崔永亮
哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市150000
摘要:凝汽器是汽轮机的重要部件之一，其性能对机组的经济性有重要影响。本文以超临界水煤气化混合工质凝汽式汽轮机凝汽器为研究对象，完成了50MW示范工程混合工质H2O+CO2凝汽式汽轮机凝汽器的热力设计和初步结构设计。采用准三维模型对冷凝器的性能进行了数值模拟，分析了混合工质的流动和传热特性以及高不凝气体含量条件下冷凝器的性能指标。结果表明，设计的H2氧+CO2混合制冷剂冷凝器的蒸汽阻力为169帕，第二流程的传热系数明显高于第一流程。结构设计能满足工程实际要求，为示范工程建设提供基础。
关键词:混合工质;凝汽器;数值模拟;流动传热
引言
针对传统煤炭利用形式效率低、污染物排放量大的缺点，Xi交通大学郭烈锦院士提出了一种新型煤炭利用形式，即超临界水煤气化制氢工艺及相应的动力循环系统。水煤浆在超临界水中经历热解、气化等一系列过程。气化产物主要由H2、一氧化碳、甲烷和二氧化碳组成，无机盐以沉淀的形式从气化炉排出。该工艺将煤中的化学能转化为氢能和超临界H2氧+CO2热能，实现煤的清洁高效利用。超临界水气化发电循环系统可以代替传统的燃煤电站发电。气化产物中的氢气被氧化变成水蒸气，形成高温高压水蒸气和二氧化碳的混合物，然后进入混合工质涡轮做功。新型超临界水煤气化发电系统一般采用中间再热凝汽式汽轮机将H2O+CO2混合工质的热能转化为机械能。除了汽轮机，冷凝器是机组最重要的部件之一。与常规蒸汽动力装置的冷凝器不同，混合工质冷凝器的入口工质含有大量不凝性气体CO2，这必然导致其内部流动和传热特性与常规冷凝器相比发生很大变化，也给混合工质冷凝器的设计和性能研究带来困难。因此，为了满足项目的实际需要，有必要进一步研究。
本文针对50MW超临界水煤气化示范工程发电机组设计了相应的冷凝设备，并利用CFD软件对其流动和传热特性进行了模拟分析。采用准三维模型，引入多孔介质和分布阻力的概念，利用分布质量汇模拟蒸汽冷凝，分析蒸汽在H2氧+CO2混合制冷剂冷凝器中的冷凝规律。
1设计过程
1.1热设计
冷凝器的热平衡方程为:
QL =KaδTM = = McCpδTC(1)
其中:q-冷凝器入口处的蒸汽质量流量，kg/s；l——蒸汽汽化潜热，焦耳/千克；K—冷凝器传热系数，w/(m2·k)；A—管束的冷却表面积，m2；δt——蒸汽和冷却水之间的对数平均温差，k；Mc—冷却水的质量流量，kg/s；CP——恒压冷却水比热容，j/(kg·k)；δTC—冷却水的总温升，k。
目前凝汽器传热系数的计算主要采用HEI(美国传热协会)标准[6-8]。HEI修改了管壁洁净度和冷却水温度，但没有考虑不凝气体相对含量对传热系数的影响。因此，与常规冷凝器不同，混合制冷剂冷凝器的传热系数在热设计中采用分段计算法计算:
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（2）
其中:r——水侧对流传热阻力，(m2·k)/w；r—管壁导热系数电阻，(m2·k)/w；r—冷凝水热阻，(m2 k)/w；r—不凝气体的气膜热阻，(m2·k)/W..
