300MW机组汽轮机排汽通道安装导流装置设计研究

醚ＮＧｉ　ＥＥＲＩＮ０熊ｐｐ　ｌｅ　ｉｏ　嘲嘲　●　第２８卷第３期　２０１２年３月　电力科学与工程　Ｖ０１．２８．Ｎｏ．３’　７５　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｒ．，２０１２　３００　ＭＷ机组汽轮机排汽通道安装导流装置设计研究　刘晖明　（贵溪发电有限责任公司，江西贵溪３３５４００）　摘要：针对３００　ＭＷ机组入口蒸汽流场对凝汽器性能和汽轮机排汽压力的影响，对整个汽轮机排汽通道　进行数值模拟实验研究，揭示其出口流场的不合理分布，通过安装凝汽器导流板对低压缸排汽通道进行　了优化改造。改造后，凝汽器的端差降低了１．４１℃，凝汽器真空提高了０．４—０．７　ｋＰａ。　关键词：汽轮机；低压缸；排汽通道；优化　中图分类号：ＴＫ２６３．５　文献标识码：Ａ　通道进行优化改造是十分必要的　引。　０　引言　２研究的方法　低压排汽缸是汽轮机的重要部件之一，其主　要作用是将通流部分末级轴向排汽引导入凝汽器，　并把低压缸末级叶栅出口的余速动能转化为压力　本文是以相似理论为指导的试验研究法。　根据气体动力学空气吹风试验原理，对　能。在排汽装置真空度给定的条件下，降低末级　３００　Ｍｗ汽轮机排汽通道进行模型吹风试验。以相　叶栅出口截面处的静压，可增加汽轮机的配置焓　似理论为原则，保证了模型和原型几何相似、边　降，提高汽轮机的热效率。　压偏高，凝汽器喉部汽阻较大，能耗偏高等问题。　本文通过模拟试验、理论分析和数值模拟，对排　汽通道提出了优化改造方案。　界条件相似及动力相似，建立模型实验台并确定　（１）几何相似　按３００　Ｍｗ机组排汽缸尺寸模化到排汽缸实　验台上，根据比例建立排汽缸及凝汽器喉部模型。　（２）边界条件相似　边界条件相似，即为排汽缸进出口的流动条　国产引进型３００　Ｍｗ汽轮机普遍存在出口背　实验条件。　１原因分析　低压缸排汽压力偏高的原因为排汽端通道结　件相似。排汽缸进口由特制的叶栅来模拟排汽进　口偏转角，喉部模型试验件连接在排汽缸模型上，　构缺陷所致。该机型结构紧凑，但其低压缸采用　使喉部人口速度得到了理想的模拟。　了径向排汽结构，其扩压部分未设置导流装置。　（３）动力相似　同时，凝汽器喉部横向设置了７号、８号加热器，　对排汽通道来说，两个几何相似的流动仅在　抽汽管道及喉部支撑管，这种结构及布置不仅造　粘性力作用下达成动力相似，则其雷诺数必然相　成排汽通道损失系数很高，而且凝汽器管束人口　等。当雷诺数大于某一定值（第二临界值）时，　处蒸汽流场分布很不均匀，使凝汽器内不同位置　流体的速度分布均彼此相似，与雷诺数不再有关，　的换热管热负荷偏差大，就相当于减少了凝汽器　流体流动进人自模化状态。对排汽缸而言，第二　的有效传热面积，进而影响汽轮机的排汽真空度，　临界雷诺数为（１．５～３．５）Ｘ　１０　。　造成汽轮机的效率和出力降低，尤其在夏季工况　问题更为突出。因此，对该型汽轮机的低压排汽　收稿日期：２０１１—１１—０３。　雷诺数为：Ｒ　：　作者简介：刘晖明（１９７７一），男，工程师，从事汽轮机专业技术管理工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｏｕｂｉｎｇｙｕ０５＠ｙａｈｏｏ．ｃｎ。　￡ＮＧｌＮ基爱Ｒ｝Ｎ《３　ＡｐｐｋｌＣＡ下ｉＯ　７６　‘　电力科学与工程　２０ｌ２年　式中：Ｃ：＝４４．７２　。　（２）　致凝汽器换热效果变差，真空度降低，汽轮机排　汽压力升高，不利于机组的经济性　。　根据径向平衡可得末级余速动能：　△，　２＝３．８２　ｋＪ／ｋｇ　（３）　如图２所示，改进后换热管束入口速度低于　５０　ｍ／ｓ的区域缩小，并且边角处的速度也大幅度　Ｃ２＝２４８．３　ｍ／ｓ；当量直径：Ｌｄ＝０．９　ｍ；　运动　粘度系数可查得：ｚ，＝１５．７×１０　ｍ　／ｓ。　下降，减小了汽阻。因此，加入导流装置可以减　所以，Ｒ　＝１４．２３×１０。，已超过临界雷诺数　少凝汽器的传热端差，提高汽轮机组出力，提高　电厂运行的经济性和安全性。　３．５×１０　，进入自动模化区。试验时，人口汽流　速度　一７０　ｍ／ｓ，空气粘度系数　＝１６．７×１０　ｍ／ｓ，当量直径　ｄ　＝．　Ｃｌｄ。＝０．０７９　５８２×１．８：０．１２７　ｍ（４）　则Ｒｅ　＝ｖｄ…／ｖ　＝５．３２×１０　，也进入自模化区。　所以不必保证二者雷诺数相等。　对于排汽通道试验来说，在低马赫数下的试　验结果已能足够反映其气动性能，当马赫数高于　０．２时，损失系数变化不大。另外，认为在实物　中，喉部汽流温度变化不大，即为等温流动，因　越捉罂　此采取冷态模拟实物中的流动是合理的　。　