100MW核電汽輪機高壓進汽結構分析

喻 剛 邱 健 廖興寶 段增輝 陶功新

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

100MW核電汽輪機高壓進汽結構分析

喻 剛 邱 健 廖興寶 段增輝 陶功新

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章從100MW核電汽輪機高壓進汽效率著手， 對比傳統高壓進汽結構及進汽性能， 通過切向進汽結構三維建模以及流體計算分析驗證了切向進汽方式的優越性， 得到最優比下的切向進汽方案， 并確定了100MW核電汽輪機的切向進汽布置方案。

核電汽輪機；高壓進汽；切向進汽

1 前言

提高汽輪機效率是汽輪機發展永恒的主題。熱力系統參數確定后，改進通流是提高效率的重要措施，除了提高汽輪機級效率外，通過改變汽缸進汽結構以減少進汽壓損成為新的發展趨勢。對于全周進汽機組，切向進汽方式是一個技術熱點。切向進汽方式通過旋轉蝸殼進汽，能夠平衡壁面壓力和蝸殼流場，減小壓損，提高進汽效率。國內外已有相當數量切向進汽機組運行，實現了優秀的業績。

在切向進汽結構中，汽道蝸殼全周都有同樣的截面出口，故蒸汽經過出口在第一級靜葉前形成均勻的全周環形汽流，適于采用節流配汽。因為我國核電機組基本不參與調峰，一般都是滿負荷運行，所以都采用節流配汽，適于采用高壓切向進汽結構。但切向進汽汽流方向和汽缸圓筒壁相切，進汽管道沿汽缸圓筒壁布置，與傳統進汽管道相比， 切向進汽管道更偏離中心 （見圖1），會加大汽缸尺寸，且大功率核電機組蒸汽容積流量過大，導致汽缸體積已經很龐大，而工程配合空間有限，致使切向進汽管道布置有很大的難度。但在100MW小型核電機組中， 蒸汽容積流量小、汽缸尺寸小的特點使得切向進汽技術在核電中的應用成為可能。

100MW核電堆型具有很高的安全性； 機組體積小、占地少、工期短；擁有供熱、供電、工業抽汽、海水淡化功能；環境負面影響小，經濟性好，屬于迅猛發展的分布式能源技術的一種，因此100MW核電小機組有很好的前景。

為了進一步提高100MW核電小機組的經濟性，得到更好的汽輪機進汽效率，本文將具體研究切向進汽方式對100MW核電汽輪機經濟性的作用。

圖1 切向進汽示意圖

2 傳統高壓進汽方式及其氣動性能

為驗證切向進汽結構能提高機組經濟性的優點，首先需要了解對比其與傳統高壓進汽方式的氣動性能。傳統高壓進汽方式以四管為主，汽缸上四個管道上下、左右對稱布置，管口朝向天地方向。 其進汽外形見圖2。 但根據機組常見運行工況不同，其進汽方式有些許不同：帶基本負荷的大功率汽輪機目前傾向于采用節流配汽方式，優點在于沒有調節級，不存在調節級中的部分進汽損失，另外，它的第一級的余速可被下一級利用；而在部分負荷下的汽輪機傾向于采用噴嘴配汽方式，優點在于節流損失較小。

圖2 傳統高壓進汽示意圖

根據某超超臨界火電四管進汽模型數值分析，其進汽室總壓損失為0.61%左右， 且三維流線比較紊亂，部分區域出現渦流。由汽輪機熱力循環理論可知，進汽參數比火電低很多、而進汽結構相似的核電四管進汽，其總壓損失比例必將更大，效率相對更低。因此，核電高壓進汽效率有很大的提升空間。

3 高壓切向進汽氣動分析

為確定切向進汽結構氣動性能的好壞，在進行機組方案設計過程中有必要對進汽室氣動性能及其內部流場進行計算流體力學（CFD）分析[1，2]。

3.1 數值模擬計算方法

計算中湍流模型選用SST模型,方程的離散采用二階差分格式。邊界條件按設計數據給定，進口邊界條件給定進口總壓P0和總溫T0， 出口邊界條件為流量G1， 壁面按絕熱處理， 壁面附近粘性支層的處理采用標準壁面函數法。

通過不同進汽室結構的三維流場特性的數值模擬，得到了各方案的總壓損失系數，并找出總壓損失系數最低的方案。

總壓損失系數定義為：

式中：

P*in—進口總壓；

P*out—出口總壓。

3.2 計算模型

用Pro/E軟件對高壓進汽道進行了全尺寸三維建模， Pro/E三維模型見圖3、 圖4， 模擬分析共計算了兩種切向進汽方案，方案一進汽蝸殼由汽缸內壁與隔板套外壁組合而成，方案二進汽蝸殼由汽缸直接鑄造而成，橫截面為圓形。

圖3 方案一模型及橫截面示意圖

根據某火電機組切向進汽機組氣動分析經驗，橫截面積S1與S2取一定比值時， 總壓損失最小。 S1和S2分別表示切向進汽室面積最大的橫截面和面積最小的橫截面。根據上述火電機組經驗，兩個方案都暫取S1/S2=2.1。

