深度調峰下核電汽輪機的小容積流量工況淺析

高清林，高嘉锜，黃 朵，黃慶專，陳敦炳

（1.福建電力職業技術學院，福建 泉州 362000；2.國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000；3.福建華電邵武能源有限公司，福建 邵武 354000）

0 引言

隨著我國能源結構向低碳綠色優化轉型，核電得以了快速發展，光電和風電更是以其可再生、零碳排放等無可比擬的絕對優勢呈爆發式增長。這些新能源的迅速崛起，為社會提供了更多的清潔電力，但光電和風電間歇波動性的特點也給社會用電需求放緩形勢下的我國電網帶來了更大的調峰壓力，部分地區電網在負荷低谷時段因備用容量嚴重不足，電網中占比越來越大的核電機組不得不長期低負荷運行參與深度調峰。

核電汽輪機的低壓末幾級（特別是最末級）屬大扇度級，其徑高比（θ=db/lb）較小，在低負荷下運行時很容易落入小容積流量工況，可能導致級由透平工況變為鼓風工況，使級的有效功率變為負值，低壓缸排汽溫度急劇升高，末級動葉出口邊遭受水沖蝕，葉片振動加劇，甚至誘發葉片顫振等等，這些都將嚴重影響著核電汽輪機的安全經濟運行。

1 小容積流量工況下級的流動特性

1.1 小容積流量工況

汽輪機變工況運行時，流經某級噴嘴和動葉的容積流量可用相對值分別表示如下：

式（1）、（2）中：G、G1—分別表示設計工況和變工況下級的蒸汽質量流量，kg/s；v1、v2與 v11、v12—分別表示設計工況和變工況下噴嘴和動葉出口蒸汽的比容，m3/kg[1]。

在容積流量減小的變工況過程中，蒸汽在大扇度級內流動情況的變化如圖1所示。圖1（a）為徑高比θ=2.6、噴嘴出汽角 α1=20 °=常數、平均反動度Ωm=0.46的級的流線隨容積流量的變化情況：當Gv2=0.97時，接近設計工況，流線順暢；當Gv2=0.65時，動葉后根部開始形成渦流并沿圓周方向運動，動葉根部的流線也開始上傾，并出現脫流現象；當Gv2=0.50時，動葉根部的流線進一步向上傾斜，動葉后根部的渦流區域和脫流高度都增大；當Gv2=0.37時，不但動葉后根部的渦流區域和脫流高度更大，而且級內靜、動葉間軸向間隙外緣也出現了沿圓周方向運動的渦流，噴嘴中的流線也開始下傾，動葉中的流線上傾繼續加劇；當Gv2=0.04時，動葉后的渦流幾乎占據了整個葉高，動葉內的流線嚴重向上傾斜呈對角線，靜、動葉間軸向間隙的渦流也擴大到了大部分葉高[2]。圖1（b）為某核電汽輪機末級的流線隨容積流量的變化情況：當Gv2=0.41時，葉根子午線明顯上傾；當Gv2=0.24時，葉根脫流高度超過1/3葉高，靜、動葉間間隙外緣的渦流沿軸向深入噴嘴[3]。

圖1 容積流量減小時大扇度級內的流線變化

由圖1可見，在Gv2的減小過程中，都是動葉后根部先出現渦流并在葉根出現脫流，進而這一渦流區域和脫流高度都增大，然后靜、動葉間軸向間隙外緣也開始出現渦流，再后這兩個渦流都增大。在容積流量減小過程中，動葉根部開始出現脫流及其后容積流量更小的的工況即為級的小容積流量工況[4]。

如圖2為某核電汽輪機末級實測的流線圖，該實驗證明了容積流量進一步減小時，脫流會發展到前面的級，即脫流沿徑向和軸向的深度都將隨Gv2減小而加劇[3]。

圖2 某核電汽輪機末級流線圖

1.2 小容積流量工況下級內渦流產生的原因分析

由流體力學可知，產生渦流的必要條件之一是出現軸向擴壓流動，因此，渦流必將發生在軸向擴壓區（dp/dz＞0，z為軸向）[5-7]。

對小容積流量工況下的某大扇度級進行計算，得到如圖3所示的壓力沿徑向和軸向分布曲線。由圖3（a）可見，在同一級內，靜葉出口壓力p11、動葉進口壓力和動葉出口壓力p21沿葉高由葉根向葉頂都在逐漸增大，但增大得比p11和p21都快，以致于沿葉高由葉根向葉頂，動葉進口與靜葉出口之間的壓差逐漸由負值變為正值，在β1g=90°的動葉截面上p′11=p11，如圖中點A所示，而動葉出口與進口之間的壓差（p21-p′11）卻逐漸由正值變為負值。因此，在小容積流量工況下，靜、動葉間軸向間隙外緣存在的軸向擴壓區Ⅱ，動葉根部也存在p21＞p′11的軸向擴壓區I。圖3（b）表示靜壓力沿級的外緣（pt）和根部（pr）的分布情況，該圖也證明了靜、動葉間軸向間隙外緣的壓力和動葉根部的壓力沿軸向都是增大的，進一步驗證了這兩處必然要產生渦流。計算結果表明，容積流量越小，壓差越大，靜、動葉間軸向間隙外緣和動葉根部處的渦流越嚴重。

