回热抽汽对上游级气动性能影响的数值研究-.pdf

第5 2 卷 第2期 2 0 1 0年 4月 汽轮机技术 I URBI NE TECHNOLOGY Vo 1 ． 5 2 No ． 2 Ap r ． 2 01 0 回热抽汽对上游级气动性能影响的数值研究 杨少 国， 张红艳 ， 任贵龙 哈 尔滨汽轮机厂有限责任公司， 哈 尔滨， 1 5 0 0 4 6 摘要 针对某型机组高压缸带有抽汽结构的两级叶栅流道 ， 进行了考虑全周叶片通道的数值模拟， 研究了抽汽系统 对汽轮机内流动特性的影响。结果表明， 抽汽对于上游级静叶流动的影响较弱， 气动参数没有出现明显的周向不 均匀性， 但是对上游级的动叶气动参数沿周向分布的均匀性产生了明显影响， 并降低了上游级的气动性能。 关键词 汽轮机； 回热； 抽汽； 数值模拟 分类号 T K 2 6 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 8 8 4 2 0 1 0 0 2 - 0 0 9 9 - 0 2 Nu me r i c a l I n v e s t i g a t i o n o f E f f e c t o f R e g e n e r a t i v e S t e a m E x t r a c t i o n o n Ae r o d y n a mi c P e r f o r ma n c e o f t h e U p s t r e a m S t a g e i n a S t e a m T u r b i n e YANG S h a o - g u o ，Z HANG Ho n g - y a n，REN Gu i l o n g H a r b i n T u r b i n e C o m p a n y L i m i t e d ， H a r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d 0 1 1 t h e t w o s t a g e c a s c a d e p a s s a g e s w i t h s t e a m e x t r a c t i o n s t r u c t u r e i n a HP s t e a m t u r b i n e u n i t ，n u me r i c a l s i mu l a t i o n o ff I l I l c i r c l e b l a d ep a s s a g e si s c a r r i e d o u t a n dthei n fl u e n c e o f s t e am e x t r a c t i o n s y s t e m o nfl o w c h a r a c t e ri s ti c s o f the s t e am t u r b i n e i s s t u d i ed ．T h e r e s u l t s h o w s tha t s t e a m e x t r a c t i o n h a s mu c h l ess e ffe c t o n the fl o w of the u p s tr e a m s t a t o r ，an d a e r o d y n a mi c p a r a me t e r s d o n t t a k e o n o b v i o u s e i rcu mf e r e n e i a l a s y mme t r y ．Wh i l e i t h a s o b v i o u s e ff e c t o n the asy mme t r y of the a e r o d y n a mi c p a r a me t e r dis t r i b u t i o n of t h e u pst r e a m r o t o r an d r e d u c e s the a e r o d y mr m i e p e r f o r ma n c e o f the u pst r e a m s t a g e ． Ke y wo r d s s t e a m t u r b i n e ；h e a t r e g e n e r a ti o n；s t e a m e x t r a c ti o n；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 0 前言 现代电站用大型蒸汽轮机普遍采用回热和再热循环系 统。回热抽汽会引起抽汽口附近透平通流部分、 抽汽缝隙及 集汽室内流动参数在径向和周向分布不均匀⋯。最近几年 在汽轮机设计中都有增大抽汽量的趋势。抽汽量的增大会 进一步加剧流动参数分布的不均匀， 而通常透平设计 中并未 充分考虑抽汽所引起的流动不均匀性 j 。