超臨界600 MW機(jī)組低壓缸排汽通道優(yōu)化

董 標(biāo)，李明志

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722)

超臨界600 MW機(jī)組低壓缸排汽通道優(yōu)化

董 標(biāo)，李明志

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315722)

利用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)超臨界600 MW機(jī)組低壓缸排汽通道進(jìn)行研究，分析由于其結(jié)構(gòu)原因?qū)е碌牡蛪焊着牌ǖ缐簱p過大、靜壓恢復(fù)能力喪失、內(nèi)部流場混亂等問題。結(jié)合實(shí)際情況，確定排汽導(dǎo)流環(huán)為重點(diǎn)改造對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究，確定了排汽導(dǎo)流環(huán)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為直線圓弧型。機(jī)組經(jīng)過改造后上述問題得以解決，熱力試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組熱耗率降低約8.7 kJ/kWh，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

低壓缸；排汽通道；排汽導(dǎo)流環(huán)；氣動(dòng)性能；數(shù)值分析

汽輪機(jī)低壓排汽缸作為連接汽輪機(jī)末級(jí)和凝汽器的通道,是汽輪機(jī)組的關(guān)鍵部件，將通流部分末級(jí)流出的氣流很好地組織引導(dǎo)進(jìn)凝汽器，并將末級(jí)出口的余速動(dòng)能盡可能地轉(zhuǎn)化為壓力能。低壓排汽通道復(fù)雜的幾何形狀使汽流經(jīng)歷了由軸向到徑向的90°折轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的周向和徑向壓力梯度，形成大尺度旋渦，導(dǎo)致排汽缸內(nèi)的能量損失增加，壓力恢復(fù)能力降低，整個(gè)蒸汽透平的做功能力下降[1-4]。計(jì)算表明，對(duì)于汽輪機(jī)，排汽缸損失系數(shù)每升高0.1，就可使汽輪機(jī)低壓缸效率降低0.1%～0.15%[5-6]。因此，對(duì)凝汽式汽輪機(jī)組低壓缸排汽通道的氣動(dòng)性能進(jìn)行研究和優(yōu)化具有十分重要的意義。

1 低壓缸排汽通道有限元分析

某電廠一期4×600 MW超臨界機(jī)組汽輪機(jī)為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式機(jī)組，低壓缸排汽通道配置型線為直線的排汽導(dǎo)流環(huán)，具有較高的效率和可靠性。根據(jù)機(jī)組熱力性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組自投運(yùn)以來各機(jī)組均存在不同程度熱耗率偏高、低壓缸熱效率偏低的情況，并且通過對(duì)凝汽器管道沖刷檢查，發(fā)現(xiàn)低壓缸存在較為嚴(yán)重的排汽不均，低壓缸排汽在進(jìn)入凝汽器時(shí)壓損較大，余速損失利用率低的情況。

低壓缸排汽通道的氣動(dòng)性能采用靜壓恢復(fù)系數(shù)η和總壓損失系數(shù)ξ來衡量，定義如下。

靜壓恢復(fù)系數(shù)：

(1)

總壓損失系數(shù)：

(2)

式中：P1t為入口總壓，kPa；P1為入口靜壓，kPa；P2為出口靜壓，kPa；ρ1為入口密度，kg/m3；υ1為入口速度,m/s。

通過對(duì)目前機(jī)組低壓缸排汽蝸殼和擴(kuò)壓管數(shù)據(jù)的采集和分析，參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，建立低壓缸排汽通道的物理模型和有限元模型，如圖1、圖2所示。為提高計(jì)算精度，對(duì)網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密處理，并進(jìn)行了網(wǎng)格相關(guān)性驗(yàn)證。

圖1 數(shù)值計(jì)算物理模型

圖2 數(shù)值計(jì)算有限元模型

根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)定100%THA工況下低壓排汽缸進(jìn)出口邊界條件如表1所示，工質(zhì)為水蒸氣。

表1 100%THA工況下低壓排汽缸進(jìn)出口邊界條件

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX進(jìn)行數(shù)值求解，使用有限體積法求解連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、狀態(tài)方程、本構(gòu)方程及紊流模型，計(jì)算結(jié)果收斂，精度滿足計(jì)算要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示如下。

a.在100%THA工況下，機(jī)組原排汽通道靜壓恢復(fù)系數(shù)為-53.75%，總壓損系數(shù)高達(dá)157.5%，入口靜壓比出口靜壓大，這說明排汽缸已經(jīng)失去了靜壓恢復(fù)能力，降低了低壓缸部分的做功能力。

b.汽流速度在排汽導(dǎo)流環(huán)內(nèi)的變化程度很小，即在排汽導(dǎo)流環(huán)內(nèi)靜壓增加程度很小，說明低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)氣動(dòng)性能較差、擴(kuò)壓程度不好。

c.排汽缸內(nèi)汽流旋渦非常嚴(yán)重，且出口處流線分布不均勻，表明排汽缸內(nèi)總壓損失較大。

d.排汽導(dǎo)流環(huán)背弧區(qū)域和排汽缸出口段的總壓損失增加非常明顯。

2 低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)優(yōu)化分析

根據(jù)低壓缸排汽通道有限元分析結(jié)果，對(duì)低壓缸排汽通道進(jìn)行優(yōu)化是降低機(jī)組能耗、提高效率的有效途徑之一。由排汽導(dǎo)流環(huán)構(gòu)成的擴(kuò)壓段作為排汽通道的主要結(jié)構(gòu)，其性能好壞決定了整個(gè)排汽通道的性能好壞。對(duì)于擴(kuò)壓性能的改造，最方便和有效的措施就是對(duì)導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。在考慮到對(duì)低壓缸排汽通道進(jìn)行優(yōu)化的難易程度、改造的時(shí)間周期、成本、風(fēng)險(xiǎn)和收益等諸多因素，決定對(duì)低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

