超臨界600 MW機組低壓缸排汽通道優化

董 標，李明志

(浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722)

超臨界600 MW機組低壓缸排汽通道優化

董 標，李明志

(浙江大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722)

利用數值計算的方法對超臨界600 MW機組低壓缸排汽通道進行研究，分析由于其結構原因導致的低壓缸排汽通道壓損過大、靜壓恢復能力喪失、內部流場混亂等問題。結合實際情況，確定排汽導流環為重點改造對象，并對其進行數值研究，確定了排汽導流環的最優結構為直線圓弧型。機組經過改造后上述問題得以解決，熱力試驗數據顯示，機組熱耗率降低約8.7 kJ/kWh，節能效果明顯，經濟效益可觀。

低壓缸；排汽通道；排汽導流環；氣動性能；數值分析

汽輪機低壓排汽缸作為連接汽輪機末級和凝汽器的通道,是汽輪機組的關鍵部件，將通流部分末級流出的氣流很好地組織引導進凝汽器，并將末級出口的余速動能盡可能地轉化為壓力能。低壓排汽通道復雜的幾何形狀使汽流經歷了由軸向到徑向的90°折轉，產生強烈的周向和徑向壓力梯度，形成大尺度旋渦，導致排汽缸內的能量損失增加，壓力恢復能力降低，整個蒸汽透平的做功能力下降[1-4]。計算表明，對于汽輪機，排汽缸損失系數每升高0.1，就可使汽輪機低壓缸效率降低0.1%～0.15%[5-6]。因此，對凝汽式汽輪機組低壓缸排汽通道的氣動性能進行研究和優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超臨界機組汽輪機為超臨界參數、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式機組，低壓缸排汽通道配置型線為直線的排汽導流環，具有較高的效率和可靠性。根據機組熱力性能試驗數據顯示，機組自投運以來各機組均存在不同程度熱耗率偏高、低壓缸熱效率偏低的情況，并且通過對凝汽器管道沖刷檢查，發現低壓缸存在較為嚴重的排汽不均，低壓缸排汽在進入凝汽器時壓損較大，余速損失利用率低的情況。

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

靜壓恢復系數：

(1)

總壓損失系數：

(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。

通過對目前機組低壓缸排汽蝸殼和擴壓管數據的采集和分析，參考國內外相關文獻，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。為提高計算精度，對網格劃分進行加密處理，并進行了網格相關性驗證。

圖1 數值計算物理模型

圖2 數值計算有限元模型

根據機組實際運行工況，設定100%THA工況下低壓排汽缸進出口邊界條件如表1所示，工質為水蒸氣。

表1 100%THA工況下低壓排汽缸進出口邊界條件

采用計算流體力學軟件CFX進行數值求解，使用有限體積法求解連續方程、動量方程、能量方程、狀態方程、本構方程及紊流模型，計算結果收斂，精度滿足計算要求。根據計算結果顯示如下。

a.在100%THA工況下，機組原排汽通道靜壓恢復系數為-53.75%，總壓損系數高達157.5%，入口靜壓比出口靜壓大，這說明排汽缸已經失去了靜壓恢復能力，降低了低壓缸部分的做功能力。

b.汽流速度在排汽導流環內的變化程度很小，即在排汽導流環內靜壓增加程度很小，說明低壓缸排汽導流環氣動性能較差、擴壓程度不好。

c.排汽缸內汽流旋渦非常嚴重，且出口處流線分布不均勻，表明排汽缸內總壓損失較大。

d.排汽導流環背弧區域和排汽缸出口段的總壓損失增加非常明顯。

2 低壓缸排汽導流環優化分析

根據低壓缸排汽通道有限元分析結果，對低壓缸排汽通道進行優化是降低機組能耗、提高效率的有效途徑之一。由排汽導流環構成的擴壓段作為排汽通道的主要結構，其性能好壞決定了整個排汽通道的性能好壞。對于擴壓性能的改造，最方便和有效的措施就是對導流環進行優化。在考慮到對低壓缸排汽通道進行優化的難易程度、改造的時間周期、成本、風險和收益等諸多因素，決定對低壓缸排汽導流環進行分析和結構優化。