另外 ， 据一些相 关资料介绍， 汽轮机叶片事故多发生在抽汽口附近的透平级 中， 这些事故的发生显然与抽汽口附近流动的不均匀性有直 接关系 ] 。 本文对抽汽口附近透平通流部分 抽汽 口前 1 级、 抽汽 口后 1 级、 抽汽缝、 集汽室和抽汽管道 进行整周全三维数值 模拟， 分析抽汽对透平级通流部分以及抽汽系统内部流动的 影响， 着重分析抽汽所引起的周向和径向不均匀对前 1 级动 叶流动效率和气动性能的影响。 1 物理模型 选取了机组高压缸抽汽结构进行计算。抽汽缝位于高 压第 6级 上游级 动叶出口与第 7级 下游级 静叶进 口之 间， 缝隙宽度为 2 5 m m。图 1表示计算所选取的网格 区域。 吐圭 田 I 圆搔都 田 △ 曼 - r l o G r i d 1 1 完成， 抽汽系统首 收稿 日期 2 0 0 9 - 0 8 1 7 先由U G N X 5进 行几何实体 生成工作， 然后应用 A N S Y S I C E M C F D 1 1 完成几何体网格生成。叶栅流道内的网格 由 H型和 O型网格组成。计算的总网格数为l 0 0 0 万。选用 C F X提供的干蒸汽介质进行计算。图 2表示各列叶片的几 何。表 1 、 表 2分别列出了详细的进口、 出口边界条件 ， 采用 k一 8湍流模型进行计算。 图 1 计算 区域 表 1 1 1 1 1 6 S 7 S 7 R 图 2 各列叶栅叶片 进 口边界 条件 边 界位置 出口静压 ， MP a 出 口流量， k g ／ s 作者简 介 杨少 国 1 9 7 3 一 ， 男 ， 工程师 ， 在读工程硕士 ， 从事汽轮机设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 0 汽轮机技术 第 5 2 卷 2 抽汽对上游级周向均匀性的影响 图3表示动叶横截面静压等值云图， 由图可见在动叶入 口静压分布已经出现周向不均匀性。在环形横截面的上半 部分， 越接近抽汽管位置的低静压区面积越大， 但高低压在 数值上相差较小。在动叶流道 内， 随着汽流的膨胀 ， 低压区 沿周向和径向扩展， 高低压差逐渐增加， 这种发展趋势继续 至出口。从出口到抽汽结束 ， 压力分布发生相反的变化， 换 言之在动叶栅下游汽流的掺混作用下， 低压区面积缩小 ， 高 低压差降低。 尽管如此， 在抽汽接近结束的横截面上， 仍然 存在一个占1 ／ 4轮毂圆弧长的低压区。在抽汽缝前后的横 截面上， 低压区沿周向同样不对称于抽汽管中心线。如图显 示的那样， 该区顺着动叶转动方向是向下偏斜的。 舳 汽缝前 c 抽汽缝后 图3 第 6 级动叶横截面静压等值云图 3 抽汽对上游级二次流损失的影响 由于抽汽会降低第 6级出口抽汽管附近叶顶的静压， 增 加了这部分绕流动叶汽流的焓降， 相对不抽汽情况 ， 必然导 致第 6级动叶内流动状态发生变化。图4表示抽汽与不抽 汽动叶进出口圆周平均轴向速度沿叶高的分布。图中 o u t l 为出口横截面、 o u t 2为抽汽缝隙中心横截面、 o u t 3为抽汽结 束横截面。由图可以薯刮， 动叶进 口轴向速度几乎不受抽汽 影响， 出口周向速度受抽汽影响较大。与不抽汽相比， 抽汽 时轴向速度在下半叶展增加， 在上半叶展减小， 特别是愈靠 近上端壁减小的愈明显。这是因为在抽汽 口附近汽流要实 现 9 o 。 转弯， 抽汽管中的汽流速度低于主流， 而且抽汽量很 小， 因此抽汽对端壁附近的主流具有阻滞作用。同时， 抽汽 引起流量增加， 下半叶展轴向速度必然提高。此外， 在有抽 汽的情况下， 由出口至抽汽结束， 由于抽汽的阻滞作用越来 越强， 上端壁附近汽流的轴向速度逐渐减小， 由轮毂至 8 0 ％ 叶高轴向速度变化不大。 图4 动叶进出口节距平均轴向速度沿叶高的分布 4 抽汽对上游级压力分布的影响 图5表示第 6级动叶不同周向位置根、 中、 顶 3个迥转 面的型面静压分布。图中 o 一 d 分图的 1 、 3 、 4 分别与沿 周向一 9 o 。 、 9 0 。 和抽汽管处相对应。由图可见， 第 6级动叶 片采用的是后部加载叶型。沿流向除了叶根和叶顶因为来 流对动叶的负冲角， 在压力侧进口形成局部过膨胀与逆压梯 度段， 此后基本为顺压梯度， 在吸力侧 由前缘至 6 0 ％ 一7 5 ％ 轴向弦长， 边界层在大顺压梯度作用下加速流动， 仅在出口 段存在一个边界层不得不爬上“ 山” 的逆压梯度段， 由此看 来， 动叶栅的叶型损失是较小的。还可以进一步观察到， 无 论在压力面还是在吸力面上沿径向的压力梯度都是正的， 这 与静叶栅是一致的。但是在动叶栅中对径向二次流起作用 的不是径向压力梯度， 而是动叶高速旋转产生的离心惯性 力。在离心力的作用下， 动叶压力面与吸力面上的边界层由 叶根流向叶顶 ， 边界层在上端壁的积聚与分离是动叶栅气动 性能下降的主要威胁。