利用專用流體力學(xué)軟件和適用壓力修正方程重新計(jì)算，對(duì)低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，建立湍流模型，對(duì)排汽通道進(jìn)行氣動(dòng)分析，得出了對(duì)排汽導(dǎo)流環(huán)端壁型線優(yōu)化的最終方案，排汽導(dǎo)流環(huán)原始型線為直線型，如圖3所示。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果：排汽導(dǎo)流環(huán)最優(yōu)型線為直線圓弧型，即排汽導(dǎo)流環(huán)入口處型線為直線，且直線與中心軸線成某一角度A，其余部分型線為圓弧型，如圖4所示。

圖3 原始排汽導(dǎo)流環(huán)型線

圖4 排汽導(dǎo)流環(huán)最優(yōu)型線

以圖4型線的排汽導(dǎo)流環(huán)為模型，計(jì)算此時(shí)低壓缸排汽通道在100%THA工況下的氣動(dòng)性能和內(nèi)部流場分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示如下。

a.配置型線為直線圓弧形導(dǎo)流環(huán)的低壓缸排汽通道性能明顯提升，其靜壓恢復(fù)系數(shù)由原始狀態(tài)下的-53.75%升至11.7%，改變了原始型線排汽導(dǎo)流環(huán)喪失靜壓恢復(fù)能力的狀況。

b.低壓缸排汽通道的總壓損系數(shù)由155.5%降至94.04%，汽流在排汽導(dǎo)流環(huán)內(nèi)能有效將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，具體數(shù)值如表2所示。

表2 改造前后排汽導(dǎo)流環(huán)性能變化對(duì)比

c.從其內(nèi)部流場分布圖中可以看出：汽流在排汽導(dǎo)流環(huán)內(nèi)的渦流明顯降低，擴(kuò)壓程度明顯改善，出口區(qū)域流線更加均勻，如圖5所示。

(a)

(b)

d.根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，具有最優(yōu)型線的排汽導(dǎo)流環(huán)理論上可使低壓缸的有效焓降增加9 kJ/kg，明顯增大了汽輪機(jī)組低壓缸的做功能力。

3 改造效果評(píng)估

利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，對(duì)4號(hào)機(jī)組低壓缸排汽導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合機(jī)組原設(shè)備技術(shù)資料，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將新型排汽導(dǎo)流環(huán)的型線確定為直線圓弧型，對(duì)4號(hào)機(jī)組低壓缸汽端和勵(lì)端排汽導(dǎo)流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

通過對(duì)改造后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算，結(jié)果顯示：在100%THA工況下改造后排汽導(dǎo)流環(huán)的靜壓恢復(fù)系數(shù)為11.35%，靜壓恢復(fù)能力良好，改變了原始型線排汽導(dǎo)流環(huán)喪失靜壓恢復(fù)能力的狀況；總壓損系數(shù)為95.12%，汽流在排汽導(dǎo)流環(huán)內(nèi)能有效地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。由于受限于設(shè)備制造水平和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集精度，靜壓恢復(fù)系數(shù)和總壓損系數(shù)與理論計(jì)算數(shù)值存在一定差距，但改造后節(jié)能效果十分明顯。根據(jù)熱力試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，改造后機(jī)組熱耗率降低約8.7 kJ/kWh，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)束語

排汽導(dǎo)流環(huán)型線為直線型結(jié)構(gòu)的低壓缸在實(shí)際運(yùn)行中存在壓損過大、靜壓恢復(fù)能力喪失、內(nèi)部流場混亂等問題，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)組低壓缸的熱效率。本文結(jié)合理論分析和實(shí)際情況，確定排汽導(dǎo)流環(huán)為低壓缸排汽通道優(yōu)化的主要部位，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值研究。通過理論計(jì)算和研究，確定了排汽導(dǎo)流環(huán)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)為直線圓弧型，此結(jié)構(gòu)的排汽導(dǎo)流環(huán)能明顯降低渦流和壓損，提升排汽通道的靜壓恢復(fù)系數(shù)。以此為依據(jù)，機(jī)組進(jìn)行改造取得了良好的節(jié)能效果。

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Optimization on Exhaust Passage of Low Pressure Cylinder for Super-critical 600 MW Unit

DONG Biao，LI Mingzhi

(Zhejiang Datang Wushashan Power Generation Co.,Ltd., Ningbo,Zhejiang 315722, China)

In this paper, exhaust passage of low pressure cylinder for super-critical 600 MW unit is studied by using the method of numerical calculation. Its structure problems lead to too much pressure loss, static pressure recovery ability and internal flow field confusion. Combining with the actual situation, the exhaust steam guide ring is determined to be the transformation objects. The optimal structure of exhaust steam flow guide ring is choosed as key reform target and numerical research is carried on. The results show that unit heat rate reduces by 8.7 kJ/kWh with obvious effect of energy-saving and the economic efficiency is considerable.

low pressure cylinder；exhaust passage；exhaust guide ring；aerodynamic performance；numerical analysis

TM621

A

1004-7913(2017)02-0041-03

董 標(biāo)(1986)，男，工程師，從事電廠熱力機(jī)械運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性研究。

2016-11-02)