３模拟结果及分析　通过本次模拟，可以得出：未加入导流板之　前，机组排汽通道所形成的出口流场极不均匀，　出口截面有许多涡流存在，在凝汽器管束人口处　有很大的涡旋区域，不能充分利用凝汽器的换热　面积，并且使不凝气体聚集，造成传热系数下降，　进而会影响凝汽器的传热效果及传热端差。　由图１可以看出，速度小于５０　ｍ／ｓ的区域，　传热系数较低，速度高于］ｏｏ　ｍ／ｓ的区域，汽阻　过大，而传热系数并没有相应增加。这些都将导　５。　４０　垂，。　墨：。　１０　２Ｏ　４０　６Ｏ　８０　ｌ０Ｏ　１２０　ｌ４Ｏ　凝汽器相对长度，％　图１低压缸排汽模拟风洞试验（改进前）　Ｆｉｇ．１　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｌｏｗｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｂｅｆｏｒｅ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　２０　４Ｏ　６０　８Ｏ　１０Ｏ　ｌ２０　１４０　凝汽器相对长度　图２低压缸排汽模拟风洞试验（改进后）　Ｆｉｇ．２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｌｏｗｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｆｔｅｒ　ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ　４实施情况　针对国产引进型３００　Ｍｗ机组低压缸排汽通　道存在流场分布不合理的问题，根据机组的安装　和运行情况，在汽轮机低压缸排汽通道至凝汽器　人口的通道内增加了蒸汽导流装置，导流板安装　示意图如图３所示。采用数值模拟法，对整个排　汽通道安装导流板前后流场进行模拟。从图４中　的流场对比可以看出，安装导流板后，使汽轮机　排汽更加顺畅地进人凝汽器，原不合理的流场分　布能得到明显改善，以达到提高凝汽器的换热性　能，从而提高凝汽器真空的目的。采用数值模拟　法，对整个排汽通道进行模拟实验，再通过增加　导流板使流场优化，确定改造方案。　工　藩　（　（ｂ）　ｊ　图３凝汽器喉部安装导流板　Ｆｉｇ．３　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｍｏｕｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｔｈｒｏａｔ　基辩ＧｔＮ蛭ＥＲｌＮＧ　Ａ　Ｌ　ｉｅＡＴｌｏＮ　第３期　刘晖明３００　ＭＷ机组汽轮机排汽通道安装导流装置设计研究　７７　（ａ）改进前　（ｂ）改进后　图４　安装导流板前后凝汽器流场对比图　Ｆｉｇ．４　Ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｂａｆｌｆｅｓ　图５显示，对凝汽器喉部进行改造，增加导流　板使流场不均匀性得到了明显改善。安装导流板后，　低压缸排汽出口流场不均匀系数明显小于未安装前。　这是因为优化后的后排汽缸扩压能力增强，出口速　度降低，使得出口不均匀系数小于原型设计。　原型设计　优化设计　图５　安装导流板前后低压缸排汽出口汽流不均匀系数　等值线图　Ｆｉｇ．５　Ｌｏｗ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｏｕｔｌｅｔ　ｆｌｏｗ　ｕｎｅｖｅｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｍｍａｐ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａ￣ｏｎ　ｐｌａｔｅ　５　改造效果　江西省电力科院研究院对贵溪发电有限公司　６号机组ｃ修汽轮机低压缸排汽通道优化后进行　了凝汽器安装导流板前、后性能对ｌ：Ｌ－ｉ￣，验。　５．１传热系数及端差的计算　凝汽器喉部人口蒸汽速度发生变化时，管束　的局部传热系数也随之发生变化，并且引起凝汽　器总传热系数的变化，总传热系数是各局部传热　系数的加权平均值。　凝汽器的换热系数可以用式（５）来计算：　（５）　式中：口　为管内壁对冷却水的放热系数，　Ｗ／（ｍ　・Ｋ）；ｄ，，ｄ。分别为冷却管的外径和内　径，ｍ；Ａ为冷却管的导热系数，Ｗ／（ｍ・Ｋ）；　为管外侧蒸汽凝结放热系数，ｗ／（ｍ　・Ｋ）。　法求的凝汽器的总换热系数。一根据各个单元的换热系数ｋ　，利用加权平均　　∑ｋｉＦ　　＝—　一　∑　式中：　为第ｉ面积单元对应的管束局部换热系　数；　为第　面积单元对应管束的冷却面积；Ｆｏ　为凝汽器冷却面积。　最后利用下式计算出端差：　Ａ　６　＝＿　（７）　．．．．．．．．．．．　一　ｅＤ　一１　５．