凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟_李勇
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2 计算模型及计算方法
2.1 计算网格划分 采用 Gambit 网格划分软件分别对加装井字型、 冲孔型二次滤网的管道进行了网格划分，如图 3 所 示。计算网格数量对计算结果产生较大的影响，网 格数量越多，计算结果越接近真实情况，但对计算 时间和计算机内存的要求也越高。同时，也考虑到 当网格数量达到一定数量时，再增加网格数量，对 计算结果的准确性改善并不明显。本文所划分的网 格数分别为 926548 和 2571293， 网格质量均在 0.7 以上，从而即保证了计算的精度，又确保了计算的 正常进行。另外，为了消除进出口外流场对管内流
1,2,3， 代表直角坐标系下 3 个坐标方向的动量方程。
湍动能方程：
(a) 冲孔型二次滤网
k ( k ) ( kui ) [( t ) ] Gk (3) k x j t xi x j
式中：k 为流体流动的湍动能，m2/s2； k1.0 为湍
中图分类号：TK 264
文献标志码：A
凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟
李勇 1，李立言 1，曹丽华 1，程朝卿 2
(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．北京中电绿波有限公司，北京市 海淀区 100081)
Numerical Study on Rectification Characteristics of Condenser Circulating Water Secondary Filter
图2 Fig. 2
井字型二次滤网组装结构示意图
场的影响，分别在二次滤网的进出口增加了延长段 4000mm。
Assembly drawings of well-shape secondary filter
增刊
李勇等：凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟
139
中广义源项的分量；角标 i 为张量自由指标，i
基金项目：吉林省科技发展计划项目(20080523)。 The Jilin Provincial Science and Technology Plan Program(20080523).
高，具有一定的指导意义。 关键词：循环水二次滤网；数值分析；通流倍率；均匀性； 阻力
0 引言
为了防止凝汽器循环水中的杂质进入凝汽器， 改善循环水的质量问题，各个火电厂普遍采用循环 水二次滤网来去除杂质，以提高凝汽器的换热效 但加装二次滤网之后， 必然会对循环水流场 率[1-3]。 因 产生一定的阻力， 从而增加循环水泵的功耗[4-5]。 此，对于优化二次滤网工作性能的研究已成为国内 外学者主要的工作之一。 文献[6]对堵箱旋转反冲洗 型二次滤网通过加装 O 型环、延长冲洗时间、压差 补偿等改进措施防止了二次滤网频繁漏水和维修 工作量大的缺点，为核电厂重要厂用水系统的正常 运行提供了保障。 文献[7]分析通过对某堵箱排污型 二次滤网的结构和工作原理的分析，通过实验总结 出该二次滤网具有一定的可靠、安全性，并且水阻 有一定的降低。 文献[8]对某种堵箱旋转反冲洗型二 次滤网进行了经济指标的计算，得出在加二次滤网 之后，排污效果、水阻以及排污水量方面都有一定 的改进。 但是，现有的循环水二次滤网的研究主要是通 过定性分析和试验，研究二次滤网的阻力、排污效 果以及其运行可靠性，而在二次滤网对于循环水的 整流作用方面的研究比较少。实际上，一个完善的 循环水二次滤网，不仅应该具有较强的循环水过滤
1 二次滤网的实际几何结构及简化模型
1.1 实际几何结构 本文基于 PRO.E 绘图软件绘制出某火电厂实 际运行的冲孔型二次滤网，其装配图如图 1 所示。
图1
冲孔型二次滤网组装结构示意图 Fig. 1 Assembly drawings of
punching-shape secondary filter
138
中
国
电
机
工
程
学
报
第 31 卷
功能，而且还应该起到对循环水的整流作用，以便 提高凝汽器循环水入口循环水流场的均匀性，提高 凝汽器真空。 本文采用 FLUENT 6.3 数值模拟软件， 首先对加装传统的冲孔型二次滤网后，凝汽器循环 水入口水室进口流场进行了直观、 定量分析。 然后， 针对传统的冲孔型二次滤网存在的问题，提出了一 种新型井字型二次滤网，并对 2 种二次滤网影响下 入口水室前流场分布进行了分析和比较，所做工作 对于改善二次滤网后循环水流场的均匀性具有一 定的参考价值。
