豐鶴#2機低壓缸排汽通道優化

陳擁軍

【摘 要】通過對東方汽輪機廠生產的600MW凝汽式汽輪機組低壓缸排汽通道結構利用流體力學模型進行分析，制定改造優化方案并實施，實現節能降耗的目的。

【Abstract】Based on the analysis of the fluid mechanics model of the low-pressure cylinder exhaust gas channel of the 600MW condensing steam turbine produced by the Dongfang Steam Turbine Plant， the purpose of optimizing the energy saving and reducing consumption is put forward and implemented.

【關鍵詞】排汽通道；真空度； 模型分析； 節能

【Keywords】exhaust gas channel； vacuum degree； model analysis； energy saving

【中圖分類號】TK268 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0159-02

1 引言

鶴壁豐鶴發電有限責任公司#2機為東方汽輪機有限公司生產的600MW汽輪機，機組型號為N600-24.2/566/566，結構形式采用高、中壓缸，兩個低壓缸對稱布置。在裝有多級葉片的汽輪機中，蒸汽做功后流出進入凝汽器，蒸汽在內、外導流環間流動，排汽缸擴壓器的設計為額定工況，當負荷降低時，蒸汽在擴壓器中擴壓過度出現漩渦回流，導致流動損失增加；在排汽缸與排汽通道有很多支撐結構，在凝汽器喉部布置了#7、8低壓加熱器、低旁減溫減壓裝置和抽汽管道，嚴重影響蒸汽流動，換熱效果下降，蒸汽不合理流動分布，導致冷凝管束中間產生漩渦，使換熱面積減小，不凝結氣體聚集在該區，造成換熱系數大幅度下降，對凝汽器的換熱產生不良影響，造成換熱端差增大，導致凝汽器中不凝結蒸汽量增加。不凝結蒸汽進入水環真空泵后放出汽化潛熱，使真空泵密封水溫升高，工作性能下降，抽吸口壓力升高，使凝汽器真空下降，汽輪機排汽壓力升高，導致汽輪機組的效率下降。

2 流體力學模型計算分析

汽輪機低壓缸排汽狀態為湍流，湍流中的流動特征隨時間和參數不斷發生變化，結構特性比較復雜，但任何瞬間的運動仍然符合連續介質流動的特征，可以用平均量和脈動量之和來考慮，它遵循連續介質的動力學規律，服從質量守恒定律，動量守恒定律和能量守恒定律。

介質湍流的特性量輸運關系公式為：

左1項：單位體積內的局部變化率；

左2項：通過控制面的凈通量；

右1項：通過控制面介質散度；

右2項：內部和外部過程對控制體內特性量變化所做的功。

如果設定單位質量的特性量Φ=1，JΦ=0，SΦ=0，對于湍流運動，由于所有任一瞬時特征量都可以表示為：φ= +φ′；設空間點上流體微團的瞬時速度為u= +u′，瞬時密度為ρ= +ρ′，對（1）式展開得：

如果設定特征量為動量，即φ=u，由于分子效應，通過控制面而移動的動量就產生應力，設定作用在單位體積方向上的外力為 Fi，則動量方程為：

如果假設：

①介質流體為連續性；②介質流體動量的粘性擴散與應變成正比；③介質流體具有相同性；④介質流體內的應力僅是速度、壓力、密度和溫度的函數；⑤ 當靜止時介質流體內的壓力就是流體內的靜壓力；⑥ 當介質流體僅作膨脹或壓縮而無剪切形變時，介質流體的平均內應力等于其壓力；⑦方程的特性常數，如密度、粘度系數等要由實驗確定。

對不可壓縮流體的湍流運動的時均運動方程：

當介質流體的流動方向平行于重力向量時其常數接近1；當介質流體流動方向垂直于重力向量時其常數接近0。

3 低壓缸排汽通道優化節能分析

汽輪機的排汽壓力：Pc=Pc′ +△Pres+△Pc ，P′為抽汽口壓力；△Pres為凝汽器汽阻；△Pc為排汽缸阻力。

由于△Pc與排汽缸的結構形式有關基本不變，因此排汽壓力降低主要與抽汽口壓力Pc′和凝汽器汽阻△Pres有關，各抽汽口壓力Pc″與機組運行參數有關暫不考慮，降低凝汽器汽阻△Pres來分析排汽壓力降低的可行性。

