汽輪機低壓缸排汽通道優化改造分析

谷建

（山西國金電力有限公司，山西 太原 030000）

隨著整個社會工業經濟的發展，汽輪機結構的的創新對汽輪機行業的提升有充分的幫助，因此改進型的汽輪機結構設計在現代汽輪機行業中占有重要的地位，新型汽輪機結構設計方法可以極大地提高傳熱效率，減小排汽時的內部壓力，提高汽輪機組的真空度，進而提高汽輪機組的整體經濟行，加快行業的發展。

1 設備的發展狀況和當前問題

某發電廠自身擁有2 臺330MW 的機組，它們的汽輪機的信號是N330-17.75/540/540，這是我國的北重汽輪機廠在引進了發過汽輪機企業阿爾斯通的技術后，消化吸收國內外的先進科技方法而制造出的最先進的亞臨界330MW 型號的改造型機型中的一種，它擁有單個主軸，兩個排汽通道，3 個氣缸，進行一次中間再熱，屬于沖動凝汽式汽輪機。汽輪機所使用的凝汽器是由北重汽輪機廠制造的，型號為N-18500型，屬于單殼體凝汽器，它采用單流程模式以及對分的方式，是一種表面式的凝汽器。汽輪機的水冷系統采用封閉式的水循環進行冷卻，使用的是水環式真空泵型的抽汽機。

該類汽輪機的整體結構比較緊湊，不過在它的汽輪機低壓缸排氣通道處有一些明顯的瑕疵和缺陷，低壓缸的缺陷主要是因為運用了徑向的排汽結構，由于它的擴充填壓部分沒有使用導流環裝置，所以使得汽輪機的排汽通道的流場紊亂，分布不正常。而排氣通道的流場的不合理性分布就導致了汽輪機凝汽器中換熱管的冷熱失衡，熱載荷分布不平均，使得整個凝汽器的熱量分布不均勻，傳熱效果差，傳熱面積小，凝汽器中真空度下降，間接性地使汽輪機的工作效率減小、能量的利用率降低，這種現象在溫度高的夏季尤為突出，由于夏季汽輪機的工作環境中散熱條件差，所以，汽輪機效率就更低。因此，對這種類型的汽輪機低壓缸排氣通道的優化改造是毋庸置疑的，只有這樣才能充分利用能量，達到高效、節能的技術水平。

2 問題產生的原因

導致低壓缸排汽壓力高的原因是其排汽通道的結構設計問題，首先是也由于低壓缸使用了豎直方向的排汽結構，它的排汽端有一個10°左右的傾斜角，所以使得排氣通道的能量損失系數達到了1.46，排汽口的蒸汽速度也出現異常，在這個區域熱量分布出現了很大的回旋區，所以從熱力學方面分析，它不僅是熱傳導面積減少，而且會導致未凝結的氣體聚集于此，不利于熱傳導。隨著冷卻管的氣體入口的蒸汽速度的增大，它自身的散熱系數會增大，不利于散熱。300MW型的汽輪機機組凝汽器的冷卻管由于自身結構設計的問題導致其傳熱能力不強，導熱系數還有待提高。一方面，在排汽通道的出口處較遠的位置氣流速度很高，而熱傳導系數沒有明顯性的變化，蒸汽量明顯會增加。所以沒有凝結的蒸汽氣體進入到真空泵中，又使得真空泵中水溫過高，真空泵的溫度也直接上升，泵的工作效率下降。另一方面，凝汽器中真空度的降低也導致了排汽出口的壓力值過高。這些所有的不利因素間接地降低了排汽通道、凝汽器以及冷卻管的額定使用壽命。

3 優化改造的數據依據

由于我國的汽輪機低壓缸排汽通道優化改造起步較晚，發展比較緩慢，所以可參考的數據較少，不足以分析出較為權威性的數據參數來作為指導。國外的汽輪機制造行業發展了很多年了，對于低壓缸排汽通道的優化改造有了一定的實驗數據和經驗，所以值得借鑒。外國的實驗數據顯示，在汽輪機中凝汽器的冷卻管的熱傳導系數會因為蒸汽氣體的流速增加而上升，而且它會在氣體流速達到一定值后趨于穩定，不再變化。所以可以這樣說，蒸汽流速可以大致與熱傳導系數成正比，即兩者的趨勢相同，蒸汽流速大了則熱傳導系數就較大，蒸汽氣體流速小了則熱傳導系數就偏小。如果進行相應的改造，使高速氣流分布在低速流場中，那么整個冷卻管中的氣體流暢較為平均，熱傳導系數就會增加，散熱能力會增強，利于凝汽器的散熱。