为了便于与冲孔型二次滤网工作运行性能作 比较，本文取井字型二次滤网通流倍率等于冲孔型 二次滤网，网条间距为 10mm10mm，二次滤网 厚度为 25mm。其他结构和参数与采用冲孔型二次 滤网时相同。 1.2 简化几何模型 在对实际模型的网格划分中，滤网网孔尺寸相 对于循环水管道尺寸而言太小，若计算网格尺寸太 大，容易产生畸形网格，影响计算精度并导致计算 不收敛。若计算网格尺寸太小，总网格数量巨大， 即便使用并行计算也难以实现。因此，必须对计算 模型进行简化。 文献[9]将某滤网简化为多孔介质模 型，此假设可以合理地降低计算网格的数量，但是 并不能考虑不同滤网网孔几何结构对流动的影响。 这里，参照文献[10]的处理方法，将滤网总的通流 面积保证不变，扩大单个网孔直径，以减少网孔数 量，从而合理地减少计算网格数量。 在简化的几何模型中，取单个冲孔直径为 为了使井字型二次滤网有可比性， 保证单个 56mm， 井字型网孔面积等于单个冲孔型网孔面积，因此， 取井字型二次滤网单个网孔通流尺寸为 50mm 50mm。 据文献[10]报道，由于网孔孔径变大，网孔数 量减少，将使得计算的流阻比实际结构小，流场的 均匀性比实际结构差一些。因此实际的压力损失比 数值模拟的结果大，但对于流场特性和损失机制的 定性研究影响不大。
度； Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生 项，J；为湍流耗散率，m2/s3。 湍流耗散率方程：
2.2
边界条件 进口边界取速度入口，大小为 2.26m/s，水流
( ) ( ui ) [( t ) ] t xi x j x j
C1 Eij C2 2
k v
动的雷诺数为 3.14106。出口边界选压力出口，计 算迭代残差控制在 106 以内。 2.3 控制方程 当循环水流速从 1~3m/s 变化时，雷诺数的变 化范围是 1.4106~4.2106。根据流体力学，管内 流动湍流状态判别范围是雷诺数大于 4000。因此， 湍流模型始终适用。 本文采用双方程 Realizable k- 湍流模型[11]，利用有限体积法[12]进行方程离散，采 用分离隐式求解器进行计算，离散方程均采用二阶 迎风格式，并利用传统的 SIMPLE 算法进行压力速度迭代。既减少了 90弯管处产生的二次流和滤 网前后产生的剪切流现象所造成的计算误差 保证了求解精度和计算速度。 这里，为了简化控制方程的数量和形式，采用 张量形式 如下。 连续性方程：
(b) 井字型二次滤网
动能对应的普朗特数； t0.09kg/(ms) 为湍动黏
图3 Fig. 3
冲孔型二次滤网与井字型二次滤网网格示意图 Mesh scheme of punching-shape secondary filter and well-shape secondary filter
LI Yong1, LI Liyan1, CAO Lihua1, CHENG Chaoqing2
(1. Institute for Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Zhong Dian Lv Bo Company of Beijing, Haidian District, Beijing 100081, China) ABSTRACT: The circulating water secondary filter of condenser affects not only the purity of the circulating water, but also the uniformity of inlet chamber’s flow field. By using Realizable k- turbulence model and Finite volume method, an numerical simulate and comparison were made between the flow of inlet chamber of the condenser influenced by well-shape secondary filter and punching-shape secondary filter with FLUENT 6.3 numerical simulation software. The research shows that the water resistance of the well-shape secondary filter is smaller than punching-shape secondary filter in the same flow rate limit, as well as installing well-shape secondary filter is beneficial to improve the uniformity of flow fields. It