圖4 方案二模型及橫截面示意圖

3.3 網格劃分及計算邊界條件

采用ANSYS_workbench根據流態變化的快慢和流道曲率變化的網格函數對進汽室進行非結構網格劃分， 壁面第一層網格去0.01mm， 高壓進汽室因各個模型曲率的不同網格數量也略有不同，一般為300萬左右。

數值計算使用商用軟件CFX， 采用SST湍流模型，工質采用可凝結流體的水蒸汽。計算工況為TMCR工況， 計算進口邊界條件給定進口總壓P0= 3.75MPa， 進口總溫T0=285℃, 出口邊界條件為流量G=407534t/h。

3.4 計算結果

計算分析的結果如圖5、 圖6所示。

圖5 方案一模型流線圖及壁面壓力云圖

圖6 方案二模型流線圖及壁面壓力云圖

圖5 和圖6是各個模型的流線圖以及壓力分布圖。從圖中可以看出，方案一的流線在進汽管與進汽腔室結合部附近小部分范圍不光順，其余大部分都是光順的，而方案二在整個區域內流線都是光順的，從壓力分布云圖上也可以反應這一點，因此從流線和壓力分布云圖上看，采用切向進汽后，進汽室流場比較均勻，沒有大的渦流存在，因此方案二氣動性能更好，計算其總壓損系數為0.21， 低于傳統四管進汽方式壓損， 進汽效率相對較高。

為了找到蝸殼橫截面積最佳比，在方案二的基礎上， 保持最大橫截面積S1不變， 又調整了S1/S2的值，并進行數值計算，得出在方案二的結構下，S1/S2最佳值為2.655。 計算結果與某火電機組最佳比不同，可能的原因是：橫截面形狀面積不同，出口大小不同；核電進汽參數遠低于火電，導致同等位置壓損比例相對更高，截面積變化比率更大。 表1為具體計算數據。

表1 總壓損失系數計算結果

4 切向進汽布置

切向進汽方式不同不僅影響汽缸進汽效率，對汽缸、閥門、管道結構布置也有影響，不同進汽方向布置示意圖見圖7， 不同布置方式效果見表2。

圖7 切向進汽管布置示意圖 （機頭側）

表2 進汽方向布置效果

考慮到100MW核電機組進汽參數低， 汽缸材料能夠滿足熱應力變化要求，同時進汽結構分析就是要追求更高的效率，綜合比較后選擇進汽管道全切垂直布置。

由于機組為順時針旋轉 （機頭側）， 為配合切向進汽后汽流旋向，上半汽缸進汽管在右側，下半汽缸進汽管在左側 （機頭側）。 采用切向進汽后，高壓首級靜葉的進汽汽流角較大，首級靜葉需設計使用較大幾何進汽角的靜葉柵。

要保證汽道蝸殼內壓力分布均勻，汽道變截面結構成型至關重要。核電汽輪機高壓缸為單層缸結構，水平中分面將布置法蘭。若鑄造時在缸壁外形成獨立的旋轉進汽蝸殼，會顯著加大汽缸尺寸并影響法蘭及螺栓布置， 增大熱應力[3]。 而在缸內，第一級隔板套外壁與高壓汽封體之間仍有一定的空間，為合理利用空間，可在汽缸鑄造時延伸汽缸內壁精鑄一層緊靠第一級隔板套外壁的汽道壁。 此切向進汽方案模型見圖8。

圖8 切向進汽模型示意圖

5 結語

汽輪機的效率直接決定了汽輪機的經濟性。圍繞提高汽輪機進汽效率的理念，文章改進了100MW核電汽輪機的進汽結構。 與傳統進汽方式相比，切向進汽能夠有效降低進汽壓損，提高效率。對高壓進汽室進行氣動分析表明，采用切向進汽的方式后，改進后的切向進汽模型的總體氣動性能相比最好， 總壓損失系數為0.18%， 與傳統核電機組相比實現了進汽性能的優化，提高了機組經濟性。同時，采用切向進汽后，進汽蝸殼壓力分布平均，大大減小了汽流激振力，對第一級隔板靜葉的強度要求大幅降低。

[1] 陽虹,王沛,張宏武.汽輪機排氣缸流場的數值模擬研究［J］.熱力透平,2007,36（3）:150-152

[2]李成勤,陽虹,楊建道,張宏武.1000MW超超臨界汽輪機中壓缸進汽蝸殼的數值模擬研究［J］.汽輪機技術,2009, 51（2）:85-87

[3]蔣浦寧. 結構新穎的桶型高壓缸設計開發［J］.熱力透平, 2005,34（3）:138-143,169

Analysis for HP Inlet Structures of 100MW Nuclear Turbine

Yu Gang， Qiu Jian， Liao Xingbao， Duan Zenghui， Tao Gongxin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper compares tangential inletwith traditional HP inlet structures and performance to promote the HP inlet efficiency of 100MW nuclear turbine.The optim ization for tangential inlet is validated and the best tangential inlet scheme is determined by the 3Dmodel of tangential inlet structure and CFD.

nuclear turbine,HP inlet,tangential inlet

喻剛 （1971-）， 男， 碩士研究生， 2010 年畢業于西安交通大學能動學院熱力工程專業， 現從事技術、 營銷管理工作。