根據以上的分析可以得出，我們可以利用建模軟件對汽輪機低壓缸排汽通道優化改造，建立相關模型和網格的劃分，利用分析軟件ANSYS 中的fluent 進行有限元分析，主要就是流體力學的流場分析。整個過程中需要模擬凝汽器的冷卻管處的蒸汽氣體流速分布環境，對低壓缸的排汽通道出進行針對性的設計分析，在此處改變它的放置姿態以及內部輔助裝置，將通道內的氣流合理疏散分離進而是蒸汽氣體流場合理化分布。進行優化設計后的汽輪機低壓缸排汽通道內部的蒸汽流場趨于平穩，所以內部的熱量傳導和消散就比較合理，從根本上增大了冷卻管的傳熱和換熱面積，間接性地增大了凝汽器的散熱系數，改善了凝汽器的熱傳導能力，有效地避免了排汽口的氣體壓力過大，延長了機器的使用壽命，節約了機組運行成本。

一方面，通過有限元分析，優化前后的排汽通道出口處的蒸汽速度分布完全不同，優化前的氣流分布圖不合理，這種情況導致了排汽時阻力的增大；另一方面，流場分布不均導致凝汽器的熱量分布不均勻，間接性地縮減了熱傳導面積，降低了熱傳導效率，降低了汽輪機機組的運行效率。

4 進行優化改造的方案措施

對于分析出的汽輪機低壓缸排汽通道問題，給出了對應性的改造優化，首先在導流管的布置方面，將導流板全部分布在汽輪機凝汽器的上半部分的長方體接頸里，對它們的分布進行安排，一排放置在和汽輪機的軸心線垂直的位置上，處于傾斜狀態。另外四排放置在與汽輪機軸心線平行的位置上，處于豎立狀態，電調的兩端應進行對稱式布置。

具體的斜板布局應遵循以下原則：在凝汽器的進口處進行垂直放置，出口處的放置方向與垂直方向保持30°的夾角。斜板的邊緣和接頸的截面處于同一平面內，并且成對稱性分布布置。立板的布局遵循以下這些原則：立板一共有4 塊，它們分布在接頸的上下排撐管的中間處，在有抽汽橫管的地方，兩兩立板之間的中心線相距1500mm，在沒有抽汽橫管的地方，兩兩立板之間的中心線相距2800mm。一個出口處的立板布置是這種樣子，兩個排汽口的布置也是如此，呈對稱布置。

材料的選擇上，采用不銹鋼的材質來制作導流裝置，因為不銹鋼的耐沖擊性，耐用性等特點才被廣泛使用。所用的配件材料都使用耐磨型高強度材料，保證零部件的強度和可靠性，以免在使用中零件的斷裂和松動損壞。

在進行汽輪機低壓缸排汽通道優化改造時，需要配合著汽輪機機組的整體檢修過程，這個時候進行施工可以減少企業的運行損失。在實施改造方案之前需要將不改進的部位進行安全性防護，避免在優化改造過程中誤傷到關鍵部位，所涉及的所有部件都應該盡量少的使用電焊，以避免局部的結構強度異常。所用部位的施工物品都應該滿足入孔門的尺寸要求，保證能夠通過入孔門進行相關操作。在施工改造后，需要對凝汽器進行全面性的清洗。

5 改造的總體效果

通過某發電廠的汽輪機機組的低壓缸排汽通道的導流板優化改造，得到了以下的對比性實驗數據。試驗的數據顯示，當水循環系統的進口處的水溫在30℃時，汽輪機的蒸汽載荷使用率達到了100%，凝汽器的真空壓力值提高了些許，達到了0.68kPa。將2 組機組的試驗時間、試驗載荷、水循環系統的試驗水溫控制在相同條件下，在一段時間的對比試驗后發現改進后的汽輪機機組的真空壓力值提高了，對應的等效煤用量每千瓦降低了0.75g，照這樣計算整個機組的成本，每年可為企業減少約1227t 煤炭用量，節約幾百萬元的經濟費用。

6 結語

在實行了汽輪機低壓缸排汽通道優化改造后，汽輪機機組的排汽壓力大大減小，散熱效果明顯提高，提高了機組的運行效率，為企業節約了經濟成本，有利于企業的高效節能、可持續發展。企業的產能提高，機組使用壽命延長，減少了汽輪機的維護成本，對于整個行業來說無疑是一個值得對光的方法。汽輪機低壓缸排汽通道優化改造隨著我國“科學發展”的國家戰略的不斷深入必將給汽輪機行業帶來更豐厚的回報，在實際應用中會愈來愈受歡迎。