300 MW機組汽輪機排汽通道安裝導流裝置設計研究

劉暉明

(貴溪發(fā)電有限責任公司，江西 貴溪 335400)

0 引言

低壓排汽缸是汽輪機的重要部件之一，其主要作用是將通流部分末級軸向排汽引導入凝汽器，并把低壓缸末級葉柵出口的余速動能轉化為壓力能。在排汽裝置真空度給定的條件下，降低末級葉柵出口截面處的靜壓，可增加汽輪機的配置焓降，提高汽輪機的熱效率。

國產引進型300 MW汽輪機普遍存在出口背壓偏高，凝汽器喉部汽阻較大，能耗偏高等問題。本文通過模擬試驗、理論分析和數(shù)值模擬，對排汽通道提出了優(yōu)化改造方案。

1 原因分析

低壓缸排汽壓力偏高的原因為排汽端通道結構缺陷所致。該機型結構緊湊，但其低壓缸采用了徑向排汽結構，其擴壓部分未設置導流裝置。同時，凝汽器喉部橫向設置了7號、8號加熱器，抽汽管道及喉部支撐管，這種結構及布置不僅造成排汽通道損失系數(shù)很高，而且凝汽器管束入口處蒸汽流場分布很不均勻，使凝汽器內不同位置的換熱管熱負荷偏差大，就相當于減少了凝汽器的有效傳熱面積，進而影響汽輪機的排汽真空度，造成汽輪機的效率和出力降低，尤其在夏季工況問題更為突出。因此，對該型汽輪機的低壓排汽通道進行優(yōu)化改造是十分必要的[1，2]。

2 研究的方法

本文是以相似理論為指導的試驗研究法。

根據(jù)氣體動力學空氣吹風試驗原理，對300 MW汽輪機排汽通道進行模型吹風試驗。以相似理論為原則，保證了模型和原型幾何相似、邊界條件相似及動力相似，建立模型實驗臺并確定實驗條件。

(1)幾何相似

按300 MW機組排汽缸尺寸模化到排汽缸實驗臺上，根據(jù)比例建立排汽缸及凝汽器喉部模型。

(2)邊界條件相似

邊界條件相似，即為排汽缸進出口的流動條件相似。排汽缸進口由特制的葉柵來模擬排汽進口偏轉角，喉部模型試驗件連接在排汽缸模型上，使喉部入口速度得到了理想的模擬。

(3)動力相似

對排汽通道來說，兩個幾何相似的流動僅在粘性力作用下達成動力相似，則其雷諾數(shù)必然相等。當雷諾數(shù)大于某一定值 (第二臨界值)時，流體的速度分布均彼此相似，與雷諾數(shù)不再有關，流體流動進入自模化狀態(tài)。對排汽缸而言，第二臨界雷諾數(shù)為(1.5～3.5)×105。

根據(jù)徑向平衡可得末級余速動能:

C2=248.3 m/s;當量直徑:Ld=0.9 m;運動粘度系數(shù)可查得:v=15.7×10-6m2/s。

所以，Re=14.23×106，已超過臨界雷諾數(shù)3.5×105，進入自動模化區(qū)。試驗時，入口汽流速度v≈70 m/s，空氣粘度系數(shù) v=16.7×10-6m/s，當量直徑

則 Rem=vde，m/v'=5.32 ×105，也進入自模化區(qū)。所以不必保證二者雷諾數(shù)相等。

對于排汽通道試驗來說，在低馬赫數(shù)下的試驗結果已能足夠反映其氣動性能，當馬赫數(shù)高于0.2時，損失系數(shù)變化不大。另外，認為在實物中，喉部汽流溫度變化不大，即為等溫流動，因此采取冷態(tài)模擬實物中的流動是合理的[3，4]。

3 模擬結果及分析

通過本次模擬，可以得出:未加入導流板之前，機組排汽通道所形成的出口流場極不均勻，出口截面有許多渦流存在，在凝汽器管束入口處有很大的渦旋區(qū)域，不能充分利用凝汽器的換熱面積，并且使不凝氣體聚集，造成傳熱系數(shù)下降，進而會影響凝汽器的傳熱效果及傳熱端差。

由圖1可以看出，速度小于50 m/s的區(qū)域，傳熱系數(shù)較低，速度高于100 m/s的區(qū)域，汽阻過大，而傳熱系數(shù)并沒有相應增加。這些都將導致凝汽器換熱效果變差，真空度降低，汽輪機排汽壓力升高，不利于機組的經濟性[5]。

如圖2所示，改進后換熱管束入口速度低于0 m/s的區(qū)域縮小，并且邊角處的速度也大幅度下降，減小了汽阻。因此，加入導流裝置可以減少凝汽器的傳熱端差，提高汽輪機組出力，提高電廠運行的經濟性和安全性。

圖2 低壓缸排汽模擬風洞試驗 (改進后)Fig.2 Simulation of wind tunnel test on lower-pressure cylinder exhaust steam channel after modification

4 實施情況

針對國產引進型300 MW機組低壓缸排汽通道存在流場分布不合理的問題，根據(jù)機組的安裝和運行情況，在汽輪機低壓缸排汽通道至凝汽器入口的通道內增加了蒸汽導流裝置，導流板安裝示意圖如圖3所示。采用數(shù)值模擬法，對整個排汽通道安裝導流板前后流場進行模擬。從圖4中的流場對比可以看出，安裝導流板后，使汽輪機排汽更加順暢地進入凝汽器，原不合理的流場分布能得到明顯改善，以達到提高凝汽器的換熱性能，從而提高凝汽器真空的目的。采用數(shù)值模擬法，對整個排汽通道進行模擬實驗，再通過增加導流板使流場優(yōu)化，確定改造方案。