has directive significance for choosing circulating water secondary filter, reducing the consumption of the circulating water pump power and improving the vacuum of condenser. KEY WORDS: circulating water secondary filter; numerical simulated; flow rate; uniformity; water resistance 摘要： 凝汽器循环水二次滤网不仅对凝汽器循环水的清洁度 产生较大的影响， 同时也影响到凝汽器循环水入口流场的均 匀性。利用 FLUENT 6.3 数值模拟软件，采用 Realizable k- 双方程紊流模型和有限体积算法， 分别对加装井字网孔型二 次滤网、 冲孔型二次滤网前后凝汽器入口水室进口处流场分 布情况进行了数值分析和比较。 结果表明： 与常规的冲孔型 二次滤网相比， 在通流倍率相同的条件下， 井字型二次滤网 阻力较小。 同时， 井字型二次滤网后循环水流场的均匀性也 好于常规的冲孔型二次滤网。 该文研究对于选择凝汽器循环 水二次滤网型式， 减少循环水泵功耗， 促进凝汽器真空的提
由图 1 可见，冲孔型二次滤网由平钢板经冲孔 后卷压而成。循环水管径为 1400mm，二次滤网单 个冲孔直径为 10mm，厚度为 4mm。为了分析二 次滤网的通流能力，引入通流倍率的概念，通流倍 率是指网孔沿水流流动方向的投影面积与管道面 积的比值。目前火力发电厂采用的冲孔型二次滤网 的通流倍率通常为 0.6 左右。 取循环水流量为 1.25 104t/h，循环水密度为 103kg/m3，水的动力黏度为 1.007106m2/s。 图 2 所示为本文提出的一种新型井字型二次滤 网，此种二次滤网是由水流前后呈流线型的直网条 搭装而成。网条流线型角度越小，二次滤网对循环 水的阻力也越小，但制造加工也越困难，而且也降 低二次滤网的正常运行寿命。本文取标准井字型二 次滤网的结构尺寸，网条出口流线角为 30。
第 31 卷 增刊 2011 年 12 月 31 日 文章编号：0258-8013 (2011) S-0137-07
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.31 Supplement Dec.31, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 137 学科分类号：470·20
2 计算模型及计算方法
2.1 计算网格划分 采用 Gambit 网格划分软件分别对加装井字型、 冲孔型二次滤网的管道进行了网格划分，如图 3 所 示。计算网格数量对计算结果产生较大的影响，网 格数量越多，计算结果越接近真实情况，但对计算 时间和计算机内存的要求也越高。同时，也考虑到 当网格数量达到一定数量时，再增加网格数量，对 计算结果的准确性改善并不明显。本文所划分的网 格数分别为 926548 和 2571293， 网格质量均在 0.7 以上，从而即保证了计算的精度，又确保了计算的 正常进行。另外，为了消除进出口外流场对管内流
1,2,3， 代表直角坐标系下 3 个坐标方向的动量方程。
湍动能方程：
(a) 冲孔型二次滤网
k ( k ) ( kui ) [( t ) ] Gk (3) k x j t xi x j
式中：k 为流体流动的湍动能，m2/s2； k1.0 为湍
中图分类号：TK 264
文献标志码：A
凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟
李勇 1，李立言 1，曹丽华 1，程朝卿 2
(1．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林省 吉林市 132012； 2．北京中电绿波有限公司，北京市 海淀区 100081)
Numerical Study on Rectification Characteristics of Condenser Circulating Water Secondary Filter
图2 Fig. 2
井字型二次滤网组装结构示意图
场的影响，分别在二次滤网的进出口增加了延长段 4000mm。
Assembly drawings of well-shape secondary filter
增刊
李勇等：凝汽器循环水二次滤网整流特性的数值模拟
139
中广义源项的分量；角标 i 为张量自由指标，i
基金项目：吉林省科技发展计划项目(20080523)。 The Jilin Provincial Science and Technology Plan Program(20080523).
