孔介质内部惯性阻力系数和黏性系数，将计算得到的两组阻力系数添加到FLUENT多孔介质区域中，就可以实现对物理模型的简化处理。
1.3离散项模型
求解多相流问题一般采用双欧拉方法和欧拉－拉格朗日方法，其中离散相模型(DPM)就是欧拉－朗格朗日方法中的一种特例，该模型忽视了离散相之间的相互作用和颗粒体积分数对连续相的影响。
FLUENT可以实现离散相和连续相的双相耦合。在求解离散相运动轨迹的同时，离散相在运动过程中热量、动量和质量的损失均会同步计算出来，并及时反馈给连续相，连续相与离散相进行相互作用。此时连续相的运动状态能够影响离散相的运动，而离散相的运动也能够同时影响到连续相，通过反复计算两相的各种控制方程，终收敛。
1.4湍流模型
数值计算时采用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为单位质量流体的湍流脉动动能;ε为耗散率;Gk为由于层流速度梯度产生的湍流动能;xj表示坐标轴j(j=x，y，z)方向上的微元距离;经验系数Cμ=0.99、Cε1=1.44、Cε2=1.92、σk=1.0、σε=1.3。
2胶球清洗系统改造方案
在传统凝汽器胶球清洗装置的基础上，在凝汽器前水室孔板处加装凝汽器胶球清洗装置，设置投球管道连接至胶球清洗装置，使得投球系统和循环水系统分离开，在凝汽器前水室孔板加装丝杠架，利用外部电机驱动丝杠转动，带动滑动槽和胶球清洗装置在内部孔板往复移动，将胶球精确地射入凝汽器冷却管中，避免了胶球在入口水室内的积聚造成收球率不高的问题。图3为凝汽器前水室改造部分示意图。
3流场模拟及结果分析
3.1胶球在流场中的轨迹
从图4可以看出，在传统凝汽器水室内部产生了大量旋涡，这些旋涡主要分布在进口水室的上部和下部，这些旋涡区域速度很低，不利于胶球进入凝汽器冷却管。目前电厂所使用胶球的湿态密度跟冷却水基本一致，因此，在实际运行中，胶球会跟随冷却水在水室的上部和下部旋转、停留，导致胶球不能够及时进入到冷却管道，甚至聚集在水室内部，进一步导致传统凝汽器胶球清洗装置系统的清洗效果下降。
图4凝汽器入口水室的流动迹线图
3.2胶球清洗装置优化模拟
为了避免胶球在进口水室中积聚，降低清洗效果，在凝汽器进水孔板加装精确胶球清洗装置，使得凝汽器冷却水循环系统和凝汽器胶球清洗系统分离开。为了选取合适的胶球清洗装置，采用不同形状的胶球清洗装置进行数值模拟，共有A、B、C3种胶球清洗装置，其外形特点各异。对于这3种胶球清洗装置，由于出口面积不同，为了达到将胶球打入冷却管的目的，选取不同的流速以适应泵的流量参数。
图5所示为A型胶球清洗装置模型图，图6为A型胶球清洗装置流动迹线图。
由图6可见，当胶球清洗装置的入口设置在垂直于孔板方向时，在入口处流体流动速度较快，胶球能平稳快速地通过胶球清洗装置进入到凝汽器管组中，但其余部分成涡严重，将导致胶球在此处聚集打旋。由此可见，将胶球垂直于图6A型胶球清洗装置流动迹线图端孔板平面打入管组效果较好，且应该选择合适的通流面积和结构。因此，设计了B种胶球清洗装置，如图7所示。
图7B型胶球清洗装置模型图
图8为B型胶球清洗装置流动迹线图。
由图8可以看出，导流通道对胶球通过胶球清洗装置有一定作用，但由于在入口处通流面积突然扩大，在管道内流动的湍流度增加，胶球将增加在其内集聚的可能。从图8还能看出，胶球清洗装置中心的导流通道速度较高，但周围6个导流通道速度较低，这可能会导致在胶球出口处形成横向流动，阻碍胶球快速通过胶球清洗装置。
图8B型胶球清洗装置流动迹线图
图9所示为C型胶球清洗装置模型图，图10为C型胶球清洗装置流动迹线图。
由图10可以看出，流体通过C型胶球清洗装置时，通过速度比较快，流动比较平稳，利于胶球快速通过投球图10C型胶球清洗装置流动迹线图装置进入冷却管，投球效果比较好。
3.3改造后的运行分析
对于改进后的胶球清洗装置，它能在20min内沿端孔板平面移动1次，每次释放在每根管子中的胶球数量为2个～4个，在1h内可循环3次，管道中每根管子每小时能进入的胶球数量为6个～12个，对于凝汽器冷却管道，这种频率能防止管道内部结垢或污物堵塞。
对于采用普通投球方式的机组，按照运行机制，一天投运两次，每次投球1.5h，收球1h，投球数量为单侧冷却管数目的10%，取每分钟平均循环速率为99%计算，假设胶球平均分布在胶球管道内，则1h内每根管道平均可通过6个胶球。实际上，由于采用普通投球方式，胶球并不能均匀地进入管道，致使靠近中间部分的管组清洗次数远高于在入口水室边缘的管组。当采用新型凝汽器胶球清洗装置时，由于胶球清洗装置可在靠近端孔板平面内来回移动，使得对于管组的投球更加均匀，管道结垢和堵塞的现象会大大减少。
3.4阻力特性分析
凝汽器水阻是凝汽器冷却水在水侧流动的阻力，一般由凝汽器冷却管水阻、凝汽器水室及管端水阻组成。对于数值计算模型，设置不同的进口流速能得到不同的水阻，将其与凝汽器设计时测得的实验数据进行比较，凝汽器水阻的大差值为9.2%，计算结果和设计结果差异较小，模型选用适当。
4结论
(1)采用FLUENT数值模拟软件对传统的凝汽器胶球清洗装置进行模拟，发现凝汽器入口水室内部由于结构原因出现胶球集聚打旋现象，不利于管道清洗。
(2)针对上述情况，对凝汽器胶球清洗装置进行改造，对3种胶球清洗装置进行比较研究，对于提出的3种胶球清洗装置，圆柱形装置投球效果好，利于胶球快速通过胶球清洗装置进入冷却管。
(3)对于改造后的胶球清洗装置系统，其清洗速度和频率能保证凝汽器冷却管道的清洗，而且其清洗均匀性优于传统清洗方式，对管道清洗更加全面、彻底。