利用專用流體力學軟件和適用壓力修正方程重新計算，對低壓缸排汽導流環進行了重新設計，建立湍流模型，對排汽通道進行氣動分析，得出了對排汽導流環端壁型線優化的最終方案，排汽導流環原始型線為直線型，如圖3所示。

根據數值計算結果：排汽導流環最優型線為直線圓弧型，即排汽導流環入口處型線為直線，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 原始排汽導流環型線

圖4 排汽導流環最優型線

以圖4型線的排汽導流環為模型，計算此時低壓缸排汽通道在100%THA工況下的氣動性能和內部流場分布情況。根據計算結果顯示如下。

a.配置型線為直線圓弧形導流環的低壓缸排汽通道性能明顯提升，其靜壓恢復系數由原始狀態下的-53.75%升至11.7%，改變了原始型線排汽導流環喪失靜壓恢復能力的狀況。

b.低壓缸排汽通道的總壓損系數由155.5%降至94.04%，汽流在排汽導流環內能有效將動能轉化為壓力能，具體數值如表2所示。

表2 改造前后排汽導流環性能變化對比

c.從其內部流場分布圖中可以看出：汽流在排汽導流環內的渦流明顯降低，擴壓程度明顯改善，出口區域流線更加均勻，如圖5所示。

(a)

(b)

d.根據計算結果顯示，具有最優型線的排汽導流環理論上可使低壓缸的有效焓降增加9 kJ/kg，明顯增大了汽輪機組低壓缸的做功能力。

3 改造效果評估

利用機組檢修機會，對4號機組低壓缸排汽導流環進行優化。結合機組原設備技術資料，根據計算結果，將新型排汽導流環的型線確定為直線圓弧型，對4號機組低壓缸汽端和勵端排汽導流環進行優化升級。

通過對改造后機組運行數據采集、計算，結果顯示：在100%THA工況下改造后排汽導流環的靜壓恢復系數為11.35%，靜壓恢復能力良好，改變了原始型線排汽導流環喪失靜壓恢復能力的狀況；總壓損系數為95.12%，汽流在排汽導流環內能有效地將動能轉化為壓力能。由于受限于設備制造水平和現場試驗數據采集精度，靜壓恢復系數和總壓損系數與理論計算數值存在一定差距，但改造后節能效果十分明顯。根據熱力試驗數據顯示，改造后機組熱耗率降低約8.7 kJ/kWh，節能效果明顯，經濟效益可觀。

4 結束語

排汽導流環型線為直線型結構的低壓缸在實際運行中存在壓損過大、靜壓恢復能力喪失、內部流場混亂等問題，嚴重影響汽輪機組低壓缸的熱效率。本文結合理論分析和實際情況，確定排汽導流環為低壓缸排汽通道優化的主要部位，并對其進行數值研究。通過理論計算和研究，確定了排汽導流環的最優結構為直線圓弧型，此結構的排汽導流環能明顯降低渦流和壓損，提升排汽通道的靜壓恢復系數。以此為依據，機組進行改造取得了良好的節能效果。

[1] 林 琦,徐 升.600 MW汽輪機雙背壓運行的熱經濟性分析[J].東北電力技術,2011, 32(9):40-43.

[2] 邱東洲,金亞輝,馮 雷.國產300 MW汽輪機組真空低問題的解決[J].東北電力技術, 2004, 25(8):4-7.

[3] 萬逵芳,郭玉雙,關 明.300 MW機組采用多壓凝汽器的探討[J].東北電力技術, 2004, 25(6):20-22.

[4] 黃樹紅.汽輪機原理[M].北京:中國電力出版社,2008.

[5] 徐 旭,康 順,蔣洪德.低壓蒸汽透平排汽缸內能量損失的數值研究[J].北京航空航天大學學報，2005，28(6)：652-655.

[6] 黃偉東,孫 弼,豐鎮平.汽輪機排汽擴壓管幾何形狀對氣動性能影響的分析[J].動力工程，1998，18(3)：17-21.

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(1986)，男，工程師，從事電廠熱力機械運行穩定性和經濟性研究。

2016-11-02)