高，具有一定的指导意义。 关键词：循环水二次滤网；数值分析；通流倍率；均匀性； 阻力
0 引言
为了防止凝汽器循环水中的杂质进入凝汽器， 改善循环水的质量问题，各个火电厂普遍采用循环 水二次滤网来去除杂质，以提高凝汽器的换热效 但加装二次滤网之后， 必然会对循环水流场 率[1-3]。 因 产生一定的阻力， 从而增加循环水泵的功耗[4-5]。 此，对于优化二次滤网工作性能的研究已成为国内 外学者主要的工作之一。 文献[6]对堵箱旋转反冲洗 型二次滤网通过加装 O 型环、延长冲洗时间、压差 补偿等改进措施防止了二次滤网频繁漏水和维修 工作量大的缺点，为核电厂重要厂用水系统的正常 运行提供了保障。 文献[7]分析通过对某堵箱排污型 二次滤网的结构和工作原理的分析，通过实验总结 出该二次滤网具有一定的可靠、安全性，并且水阻 有一定的降低。 文献[8]对某种堵箱旋转反冲洗型二 次滤网进行了经济指标的计算，得出在加二次滤网 之后，排污效果、水阻以及排污水量方面都有一定 的改进。 但是，现有的循环水二次滤网的研究主要是通 过定性分析和试验，研究二次滤网的阻力、排污效 果以及其运行可靠性，而在二次滤网对于循环水的 整流作用方面的研究比较少。实际上，一个完善的 循环水二次滤网，不仅应该具有较强的循环水过滤
1 二次滤网的实际几何结构及简化模型
1.1 实际几何结构 本文基于 PRO.E 绘图软件绘制出某火电厂实 际运行的冲孔型二次滤网，其装配图如图 1 所示。
图1
冲孔型二次滤网组装结构示意图 Fig. 1 Assembly drawings of
punching-shape secondary filter
138
中
国
电
机
工
程
学
报
第 31 卷
功能，而且还应该起到对循环水的整流作用，以便 提高凝汽器循环水入口循环水流场的均匀性，提高 凝汽器真空。 本文采用 FLUENT 6.3 数值模拟软件， 首先对加装传统的冲孔型二次滤网后，凝汽器循环 水入口水室进口流场进行了直观、 定量分析。 然后， 针对传统的冲孔型二次滤网存在的问题，提出了一 种新型井字型二次滤网，并对 2 种二次滤网影响下 入口水室前流场分布进行了分析和比较，所做工作 对于改善二次滤网后循环水流场的均匀性具有一 定的参考价值。
为了便于与冲孔型二次滤网工作运行性能作 比较，本文取井字型二次滤网通流倍率等于冲孔型 二次滤网，网条间距为 10mm10mm，二次滤网 厚度为 25mm。其他结构和参数与采用冲孔型二次 滤网时相同。 1.2 简化几何模型 在对实际模型的网格划分中，滤网网孔尺寸相 对于循环水管道尺寸而言太小，若计算网格尺寸太 大，容易产生畸形网格，影响计算精度并导致计算 不收敛。若计算网格尺寸太小，总网格数量巨大， 即便使用并行计算也难以实现。因此，必须对计算 模型进行简化。 文献[9]将某滤网简化为多孔介质模 型，此假设可以合理地降低计算网格的数量，但是 并不能考虑不同滤网网孔几何结构对流动的影响。 这里，参照文献[10]的处理方法，将滤网总的通流 面积保证不变，扩大单个网孔直径，以减少网孔数 量，从而合理地减少计算网格数量。 在简化的几何模型中，取单个冲孔直径为 为了使井字型二次滤网有可比性， 保证单个 56mm， 井字型网孔面积等于单个冲孔型网孔面积，因此， 取井字型二次滤网单个网孔通流尺寸为 50mm 50mm。 据文献[10]报道，由于网孔孔径变大，网孔数 量减少，将使得计算的流阻比实际结构小，流场的 均匀性比实际结构差一些。因此实际的压力损失比 数值模拟的结果大，但对于流场特性和损失机制的 定性研究影响不大。
度； Gk 为由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生 项，J；为湍流耗散率，m2/s3。 湍流耗散率方程：
2.2
边界条件 进口边界取速度入口，大小为 2.26m/s，水流
( ) ( ui ) [( t ) ] t xi x j x j
C1 Eij C2 2
k v
动的雷诺数为 3.14106。出口边界选压力出口，计 算迭代残差控制在 106 以内。 2.3 控制方程 当循环水流速从 1~3m/s 变化时，雷诺数的变 化范围是 1.4106~4.2106。根据流体力学，管内 流动湍流状态判别范围是雷诺数大于 4000。因此， 湍流模型始终适用。 本文采用双方程 Realizable k- 湍流模型[11]，利用有限体积法[12]进行方程离散，采 用分离隐式求解器进行计算，离散方程均采用二阶 迎风格式，并利用传统的 SIMPLE 算法进行压力速度迭代。既减少了 90弯管处产生的二次流和滤 网前后产生的剪切流现象所造成的计算误差 保证了求解精度和计算速度。 这里，为了简化控制方程的数量和形式，采用 张量形式 如下。 连续性方程：
(b) 井字型二次滤网
动能对应的普朗特数； t0.09kg/(ms) 为湍动黏
图3 Fig. 3
冲孔型二次滤网与井字型二次滤网网格示意图 Mesh scheme of punching-shape secondary filter and well-shape secondary filter