蒸汽流動與冷凝管束搭配的合理對汽阻影響較大，其兩相流摩擦力取決于蒸汽流量和干度，當蒸汽流量較大與循環水溫度較高時，蒸汽放熱量減少，導致冷凝管外蒸汽凝結速度下降，在流過相同的路程下，這些位置的蒸汽干度就大，蒸汽的阻力也就越大。

由上述分析可知，優化導流環，改善排汽缸擴壓效果，在機組排汽通道上加裝導流裝置，凝汽器傳熱系數增加，蒸汽阻力減小，真空泵性能變好，這些因素的共同作用使得機組的排汽壓力明顯降低，能夠提高汽輪機效率。

4 改造方案

4.1 導流環擴壓器優化設計

針對汽輪機末級出口的蒸汽流動特點，改進排氣管擴壓器的結構，即改進導流環的結構、尺寸和角度，可以使得流場趨于均勻，有效減少流動損失，抑制低負荷時，擴壓管通道中渦流的產生。擴壓管效率與導流環軸向長度、出口截面積和導流環傾角密切相關：導流環軸向長度和出口截面積一定時，導流環傾角取最大壓力恢復系數對應的傾角值時，擴壓管效率較高；當導流環傾角一定時，導流環軸向長度取最佳軸向長度，可以保證較高的擴壓效率和壓力恢復系數。

4.2 排汽通道優化設計

在凝汽器喉部的撐管上加裝導流板，合理設置導流板的層次、位置、型線、角度和高度。導流板上緣有的貼在撐管下半外圓上， 有的彎成圓弧掛在撐管上，能盡量減少流動阻力損失，分層次地分流主汽流能減輕汽流對導流板的沖擊。

5 實施過程簡述

通過在凝汽器喉部內設置導流板等措施，優化凝汽器喉部出口的汽流分布，使凝汽器入口處的汽流盡可能均勻分布。

①根據機組圖紙資料和現場測繪數據，進行機組排汽缸和凝汽器喉部建模；②計算機組100%THA、75%THA、50%THA三個工況排汽流場分布；建立數值計算模型，根據3個工況的實驗參數，設定合理的邊界條件，進行機組不同工況排汽流場計算；③分析流場計算結果，發現結構設計缺陷；④提出排汽優化方案，在適當的位置加裝不同形狀的均流裝置；⑤根據優化方案計算機組100%THA、75%THA、50%THA三個工況排汽流場分布；分析流場計算結果，分析是否滿足要求。⑥根據優化方案，繪制導流部件的加工和安裝圖，制定安裝工藝、方案；聯系廠家進行導流部件加工制作，并進行檢驗。

6 經濟性分析

根據排汽優化方案，在凝汽器喉部安裝流線型的均流裝置，采用數值模擬手段確定導流板的位置、塊數、層數和角度，導流系統裝置安裝以后，不影響原設備的結構強度和荷載分配，保證汽輪機組安全運行。

排汽優化對循環水溫度較高的春秋和夏季效果比較明顯，而冬季效果不明顯。夏季和春秋運行時間為 4775 h，根據對比工況分析，保守估計若夏季和春秋平均提高真空0.5kPa，可使發電煤耗降低約為1.5g，以平均負荷率 69.12%計算，則可以節約標準煤為：△B = 600 ×1000 kW ×69.12% × 4775 h × 1.5g ÷ 1000000= 2970.4 t。

如果按每噸標準煤 600元計算，則年節約資金：

M= （0.06）萬/t × 2970.4 t= 178.22萬元。

項目投資87萬元，投資回收期小于6個月。

7 結語

鶴壁豐鶴發電有限責任公司#2汽輪機加裝均流裝置后，在機組日常運行狀況下，凝汽器入口處蒸汽流動方向得到改善，不凝結氣體減少，冷卻管束下端兩角的速度大幅度下降，汽阻明顯減小，提高了凝汽器冷凝管的換熱系數，抽氣口壓力下降，真空泵負載降低，最終使汽輪機低壓缸的排汽壓力下降，提高了凝汽器真空度，實現了節能降耗的目的。endprint