圖3 小容積流量工況下級內壓力沿徑向和軸向分布曲線

1.3 小容積流量工況下級做功能力的變化

在小容積流量工況下，隨著Gv2的進一步減小，級的比焓降Δht和噴嘴出口速度c1急劇下降，而圓周速度u卻保持不變，導致動葉入口出現了極大的負沖角 δ=β1-β11，以致 w11在 w1方向上的投影 w′11變得很小甚至變為負值（如圖4所示），也就是說w11可能變成離開動葉進口方向的分速度。這時為使汽流流入動葉，必須先消耗一部分能量使汽流加速，以抵消負的w′11；然后再消耗一部分能量產生w21，使汽流流出動葉。由圖4還可見，雖w21不大，但因u不變，故c21很大，使c221/2比c211/2大得多。c221/2的能量顯然不可能由c211/2轉換而來，而動葉中的比焓降Δhb只是用來克服負的w′11和產生w21，使汽流剛能流出動葉，也不可能給汽流以c221/2這么大的動能。因此，c221/2的動能只能由轉子的機械能轉化而來[1]。

圖4 小容積流量工況下動葉的進出口速度三角形

由以上分析可知，在汽輪機的變工況中，在容積流量較大的工況范圍內，汽輪機各級均能對外做出有效功（即輪周功），級的這種工況稱為透平工況；隨著容積流量的減小，級能對外做出的有效功逐漸減小，當容積流量減小到某一數值以下，級非但不對外做功，反而還要消耗轉子的機械功，級的這種工況稱為鼓風工況；在鼓風工況與透平工況之間的工況稱為級的過渡工況，此時級既不對外做有效功，也不消耗轉子的機械功[8]。

因汽輪機低壓缸末級通流面積最大，在Gv2下降過程中，末級最先達到鼓風工況；Gv2進一步減小，次末級的通流面積與容積流量Gv2相比也嫌太大時，次末級也達鼓風工況，如此逐級向前推進[3]。

2 小容積流量工況對汽輪機安全經濟運行的影響

2.1 汽流分離導致級效率下降和葉片疲勞損壞

小容積流量工況下，較大的沖角容易造成葉片表面附面層分離，導致流動損失增大，級效率下降，同時，大沖角所引起的附面層大分離還會加劇葉片上的汽流激振，造成葉片疲勞損壞。實踐證明，正沖角所造成的級的損失大于負沖角，究其原因，主要是負沖角所造成的附面層分離更多地發生在葉片內弧面上，而正沖角則更多地發生在葉片背弧面上，由于內弧面上是順壓流動，附面層分離不會向下游擴展，而背弧面上為逆壓流動，附面層分離會在逆壓力作用下進一步向下游擴展，帶來較大的損失。

2.2 鼓風工況下對通流部件的加熱

級在鼓風工況所消耗的機械功將轉變為熱能去加熱蒸汽，蒸汽再去加熱通流部分各部件。在Gv2減小過程中，低壓缸各級，尤其是末幾級出現鼓風工況早，因其葉片長，鼓風耗功大，低負荷下的蒸汽流量不足以帶走動葉鼓風產生的熱量，易引起低壓缸排汽溫升過高，致使低壓缸發生較大變形，導致動靜間隙改變增大，嚴重時會引起機組振動、動靜碰磨等嚴重后果[9]。

2.3 末級動葉根部出口邊遭受水蝕

小容積流量工況下，末級動葉后根部的渦流卷吸著級后的濕蒸汽倒流入動葉通道，其帶入的水滴將對動葉根部出口背孤面產生侵蝕，使應力水平本已很高的末級葉片強度被削弱，危及葉片的安全運行。

2.4 誘使葉片發生失速顫振

核電汽輪機低壓末級葉片長達2 m左右，葉片長度的增加使其剛性下降，葉頂圓周速度處于跨音速甚至超音速區域，加之因機組參與調峰而使葉片常在小容積流量大負沖角工況下運行，可能造成附面層與葉片表面大尺度脫離，誘使葉片發生失速顫振而損壞[10]。

