基于V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器數值模擬研究

鄒　東，劉　楊，張　喆

(1. 華能河南中原燃氣發電有限公司，河南駐馬店463000;2. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

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基于V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器數值模擬研究

鄒東1，劉楊1，張喆2

(1. 華能河南中原燃氣發電有限公司，河南駐馬店463000;2. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

摘要：燃氣輪機排氣擴散器檢修，經常發現其內護板脫落現象。應用ANSYS FLUENT流體軟件，采用RNGκ-ε湍流模型對燃氣輪機排氣擴散器內流場進行三維數值模擬。通過對性能保證、ISO、夏季和冬季4種典型工況下速度場變化情況分析，發現燃氣輪機排氣在排氣擴散器內存在卷吸現象。依據工程設備實際狀況，提出有效的控制措施。

關鍵詞：排氣擴散器；模型；速度場；卷吸；措施

0引言

隨著我國對天然氣資源的開發和利用，以及改善電網結構的調峰需求，燃氣-蒸汽聯合循環發電技術得到快速發展。燃氣-蒸汽聯合循環電站指空氣在壓氣機內經等熵壓縮與燃料混合在燃燒室中燃燒，燃燒后的排氣在透平中做功；燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐，水經對流換熱后變成符合參數的過熱蒸汽進入汽輪機做功。燃氣輪機是聯合循環電站的主要設備之一，其安全穩定運行對整個電站起決定性作用。

排氣擴散器是燃氣輪機排氣至余熱鍋爐過渡段[1]，入口處有金屬波紋膨脹節，出口處有非金屬膨脹節。其作用是把燃氣輪機排放的溫度較高的螺旋狀煙氣進行擴容降壓并導流為具有一定規律的紊流氣體進入余熱鍋爐入口煙道，避免熱應力集中產生熱變形，提高余熱鍋爐運行安全性[2]。其內流場是大尺度運動，考慮平均流動中的旋轉及旋流情況和主流時均應變率，根據以往大量算例顯示，用RNGκ-ε湍流模型來模擬排氣擴散器分離流。

1數值模擬方法

1.1排氣擴散器概況

排氣擴散器位于燃氣輪機尾部，圓筒形臥式容器，其檢修時主要檢查護板、導流板和保溫損壞狀況并修復。機組啟停與負荷變化時，在交變熱應力作用下，其內溫度和速度變化對排氣擴散器[3]內部導流板、墊片、內護板以及保溫的危害很大。機組檢修，需定期檢驗排氣擴散器狀況，以免影響機組安全、經濟和穩定運行。燃氣輪機排氣主要參數如表1所示。

表1　燃氣輪機排氣主要參數

1.23D建模和網格

研究對象為V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器[4]。燃氣輪機是西門子“F”級工業重型燃機，名義功率為272 MW，采用單軸、環形燃燒室[5]和軸向排氣結構，具有設計合理、運行可靠、壽命長、適合多種燃料、檢修方便等優點。查閱安裝資料，以排氣擴散器入口中心為坐標原點，水平橫向為X軸，水平縱向為Y軸，豎直方向為Z軸，依照原始尺寸1∶1比例對模型進行三維建模及網格劃分。

采用有限元法進行數值模擬，在各小單元分片構造插值函數，根據變分或加權余量法，將問題的控制方程轉化為所有單元上的有限方程，并且把總體的極值作為各單元極值之相加。計算所用三維模型是在Workbench平臺中的Geometry模塊上建立，并在其Mesh模塊中進行網格劃分。采用分區域劃分方法對三維模型進行網格劃分，主要根據關注程度不同進行網格尺寸設置?；痉桨刚麄€計算區域的網格總數大約為41萬，計算區域網格劃分如圖1所示。

圖1　排氣擴散器網格劃分示意圖

1.3基本方程

利用壓力修正法求解定常流動外流場控制方程，假定外流場[6]中流體為不可壓縮流體，基本控制方程中連續方程和動量方程采取耦合方式將壓力與密度聯立，采用SIMPLE方法求解控制方程。模型基本方程如下：

(1)連續性方程

(1)

(2)動量方程

(2)

(3)動能方程

(3)

(4)湍流耗散率方程

(4)

2模擬結果分析

設置模型邊界條件，通過燃氣輪機在性能保證工況、ISO工況、夏季工況和冬季工況運行時三維數值模擬，得出排氣擴散器4種典型工況下的速度場分布。依據實際狀況，取X=0平面和X=1 000平面數值模擬結果進行分析。X=0平面即排氣擴散器中心垂直面，其速度矢量圖如圖2所示。

