大功率核電汽輪機(jī)低壓缸噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李進(jìn)

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

汽輪機(jī)在低負(fù)荷及空負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中，蒸汽流量不足以帶走末幾級(jí)動(dòng)葉鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量，從而引起排汽缸溫度升高。在汽輪機(jī)事故狀態(tài)時(shí)，也會(huì)有大量高溫蒸汽排入排氣缸，使排氣缸溫度上升。排氣缸溫度過(guò)高，易引起低壓缸較大變形，導(dǎo)致動(dòng)靜間隙改變?cè)龃螅瑖?yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)、動(dòng)靜碰磨等。同時(shí)，排汽溫度過(guò)高，會(huì)引起低壓末級(jí)動(dòng)葉溫度過(guò)高，溫差加大，熱應(yīng)力加大，增加末級(jí)動(dòng)葉壽命損耗。因此在排汽缸設(shè)置低壓缸噴水系統(tǒng)，在低壓排汽缸溫度升高時(shí)噴水降溫，防止低壓缸內(nèi)發(fā)生超溫現(xiàn)象，保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

1 低壓缸噴水系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)

低壓缸噴水系統(tǒng)需要在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中，空負(fù)荷及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，能自動(dòng)或手動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行，以降低低壓缸排汽溫度。

1.1 低壓缸噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓缸噴水系統(tǒng)通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)布置噴水管道，以冷凝水作為水源，通過(guò)凝結(jié)水增壓泵將水壓升至設(shè)計(jì)壓力值后，經(jīng)噴頭進(jìn)行噴淋。

圖1為簡(jiǎn)化后的低壓缸噴水系統(tǒng)圖。

圖1 低壓缸噴水系統(tǒng)圖

1.2 低壓缸噴水流量設(shè)計(jì)

噴水流量的確定可參照參考文獻(xiàn)選取低壓缸在TMCR工況下每個(gè)汽缸排汽量的1.16% 設(shè)計(jì)，鼓風(fēng)功率計(jì)算所得結(jié)果比該數(shù)值略大。

鼓風(fēng)功率：

將公式 (4)、(3)、(2)帶入

根據(jù)鼓風(fēng)功率P，得噴水管噴水質(zhì)量流量Q=3P。式中：P：鼓風(fēng)功率（kW）；Dm：末級(jí)動(dòng)葉中徑（m）；H：末級(jí)動(dòng)葉葉高（m）；N：機(jī)組轉(zhuǎn)速（r/min）；Q：質(zhì)量流量（kg/h）。

1.3 低壓缸噴水壓力設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)計(jì)算所得噴水流量，管道流速取1～2m/s范圍，設(shè)計(jì)噴水管道管徑。根據(jù)噴水流量及噴頭的布置，計(jì)算所需噴水壓力需求。

1.4 低壓缸噴水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓缸噴水管依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)油管道布置方式，應(yīng)優(yōu)先布置于非油管道側(cè)。為防止管道內(nèi)銹蝕堵塞噴嘴，低壓缸噴頭管道材料采用TP304L不銹鋼無(wú)縫管。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用有限元分析軟件，對(duì)管道的不同布置進(jìn)行應(yīng)力校核。

2 某項(xiàng)目低壓缸噴水設(shè)計(jì)

2.1 低壓缸噴水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)條件：當(dāng)機(jī)組升/降負(fù)荷在20%額定負(fù)荷以下時(shí)，確保低壓缸噴水閥處于自動(dòng)開啟狀態(tài)；機(jī)組排汽溫度達(dá)到70℃。

2.2 低壓缸噴水流量設(shè)計(jì)

針對(duì)某核電項(xiàng)目，低壓末級(jí)動(dòng)葉高度H=1828.8mm， 中 徑 Dm=4828.8mm， 汽 輪 機(jī) 額 定 轉(zhuǎn)速N=1500r/min，計(jì)算壓力下的干飽和蒸汽的比容v=17.28678 m3/kg。