热力设计的基本步骤是:根据公式(2)估算冷凝器的传热系数，然后根据表1和公式(1)中的蒸汽热负荷计算管束的冷却面积，参照冷凝器设计标准确定冷却水的进口温度和流量，结合设计的冷凝器结构计算各区域的冷却水管数量。
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1.2结构设计
根据50MW超临界水煤气化示范工程发电机组的汽轮机，凝汽器采用双流程、单壳程、单抽汽口的结构。
1.3设计方案的总结和分析
经过反复计算和修正，设计的混合制冷剂冷凝器主要参数如表2所示。其中，第一工艺管束区冷却水管2184根，第二工艺管束区3617根，不凝气冷却区668根。管束排列呈三角形。根据热平衡方程，在相同的热负荷下，传热系数的降低必然需要增加传热温差和传热面积。如果只增加冷却面积，必然会导致冷凝器体积和成本的增加。因此，与国产300MW冷凝器[9]相比，混合制冷剂冷凝器冷却水入口温度从20℃调整到15℃，单位蒸汽冷却面积增加10.04%。
表2混合工质凝汽器设计参数
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2计算模型
2.1准三维模型
冷凝器体积庞大，管束众多，结构复杂，由于运行过程中的相变，其内部流动和传热非常复杂。因此，不能完全建立冷凝器的三维模型进行模拟计算，而准三维模型作为二维模型的改进可以满足工程需要。在准三维模型中，冷凝器沿轴向分为几个小蒸汽室。在每个蒸汽室中，工作介质的流动可以用二维方法处理，冷却水温度用于蒸汽室之间的耦合，即前一个蒸汽室的冷却水出口温度等于下一个蒸汽室的冷却水入口温度。同时，根据流量与压降的平衡关系，合理分配各蒸汽室的流量，使各蒸汽室吸入口压力相等。基本步骤如下:根据各蒸汽室的传热条件，用二维方法计算各蒸汽室的蒸汽冷凝和冷却水温升，逐步迭代，直到各蒸汽室的流动和传热特性满足耦合条件，通过流量平衡保证各蒸汽室的压降相同。
为了方便研究问题，对准三维模型中的冷凝器做了如下假设:(1)不凝性气体由汽轮机排汽带入，不考虑漏气量；在冷凝器壳侧流动期间，H2O+CO2的混合物总是饱和的。蒸汽和不凝气体是理想气体。液相的作用主要表现在它对分布阻力特定关系的影响，液相所占动量和空间忽略不计冷凝器与外界绝缘。
2.2物理模型
第一至第六蒸汽室沿冷凝器轴向依次分开。冷却水从冷凝器下部流入，在第一个过程结束时进入水室，进入第二个过程，最后从冷却水出水管流出。
4数值模拟结果
表3显示了各蒸汽室的计算结果。每个蒸汽室的蒸汽阻力基本相同，为169Pa，这是流量平衡的结果。在传热系数方面，第二流程的传热系数明显高于第一流程。主要原因是混合工质进入冷凝器后先进入第二流程，所以第二流程工质速度更高，湍流效应更明显，从而增强了对流换热；随着水蒸气的不断凝结，不凝性气体CO2的浓度沿混合工质的流动方向增加，导致覆盖在蒸汽表面的气膜不断增厚，这将大大增加传热阻力，导致传热系数显著下降。
表3各汽室计算结果
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在每个过程中，冷却水温度沿着冷却水流动方向线性增加。第一蒸汽室两个工艺冷却水的平均温差最大，达到5.15 K，第六蒸汽室两个工艺冷却水的平均温差最大，达到0.48K。
压力沿着混合工质的流动方向降低。第一工艺管束区和第二工艺管束区的压降差别不大，这与蒸汽冷凝量有关。在不凝性气体的冷却区，虽然蒸汽冷凝量小，但不凝性气体的流速相对较高，流动的截面积减小，流动阻力增大，因此该区仍有约50Pa的压降。
混合制冷剂中CO2的相对含量沿着制冷剂的流动方向增加。不存在局部积累CO2的问题，流场分布符合要求。吸入口CO2浓度很高，质量分数为98.58%，是入口的3.79倍。泵送的工质几乎都是CO2，说明吸入口的设置是合理的，说明设计的冷凝器具有理想的冷凝效果。
5结论
(1)针对50MW超临界煤气化示范工程发电机组，根据汽轮机排汽参数，设计了H2O+CO2混合制冷剂的匹配冷凝器，并对其性能进行了数值计算。
(2)由于不凝性气体H2O+CO2含量相对较高与传统冷凝器相比，混合制冷剂的总传热系数更大并且第二过程的传热系数明显高于第一过程。
(3)主冷凝区对蒸汽冷凝起到了很好的作用，吸入口二氧化碳浓度高，说明冷凝器管束布置和冷却表面积设计合理。
参考文献:
[1]史卫刚，孟云社，郭 民，等． 600 MW 机组凝汽器改造方案与实践［J］． 汽轮机技术，2018，60( 4) : 315 － 317．
[2]刘克为，赵起超，赵云云． 凝汽器管束的数值模似计算及评价方法［J］． 电站辅机2018，39( 1) : 9 － 12．