圖3 凝汽器喉部安裝導流板Fig.3 Deflector mounted in the condenser throat

圖4 安裝導流板前后凝汽器流場對比圖Fig.4 Flow field in condenser comparison beforeand after installing the baffles

圖5顯示，對凝汽器喉部進行改造，增加導流板使流場不均勻性得到了明顯改善。安裝導流板后，低壓缸排汽出口流場不均勻系數(shù)明顯小于未安裝前。這是因為優(yōu)化后的后排汽缸擴壓能力增強，出口速度降低，使得出口不均勻系數(shù)小于原型設計。

圖5 安裝導流板前后低壓缸排汽出口汽流不均勻系數(shù)等值線圖Fig.5 Low pressure cylinder exhaust steam outlet flow uneven coefficient isoline map before and after the installation of guide plate

5 改造效果

江西省電力科院研究院對貴溪發(fā)電有限公司6號機組C修汽輪機低壓缸排汽通道優(yōu)化后進行了凝汽器安裝導流板前、后性能對比試驗。

5.1 傳熱系數(shù)及端差的計算

凝汽器喉部入口蒸汽速度發(fā)生變化時，管束的局部傳熱系數(shù)也隨之發(fā)生變化，并且引起凝汽器總傳熱系數(shù)的變化，總傳熱系數(shù)是各局部傳熱系數(shù)的加權平均值。

凝汽器的換熱系數(shù)可以用式 (5)來計算:

式中:aw為管內壁對冷卻水的放熱系數(shù)，W/(m2·K);d1，d2分別為冷卻管的外徑和內徑，m;λ為冷卻管的導熱系數(shù)，W/(m·K);αs為管外側蒸汽凝結放熱系數(shù)，W/(m2·K)。

根據(jù)各個單元的換熱系數(shù)ki，利用加權平均法求的凝汽器的總換熱系數(shù)。

式中:ki為第i面積單元對應的管束局部換熱系數(shù);Fi為第i面積單元對應管束的冷卻面積;Fc為凝汽器冷卻面積。

最后利用下式計算出端差:

5.2 計算結果及分析

對排汽通道進行優(yōu)化改造，使凝汽器管束入口蒸汽流場合理以后，可以有效提高凝汽器的傳熱系數(shù)，降低端差，這也證明入口蒸汽流場對凝汽器工作性能有重要影響 (見表1)。

表1 改造前后的傳熱系數(shù)和端差計算值Tab.1 Heat transfer coefficient and the end difference calculation before and after the reformation

試驗結果顯示 (見表2)，在循環(huán)水進口溫度為30℃、汽輪機蒸汽負荷率為100%時，凝汽器真空提高0.66 kPa。以后的數(shù)次對比試驗和長期統(tǒng)計結果表明，實施改造后，在與改造前相同的情況下，凝汽器真空可提高0.4～0.7 kPa。

表2 循環(huán)水溫變化表Tab.2 Circulating water temperature change

按照全年平均工況，循環(huán)冷卻水進口平均溫度20℃，機組負荷率80%計算，實施該項目，凝汽器真空平均可提高0.35 kPa，對應供電煤耗下降0.73 g/kW·h。按照機組每年實際運行時間7 000 h、機組平均負荷率80%計算，機組每年節(jié)約標煤3×105×0.8×7 000×0.73×10-6=1 226.4 t;每噸標煤按1 000元人民幣計算，優(yōu)化改造后，由于降低供電煤耗，機組每年增加經濟效益:1 226.4×1 000/1 000 0=122.64萬元人民幣。

6 結論

(1)原設計中排汽端結構缺陷，導致排汽通道損失系數(shù)很高，凝汽器管束入口處蒸汽流場分布不均，影響汽輪機的排汽真空度。

(2)通過加裝導流裝置對原設計進行改進，降低了出口處速度分布的不均勻程度，從而減少了氣流不均勻分布對凝汽器換熱效率的影響，使凝汽器喉部出口流場均勻。

(3)通過喉部入口安裝排汽導流裝置，凝汽器的端差降低了1.41℃，凝汽器真空提高了0.4 ～0.7 kPa。

[1]周蘭欣，李富云，李衛(wèi)華.凝汽器殼側準三維數(shù)值研究[J].中國電機工程學報，2008，28(23):25-30.Zhou Lanxin，Li Fuyun，Li Weihua.Quasi-three-dimensional numerical study of shell side of condenser[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(23):25-30.

[2]周蘭欣，金童，尹建興，等.火電機組濕式冷卻塔加裝導流板的數(shù)值研究[J].汽輪機技術，2010，52(1):13-16.Zhou Lanxin，Jing Tong，Yin Jianxing，et al.Numerical study on wet cooling tower with baffle platesin thermal power generating Units[J].Turbine Technology，2010，52(1):13-16.

[3]周蘭欣，李海宏，張淑俠.直接空冷凝汽器單元內加裝消旋導流板的數(shù)值模擬[J].中國電機工程學報，2011，31(8):7-12.Zhou Lanxin，Li Haihong，Zhang Shuxia.Numerical simulation of installation of the deflector in air-cooling condenser[J].Proceedings of the CSEE，2011，31(8):7-12.

[4]盛偉.300 MW汽輪機排汽通道改造的理論計算與實驗研究[D].保定:華北電力大學，2003.

[5]萬逵芳.凝汽器入口蒸汽流場的模擬試驗研究[D].保定:華北電力大學，2005.