引言

北方地區(qū)氣候變化大,冷卻塔填料老化嚴重,隨著冷卻塔填料破碎脫落,循環(huán)水中填料碎片變多,碎片垃圾進入凝汽器會堵塞換熱管,導(dǎo)致凝汽器換熱面積減少:碎片垃圾進入收球網(wǎng)區(qū)域,會貼敷在網(wǎng)板上,導(dǎo)致收球網(wǎng)的網(wǎng)板堵塞膠球,進而影響膠球系統(tǒng)的運行效果,影響凝汽器清潔度。如何保持凝汽器管束的清潔度是各火電廠非常關(guān)心的問題之一,因為小汽輪機是火力發(fā)電廠的重要輔機,而小機凝汽器是小汽輪機的重要設(shè)備,故凝汽器管束的清潔度對于小機的經(jīng)濟性及整個機組的安全穩(wěn)定運行有著至關(guān)重要的作用,對其進行改造可實現(xiàn)火電廠節(jié)能降耗,確保機組高效運行,從而實現(xiàn)集團公司的節(jié)能目標。

某廠在進行膠球系統(tǒng)管路優(yōu)化時,對存在問題的循環(huán)水濾網(wǎng)網(wǎng)板也進行了處理。網(wǎng)板的多項因素均對過濾效果存在影響,考慮到工期及成本,本工程不對濾網(wǎng)框架進行更換,因此需對濾網(wǎng)網(wǎng)板選型展開分析。網(wǎng)板有網(wǎng)絲板和沖孔板兩種常見形制,由于循環(huán)水水質(zhì)較差,存在片狀、絲狀等形態(tài)不同的雜物,因此采用的沖孔板多為圓孔交錯布置。

有限元分析是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬,利用簡單而又相互作用的單元,可以用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。它用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解,將求解域看成是由許多被稱為"有限元"的小的互連子域組成,對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解,然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件),從而得到問題的解。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解,而有限元不僅計算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包,具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法和強大的前后處理功能,在設(shè)計方面有著廣泛的應(yīng)用,凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。Fluent可用來模擬從不可緊縮到高度可緊縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采納了多種求解方式和多重加速收斂技術(shù),Fluent能達到最正確的收斂速度和求解精度。

1管路優(yōu)化

某廠某期兩臺機組小機膠球系統(tǒng)管路布置:A側(cè)小機凝汽器循環(huán)水膠球系統(tǒng)共有l(wèi)l個彎頭,B側(cè)小機凝汽器循環(huán)水膠球系統(tǒng)共有9個彎頭。小機凝汽器膠球系統(tǒng)膠球泵出口至收球室管道存在"幾"字型彎管段(以下簡稱"幾"字彎),高度為2000mm,運行時會產(chǎn)生局部阻力,影響膠球泵的出力,使得管路內(nèi)流體及其攜帶的膠球動能不足:小機A、B側(cè)裝球室至小機凝汽器循環(huán)水入口管道布置過高,A側(cè)投球管約高6000mm,B側(cè)投球管約高4500mm,與循環(huán)水出口收球管路3500mm存在高差。

針對膠球系統(tǒng)管路布置分析如下:

(l)A、B側(cè)膠球泵出口至裝球室入口處有"幾"字彎,高度為2000mm,長度l500mm,由于連續(xù)彎頭造成的局部阻力,膠球系統(tǒng)流場受到直接影響,流體壓力損失較為嚴重,進而會影響到其攜帶的膠球,使得膠球沒有足夠的動能進入循環(huán)水入口管路。

圖1為優(yōu)化前"幾"字彎處流體流動矢量圖,可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)彎頭中,流體運動方向局部變化劇烈,多個彎頭對流動影響較大。基于仿真模型對小機膠球流場進行分析,膠球泵出口至裝球室,揚程損失占小機膠球系統(tǒng)的37.20%。

圖1 優(yōu)化前流體流動矢量圖

(2)A側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置約高6000mm,B側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置約高4500mm,均會產(chǎn)生對循環(huán)水出口至膠球泵管路的高差,影響膠球循環(huán)。具體改造方案如下:取消A、B側(cè)膠球泵出口至裝球室入口處"幾"字彎,降低管路高度,將A側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置降低至3500mm,B側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)裝球室出口管道布置降低至3500mm,以減小膠球系統(tǒng)阻力,裝球室抬高200mm,如圖2所示。改造后A側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)將減少2個彎頭,B側(cè)小機凝汽器膠球系統(tǒng)將減少1個彎頭。

(3)圖3為優(yōu)化后原"幾"字彎處流體流動矢量圖,可以發(fā)現(xiàn)減少彎頭后,彎頭對流動影響明顯降低?；诜抡婺Ｐ蛯πC膠球流場進行分析,膠球泵出口至裝球室,揚程損失占小機膠球系統(tǒng)的14.83%。

2循環(huán)水二次濾網(wǎng)選型優(yōu)化

本文所述小機循環(huán)水系統(tǒng),在進行過空冷島尖峰改造后,循環(huán)水流速較大,由2.5m/s提升至2.8m/s,結(jié)合現(xiàn)場循環(huán)水管路及循環(huán)水池尺寸進行結(jié)構(gòu)計算后得出,網(wǎng)板處入口平均流速為0.8m/s。如圖4、圖5所示,基于solidworks建立500mmx500mm的網(wǎng)板局部平面模型,導(dǎo)入CFD軟件內(nèi)的Geometry模塊,其中網(wǎng)絲編織型網(wǎng)板的網(wǎng)絲直徑為2mm,網(wǎng)絲網(wǎng)孔尺寸為5mm×5mm:沖孔板圓孔直徑7mm,網(wǎng)孔交錯布置,間距為2mm。