代入式（5）計(jì)算，得鼓風(fēng)功率=5472kW。

根據(jù)流量計(jì)算結(jié)果G=0.00459m3/s，選擇噴水管道流速1～2m/s，根據(jù)截面面積計(jì)算結(jié)果，選取噴水管徑為 Φ73.0×7.01。

2.3 低壓缸噴水壓力設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)計(jì)算結(jié)果，取水的密度為1kg/L。

噴頭單缸汽側(cè)和電側(cè)共布置58個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭流量 G0=9.48L/min。

根據(jù)噴頭參數(shù)，滿足噴頭噴水流量前提下，選擇噴頭工作壓力為 8.54bar，設(shè)計(jì)流量 9.82L/min。

根據(jù)式（6），選擇節(jié)流孔板的孔徑Φ24mm，孔板前后壓差 ΔP=1.46bar。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，則要求低壓缸噴水系統(tǒng)進(jìn)入低壓缸噴水支管噴水壓力P1=P0+ΔP=10bar。

2.4 低壓缸噴水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目低壓缸噴水管利用整圈布置的管夾，固定于低壓內(nèi)缸導(dǎo)流環(huán)內(nèi)側(cè)筋板，以防止氣流的沖擊；噴水噴頭穿過(guò)導(dǎo)流環(huán)上的開孔，對(duì)低壓缸排汽進(jìn)行噴水冷卻，見圖2。

圖2 低壓缸噴水管連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于項(xiàng)目低壓內(nèi)、外缸之間相對(duì)位移值較大，設(shè)計(jì)了方案1和方案2兩種管道走向，并對(duì)管道膨脹應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，見圖3。

計(jì)算過(guò)程中，在噴水管與外缸連接處，根據(jù)機(jī)組低壓外缸有限元分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)管道施加三個(gè)方向的位移量。管夾與噴水管之間定義為剛性約束，同時(shí)輸入噴水溫度、壓力參數(shù)。

其中，正常運(yùn)行時(shí)排汽溫度取27℃，極限工況排汽溫度取100℃（停機(jī)值）；噴水管內(nèi)冷卻水溫度為20℃，壓力為10bar。

根據(jù)計(jì)算應(yīng)力結(jié)果，方案1管道膨脹應(yīng)力比方案2管道膨脹應(yīng)力大近9倍，且超出管道應(yīng)力允許值4倍，見圖4。考慮系統(tǒng)安全性，噴水管與低壓外缸接口位置和管道走向選擇了應(yīng)力值較低的低壓外缸端面方案（方案2）。

圖3 低壓缸噴水管布置方案

圖4 方案1和方案2應(yīng)力分析結(jié)果

對(duì)每個(gè)噴頭的位置和角度進(jìn)行了二維和三維設(shè)計(jì)，以得到最佳噴水角度。同時(shí)，根據(jù)噴頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)噴頭最小設(shè)計(jì)霧化角度進(jìn)行限定，以保證噴霧面積與換熱效率，見圖5。

圖5 噴頭布置設(shè)計(jì)與校核

3 結(jié)語(yǔ)

低壓缸噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為保護(hù)排汽缸參數(shù)的重要組成部分，對(duì)汽輪機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。近年大功率核電汽輪機(jī)的自主研發(fā)設(shè)計(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，文章對(duì)低壓缸噴水系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，流量設(shè)計(jì)，管線布置及校核，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均進(jìn)行了較為詳盡的描述，為大功率核電自主項(xiàng)目低壓缸噴水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。

[1] 曲濱榮.150MW等級(jí)汽輪機(jī)的低壓缸噴水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì).哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司研究員 機(jī)械工程師.2013年第9期.

[2] 任家富,潘家成.大型汽輪機(jī)排汽缸噴水系統(tǒng)分析.東方汽輪機(jī)廠.東方電氣評(píng)論.1995年6月第9卷第2期.