２计算结果及分析　对排汽通道进行优化改造，使凝汽器管束入　口蒸汽流场合理以后，可以有效提高凝汽器的传　热系数，降低端差，这也证明人口蒸汽流场对凝　汽器工作性能有重要影响（见表１）。　表１　改造前后的传热系数和端差计算值　Ｔａｂ．１　Ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｃｏｅｆｌｆｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　试验结果显示（见表２），在循环水进口温度　为３０℃、汽轮机蒸汽负荷率为１００％时，凝汽器　真空提高０．６６　ｋＰａ。以后的数次对比试验和长期　统计结果表明，实施改造后，在与改造前相同的　情况下，凝汽器真空可提高０．４—０．７　ｋＰａ。　表２循环水温变化表　Ｔａｂ．２　Ｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　１０　３．７９　３．３９　０．４０　１５　４．６９　４．２６　０．４３　２０　５．９２　５．４４　０．４８　２５　７．５４　６．９８　Ｏ．５６　３０　９．６３　８．９７　０．６６　３３　１１．１７　１０．４２　０．７５　童ＮＧ｝ＮＥＥＲ｛　Ｇ　ＡＰＰＵＧＡＴｉ０　７８　电力科学与工程　２０１２矩　按照全年平均工况，循环冷却水进口平均温度　２０℃，机组负荷率８０％计算，实施该项目，凝汽　参考文献：　器真空平均可提高０．３５　ｋＰａ，对应供电煤耗下降　［１］周兰欣，李富云，李卫华．凝汽器壳侧准三维数值研究　０．７３　ｇ／ｋＷ・ｈ。按照机组每年实际运行时间７　０００　［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（２３）：２５—３０．　ｈ、机组平均负荷率８０％计算，机组每年节约标煤　Ｚｈｏｕ　Ｌａｎｘｉｎ，Ｌｉ　Ｆｕｙｕｎ，Ｌｉ　Ｗｅｉｈｕａ．Ｑｕ踮ｉ・ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎ—　３　ｘ　１０　Ｘ０．８　Ｘ７　０００　Ｘ　０．７３　Ｘ　１０～＝１　２２６．４　ｔ；每吨　ｓｉｏｎａｌ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｓｈｅｌｌ　ｓｉｄｅ　ｏｆ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ［Ｊ］．Ｐｒｏ．　标煤按１　０００元人民币计算，优化改造后，由于降　ｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２００８，２８（２３）：２５—３０．　低供电煤耗，机组每年增加经济效益：１　２２６．４　ｘ　［２］周兰欣，金童，尹建兴，等。火电机组湿式冷却塔加装　１　０００／１　０００　０＝１２２．６４万元人民币。　导流板的数值研究［Ｊ］．汽轮机技术，２０１０，５２（１）：　１３—１６．　Ｚｈｏｕ　Ｌａｎｘｉｎ，Ｊｉｎｇ　Ｔｏｎｇ，Ｙｉｎ　Ｊｉａｎｘｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　６结论　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｗｅｔ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｔｏｗｅｒ　ｗｉｔｈ　ｂａｆｌｆｅ　ｐｌａｔｅｓｉｎ　ｔｌ１ｅｒｍａｌ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　Ｕｎｉｔｓ［Ｊ］．Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，５２　（１）原设计中排汽端结构缺陷，导致排汽通　（１）：１３—１６．　道损失系数很高，凝汽器管束人口处蒸汽流场分　［３］周兰欣，李海宏，张淑侠．直接空冷凝汽器单元内加装　布不均，影响汽轮机的排汽真空度。　消旋导流板的数值模拟［Ｊ］．中国电机工程学报，　（２）通过加装导流装置对原设计进行改进，　２０１１，３１（８）：７—１２．　降低了出口处速度分布的不均匀程度，从而减少　Ｚｈｏｕ　Ｌａｎｘｉｎ，Ｌｉ　Ｈａｉｈｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｓｈｕｘｉａ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　了气流不均匀分布对凝汽器换热效率的影响，使　ｏｆ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｌｆｅｃｔｏｒ　ｉｎ　ａｉｒ—ｃｏｏｌｉｎｇ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ［Ｊ］．　