如圖6、圖7所示,將所建模型在mesh模塊內(nèi)進行網(wǎng)格劃分,采取四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)量為21954506,在Fluent模塊內(nèi)進行邊界參數(shù)設(shè)置,流體模型計算采用8-ε湍流模型,入口速度邊界為0.8m/s,可得到流場各參數(shù)的計算結(jié)果。

圖8、圖9為兩種網(wǎng)板局部流線的分析結(jié)果。網(wǎng)絲板各孔道流體的流線分布均勻,網(wǎng)孔入口方向轉(zhuǎn)換平緩,流場內(nèi)除網(wǎng)孔處流體速度達到1.5m/m外,入口及出口均在1.0m/m以下,流體無較大的速度梯度,網(wǎng)板前后方均無較大的渦流或死區(qū):沖孔板流線分布相對雜亂,在網(wǎng)孔入口平面速度梯度大,入口處存在速度為0的點,網(wǎng)孔處最大速度達到了2.13m/m,網(wǎng)板前后存在大量局部速度漸變點,即存在數(shù)量較大的局部渦流,且網(wǎng)板后方存在較大的死區(qū)。從對流體中網(wǎng)孔處流線的分析來看,網(wǎng)絲板在流場中的效果遠優(yōu)于沖孔板。

圖10、圖11為兩種網(wǎng)板入口平面速度矢量分布,網(wǎng)絲板入口平面速度矢量成束分布,沿流體方向較為整齊,對網(wǎng)板后方流體有一定整流作用:沖孔板入口平面處速度矢量雜亂,每個網(wǎng)孔位置速度分布有明顯的分散,網(wǎng)板前方存在與速度方向垂直且速度為0的矢量,同時也證明了沖孔板前方存在相當(dāng)數(shù)量的局部渦流,對網(wǎng)板后方的流體流動影響較大,易形成局部渦旋,導(dǎo)致動能損失較大。從對網(wǎng)板入口流體速度矢量的分析來看,網(wǎng)絲板在流場中的效果遠優(yōu)于沖孔板。

結(jié)合流線與速度矢量的分析不難發(fā)現(xiàn),網(wǎng)絲板相對沖孔板有較好的表現(xiàn)。其原因是網(wǎng)板在流場中的截面不同,邊緣的曲率也就不同,流體對于網(wǎng)絲板局部為圓柱形擾流,對于沖孔板局部則為長方形擾流,邊界曲率不同造成了流體過網(wǎng)板時壓力梯度不同,故對流體邊界層分離的影響也不相同。

圖10 網(wǎng)絲板網(wǎng)孔入口平面速度矢量

圖11 沖孔板網(wǎng)孔入口平面速度矢量

目前流速下,從對流場影響的角度分析,網(wǎng)絲板全面優(yōu)于沖孔板,但不同形制的網(wǎng)板對流速變化的適應(yīng)性不同,需針對不同流速對兩種網(wǎng)板的影響進行分析。從安全性出發(fā),不同流速下網(wǎng)板的承壓是需考慮的最主要因素。

如表1及圖12所示,隨著流速的增加,兩種網(wǎng)板的承壓均呈逐漸增大的趨勢,但相同流速承壓的幅度與流速變化時網(wǎng)板承壓的變化幅度有著較大差別。網(wǎng)絲板在不同流速下承壓較小,且隨著流速的增加,網(wǎng)板承壓增加幅度較小,最大流速2.8m/m時為68lPa,且從流速2.67m/m至2.8m/m,網(wǎng)板平均承壓增加了190Pa:沖孔板承壓幅度較大,最大流速2.8m/m時為1194Pa,且從流速2.67m/m至2.8m/m,網(wǎng)板平均承壓增加了345Pa:從各流速的承壓及隨流速變化承壓的變化速度來看,網(wǎng)絲板的運行安全性遠優(yōu)于沖孔板。

同時考慮到結(jié)構(gòu)影響,循環(huán)水相同流速、同面積下,網(wǎng)絲板承壓較沖孔板小39%,網(wǎng)絲板的編織結(jié)構(gòu)特性使得其在交變應(yīng)力下可以進行應(yīng)力釋放,且由于圓柱形編織結(jié)構(gòu),網(wǎng)絲板即使出現(xiàn)破損,也大多僅局限在局部。

沖孔板在工程上工藝簡單,成本較網(wǎng)絲板低,過流面積較網(wǎng)絲板大5.76%,且其板面平整光滑,垃圾易于分離,不掛絲、不纏絲:但其對交變應(yīng)力的抗性差,易出現(xiàn)破損,且出現(xiàn)破損時容易導(dǎo)致較大范圍的破裂。綜上所述,在流場的流體特性、網(wǎng)板的承壓方面,網(wǎng)絲板均優(yōu)于沖孔板。

3結(jié)語

本文所采用的仿真分析方法,可在現(xiàn)場試驗條件受限的情況下,結(jié)合仿真建模的方式對膠球系統(tǒng)收球管路及循環(huán)水濾網(wǎng)網(wǎng)板進行輔助計算,并可對多種方案進行比較分析,對解決實際問題有幫助,在實際的工程實施中可起到一定的借鑒作用。