3 應對小容積流量工況的措施

3.1 推遲級內渦流的發生，擴大其透平工況的流量范圍

實驗表明，在容積流量Gv2減小的過程中，當靜、動葉間軸向間隙開始出現渦流時，級就已進入了過渡工況。因此，為延緩過渡工況的出現，擴大透平工況的流量范圍，應采取相應措施推遲渦流的產生。

1）噴嘴外緣擴張角不宜過大，以免在大負沖角下發生脫流；

2）采用扭葉片的大扇度級，其葉片幾何進口角β1g=90°的截面把葉片分為反動度作相反變化的兩個部分：β1g=90°截面以下，容積流量Gv2減小時反動度減?。沪?g=90°截面以上，容積流量Gv2減小時反動度增大。如此，葉頂的設計反動度若是太大，則小容積流量工況下噴嘴比焓降太小，大負沖角下噴嘴易形成擴壓區，故葉頂設計的反動度不宜過大；同時，根部的設計反動度若是太小，則在小容積流量工況的大負沖角下容易使動葉根部脫流，故葉根設計的反動度不宜過小。綜上所述，從減緩脫流，增大透平工況流量范圍的角度考慮，應使反動度沿葉高變化盡量小。

3）采用扭葉片的大扇度級，其葉片β1g=90°的截面越靠近根部，小容積流量下動葉根部越容易發生脫流；β1g=90°的截面越靠近葉頂（即圖3（a）中的A點上移），則靜、動葉間軸向間隙外緣的擴壓區隨之縮小，且壓差也隨之減小，渦流減弱。因此，在設計制造時，動葉的β1g=90°截面應盡量移向頂部。

3.2 低壓缸設置噴水減溫裝置以降低其排汽溫度

為了防止小容積流量工況下低壓缸排汽溫度過高，可在低壓缸末級后裝設噴水減溫裝置（如圖5所示），在小容積流量工況下，借助末級動葉根部的渦流，把噴水減溫裝置噴出的水滴吸入動葉，并跟隨渦流一起運動而冷卻動葉，從而降低末級和排汽缸的溫度[9]。

圖5 噴水減溫裝置

3.3 改進葉型設計，避免葉片發生顫振

在小容積流量工況下，葉片之所以容易被誘發顫振，是因為汽流以大負沖角流向動葉造成葉片表面出現附面層分離流動所致。對此，美國西屋公司對葉片的葉型加以改進，使之在低負荷下避免汽流以大負沖角進入動葉（如圖6所示），從而有效地避免了顫振的發生。

圖6 美國西屋公司改進葉型設計后避免了顫振

3.4 采用整體阻尼圍帶和凸臺拉筋的葉片結構，減小其振動應力

對于核電汽輪機低壓末幾級長葉片，可采用如圖7所示的整體阻尼圍帶和凸臺拉筋的葉片結構。初始安裝時，相鄰葉片的圍帶和拉筋間具有一定的間隙，運行時，葉片旋轉產生的離心力引起葉片扭轉恢復變形，使相鄰葉片的拉筋和圍帶的工作面相互接觸。當葉片在汽流激振力作用下產生相對運動時，相鄰葉片的阻尼圍帶和凸臺拉筋接觸面間的摩擦作用耗散了振動能量，降低了葉片的振動幅值，起到了一定的減振作用。同時，通過相鄰葉片的圍帶和拉筋工作面的相互接觸，呈現了整圈連接狀態，增加了葉片的剛度，減小了葉片的振動響應，在一定程度上增強了抵抗氣流激振的能力，避免葉片因顫振而損壞[11]。

圖7 帶整體阻尼圍帶和凸臺拉筋的葉片

4 結語

核電機組因具有清潔低碳、穩定高效等諸多優勢，并且除定期換料檢修外保持滿功率運行時效率最高，經濟性最好，也最安全，長期以來都是以基荷電源運行。但隨著電力工業結構的調整，光電和風電等強隨機波動性新能源電量的規模化并網，加之近年來社會用電需求放緩，核電機組參與電網調峰已然勢在必行，核電機組的調峰能力已成為影響電網系統安全經濟運行的重要因素。

為應對諸如國家重大節日、極端惡劣天氣、供暖期等情況下電網計劃性短期負荷調節需求，通常需要核電機組以長期低功率運行方式參與電網調峰。但在低負荷下運行時，核電汽輪機的低壓末幾級很容易落入小容積流量工況，嚴重影響著機組的安全經濟運行。然而，我國迄今尚未系統地開展核電汽輪機調峰的相關安全性和經濟性的評價工作，缺少實際操作經驗?；诖?，必須加強對按基荷模式設計的核電汽輪機小容積流量工況下的安全性和經濟性的研究，通過改進汽輪機設計，合理調整設備運行方式，確保核電機組安全、經濟地參與深度調峰。