LI Yong1, LI Liyan1, CAO Lihua1, CHENG Chaoqing2
(1. Institute for Energy and Power Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin Province, China; 2. Zhong Dian Lv Bo Company of Beijing, Haidian District, Beijing 100081, China) ABSTRACT: The circulating water secondary filter of condenser affects not only the purity of the circulating water, but also the uniformity of inlet chamber’s flow field. By using Realizable k- turbulence model and Finite volume method, an numerical simulate and comparison were made between the flow of inlet chamber of the condenser influenced by well-shape secondary filter and punching-shape secondary filter with FLUENT 6.3 numerical simulation software. The research shows that the water resistance of the well-shape secondary filter is smaller than punching-shape secondary filter in the same flow rate limit, as well as installing well-shape secondary filter is beneficial to improve the uniformity of flow fields. It has directive significance for choosing circulating water secondary filter, reducing the consumption of the circulating water pump power and improving the vacuum of condenser. KEY WORDS: circulating water secondary filter; numerical simulated; flow rate; uniformity; water resistance 摘要： 凝汽器循环水二次滤网不仅对凝汽器循环水的清洁度 产生较大的影响， 同时也影响到凝汽器循环水入口流场的均 匀性。利用 FLUENT 6.3 数值模拟软件，采用 Realizable k- 双方程紊流模型和有限体积算法， 分别对加装井字网孔型二 次滤网、 冲孔型二次滤网前后凝汽器入口水室进口处流场分 布情况进行了数值分析和比较。 结果表明： 与常规的冲孔型 二次滤网相比， 在通流倍率相同的条件下， 井字型二次滤网 阻力较小。 同时， 井字型二次滤网后循环水流场的均匀性也 好于常规的冲孔型二次滤网。 该文研究对于选择凝汽器循环 水二次滤网型式， 减少循环水泵功耗， 促进凝汽器真空的提
由图 1 可见，冲孔型二次滤网由平钢板经冲孔 后卷压而成。循环水管径为 1400mm，二次滤网单 个冲孔直径为 10mm，厚度为 4mm。为了分析二 次滤网的通流能力，引入通流倍率的概念，通流倍 率是指网孔沿水流流动方向的投影面积与管道面 积的比值。目前火力发电厂采用的冲孔型二次滤网 的通流倍率通常为 0.6 左右。 取循环水流量为 1.25 104t/h，循环水密度为 103kg/m3，水的动力黏度为 1.007106m2/s。 图 2 所示为本文提出的一种新型井字型二次滤 网，此种二次滤网是由水流前后呈流线型的直网条 搭装而成。网条流线型角度越小，二次滤网对循环 水的阻力也越小，但制造加工也越困难，而且也降 低二次滤网的正常运行寿命。本文取标准井字型二 次滤网的结构尺寸，网条出口流线角为 30。
第 31 卷 增刊 2011 年 12 月 31 日 文章编号：0258-8013 (2011) S-0137-07
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.31 Supplement Dec.31, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 137 学科分类号：470·20