圖2　X=0平面速度矢量圖

從圖2中可以看到，燃氣輪機[7]排氣進入排氣擴散器后，隨著煙道通流面積逐漸擴大，排氣向外側擴張。由于排氣速度快，而排氣擴散器長度相對較短，煙氣無法在煙道內速度分布均勻。排氣擴散器沿煙道邊緣處速度較小，排氣的中心方向速度較大，底部煙氣流速相對較快，頂部速度較慢，速度梯度相對較大。4種典型工況下排氣的速度逐漸減小且趨于均勻，以避免煙氣過度沖刷余熱鍋爐過熱器管道。根據流速與壓強關系，當某處流速較大時，該處的壓強較小，當壓強減到低于周圍壓強時，會產生卷吸氣流，并在局部附近出現漩渦，形成卷吸現象。

X=1 000平面4種典型工況速度矢量，如圖3所示。從圖2與圖3可以看出排氣擴散段非金屬膨脹節處煙氣卷吸現象比較明顯，對導流板和內護板沖刷嚴重，伴有護板間保溫脫落。而排氣擴散段金屬波紋膨脹節位于燃氣輪機排氣出口處，機組運行時溫度[8]較高，機組啟停與變負荷過程中，承受的熱應力較大。排氣擴散器檢修，著重檢查膨脹節處導流板、內護板和護板間保溫情況。

圖3　X=1 000平面速度矢量圖

3控制措施

根據設備實際情況和三維數值模擬結果，提出在卷吸現象較大部位，更換為高溫耐磨材料部件、噴涂高溫耐磨涂料以及制定合理的檢修方案。

3.1更換為高溫耐磨材料部件

高溫耐磨材料可承受熱沖擊、強度高、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、耐磨損以及硬度大等優點。排氣擴散器的墊片、螺栓、導流板和護板可更換為高溫耐磨材質，例如新型無機非金屬材料等；減少卷吸現象[9]帶來的損壞，提高設備安全性能。

3.2噴涂高溫耐磨涂料

高溫耐磨涂料是新型節能耐磨涂料，其主要由無機聚合物分散液和高溫耐磨骨料等組合而成。排氣擴散器損壞部位，修復后噴涂高溫耐磨涂料[10]，在部件表面形成體積密度大的顆粒緊密堆積物，減少設備部件損壞和內部熱量損失，確保機組安全經濟運行。

3.3制定合理的檢修方案

依據燃氣輪機實際運行狀況，夏季和冬季發電量較大，春秋兩季發電量較少，建議排氣擴散器檢查放在春秋兩季進行，不影響電網調峰。檢修前，提前制定檢修方案和檢修文件包。針對需要焊接的部件，準備好備件，編制焊接以及熱處理工藝卡。檢修過程中，做好安全分析和危險點預控措施等。

4結論

燃氣-蒸汽聯合循環電站為調峰機組，依據機組運行狀況，提前制定合理的檢修方案，確保排氣擴散器正常運行，減少煙氣熱量損失，提高聯合循環效率。通過ANSYS FLUENT流體軟件數值模擬方法[11]，發現燃氣輪機排氣擴散器內存在卷吸現象。依據就地設備狀況，提出可行控制措施，為相似類型的聯合循環機組運行、檢修和研究提供借鑒。

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Study on Numerical Simulation Based on V94.3A Gas Turbine Exhaust Diffuser

ZOU Dong1，LIU Yang1，ZHANG Zhe2

(1. Huaneng Henan Zhongyuan Gas Power Generation Co., Ltd., Zhumadian 463000, China;2. Xi′an Jiaotong University, State Key Laboratory of Multiphase Flow of Power Engineering, Xi′an 710049, China)

Abstract：During the overhauls of the gas turbine exhaust diffuser, the inner guard is often found broken off. Based on software ANSYS FLUENT, the RNG κ-ε turbulence model of flow field is applied to simulate the flow field in the gas turbine exhaust diffuser and the three-dimensional numerical simulation results are obtained. Analyses of the performance guarantee, ISO, and four kinds of typical working conditions of velocity field change in summer and winter, are also proposed. The phenomenon of gas entrainment in exhaust diffuser is found. According to the situation of the practical equipment, effective control measures are put forward.

Keywords：exhaust diffuser; model; velocity field; entrainment; measures

收稿日期：2016-02-29。

作者簡介：鄒東 (1972-)，男，工程師，研究方向為火力發電機組生產技術與管理，E-mail：yourmaty@163.com。

中圖分類號:TK264

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.014