凝汽器喉部出口流场均匀。　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＳＥＥ，２０１１，３１（８）：７—１２．　（３）通过喉部人口安装排汽导流装置，凝汽　［４］盛伟．３００　ＭＷ汽轮机排汽通道改造的理论计算与实验　器的端差降低了１．４ｌ℃，凝汽器真空提高了　研究［Ｄ］．保定：华北电力大学，２００３．　［５］万逵芳．凝汽器入口蒸汽流场的模拟试验研究［Ｄ］．　０．４～０．７　ｋＰａ　保定：华北电力大学，２００５．　Ｓｔｅａｍ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｌｏｗｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｓｔｅａｍ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｌｉｕ　Ｈｕｉｍｉｎｇ　（Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｇｕｉｘｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｘｉ　３３５４００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇａｉｎｓｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｆｆｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　３００　ＭＷ　ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｉｎｌｅｔ　ｓｔｅａｍ　ｆｌｏｗ　ｗｈｉｃｈ　ｒｏｌｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒ－　ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ａｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ．Ｇｕｉｘｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．ｍａｄｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｅｎｔｉｒｅ　ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｌｏｗ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｔｏ　ｒｅｖｅａｌ　ｔＩｌｅ　ｉｒｒａｔｉｏｎａｌ　ｏｆ　ｅｘｐｏ￣　ｌｆｏｗ．Ａｎｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｉｔ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｃｈａｎｎｅ１．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ｅｎｄ　ｄｉｆｉｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ　ｗａｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　１．４１　ｏＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖａｃｕｕｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎ．　ｄｅｎｓｅｒｗａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　０．４～Ｏ．７　ｋＰａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅａｍ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｌｏｗｅｒ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｅｘｈａｕｓｔ　ｓｔｅａｍ　ｃｈａｎｎｅｌ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