为了消除这一危险， 设计者采取了两 个措施 一是减小叶顶附近诸翅转面内叶型的气动负荷， 从 而降低上端壁全流道的横向压力梯度； 二是在叶顶采用吸力 侧最底压力点最接近尾缘的后部加载叶型， 进一步减小上端 壁流道n ,- 3 ／ 4 轴向弦长的横向压力梯度。这样一来， 大幅度 消弱了上端壁横向二次流的强度， 从而保证动叶栅具有良好 的气动性能。 下转第 1 2 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 吕 太等 汽轮机滑压运行方式的经济性实验分析 1 2 9 k J ／ k W h 左右 。 再来 比较负荷低于5 1 0 MW时， 顺序阀定压运行、 3阀点 滑压运行、 2阀全开滑压运行， 3种运行方式下的经济性。当 负荷在5 0 5 MW～ 5 1 0 M W 范围内时3种运行方式经济性差不 多， 热耗率相差 1 0 k J ／ k W h 左右。当负荷低于 5 0 5 MW 时， 2阀全开运行方式下热耗率最低经济性最好； 顺序阀定压 运行方式下热耗率最高经济性最差。并且随着负荷降低 3 种运行方式的的热耗率的差值越大。在负荷 5 0 0 MW 时， 2 阀全 开 滑 压 运 行 热 耗 率 比 3阀 点 滑 压 运 行 低 3 2 ． 6 k J ／ k W ． h ， 比顺序阀定压运行低6 1 ． 1 k J ／ k W h 。在负 荷为4 5 0 MW时， 2阀全开滑压运行热耗率比3阀点滑压运行 0 f 4 1 ． 6 k J ／ k W h ， 比顺序阀定压运行低5 2 ． 1 k J ／ k W h 。 4 滑压运行的最佳选择方式 通过对定压运行和滑压运行的经济性研究和分析， 采用 复合滑压运行方式是机组调峰运行的最佳选择方式。采用 负复合滑压方式运行大致分为二个阶段， 即顺序阀定压阶段 和滑压阶段。前 面已经分析 比较过在 负荷为 5 4 0 MW ～ 6 0 0 MW时顺序阀定压运行经济 ， 在 5 0 5 MW ～ 5 4 0 MW时 3阀 点滑压运行经济， 在负荷低于 5 0 5 M W 时2阀全开运行经济。 由于负荷在 5 0 5 MW ～ 5 4 0 MW 时 3种运行的热耗率相差不 大， 而在负荷低于 5 0 5 MW 时2阀全开运行经济性十分明显。 所以为了保证机组调峰期间滑压运行的最优经济性和操作 的方便， 机组的复合滑压方式分为顺序阀定压阶段和2阀全 开滑压阶段。 5 结论 通过对国电电力某 电厂 2号汽轮机滑压运行方式优化 试验的分析， 总结如下 1 通过试验和分析， 得出此 电厂 2号汽轮机组最佳运 行方式 ， 即采用复合滑压运行， 所采用的阀位控制方式为 负 荷在 6 0 0 MW一 5 1 0 M W 时采用顺序阀定压运行方式， 负荷在 5 1 0 MW ～ 3 0 0 M W 时采用 2阀全开滑压运行。 2 对于不同型式的机组 ， 应该采取不同调节阀全开数 的滑压运行方式 ， 以提高机组的运行经济性。 3 根据分析， 机组采用复合滑压运行 ， 可以增加机组使 用寿命， 汽机主辅机运行正常， 机组变负荷速率可以提高。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘振刚， 王永刚．汽轮机组滑压运行方式的优化 [ J ] ． 发电设 备 ， 2 0 0 8 ， 2 2 6 2 6 2 8 ． [ 2 ] 孙永平， 童小忠．6 0 0 M W 机组滑压运行方式优化的试验研究 [ J ] ．热力发电 ， 2 O O 7 ， 3 6 8 5 6 5 8 ． [ 3 ] 吕纪奎． 国产引进型 3 0 0 M W机组顺序阀运行研究[ J ] ． 中国电 力 ， 2 0 0 5 ， 3 8 4 2 1 2 2 ． [ 4 ] 潘志强， 孙玮恒．3 0 0 M W机组 自动滑压运行的实施[ J ] ． 华东 电力 ， 2 O O 7， 4 4 1 0 3 23 5 ． [ 5 ] 陶建国． 6 0 0 M W 机组定滑压运行特性分析[ J ] ． 华东电力， 2 0 0 5， 4 2 8 3 1 3 3 ． [ 6 ] 任浩仁， 李蔚． 火电机组变工况下运行指标应达值的分析 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 6 ， 2 3 9 5 0 5 3 ． 上接第 1 0 0页 是 5 结论 皇 暑 ． 出 盎 叟 出 盎 图5 第6 级动叶不同叶高型面静压分布 参 考 文 献 数值模拟了汽轮机回热抽汽系统前后各 1级 高压第 6 级和第 7级 以及整个抽汽系统 内的流场， 通过对比抽汽对 抽汽点前后级气动性能的影响程度发现， 对于上游级 第 6 级 ， 抽汽对静叶流动的影响较弱， 气动参数没有产生明显的 周向不均匀性 ， 但是对动叶气动参数周向分布的均匀性产生 了明显影响， 进口汽流冲角向负值移动， 动叶后压力降低， 而 且在周向和径向愈靠近抽汽管 ， 这种影响愈强烈。 B c 】 抽汽管处 [ 1 ] 姚福锋， 陈党慧， 康顺． 汽轮机抽汽缝宽度对临近透平级流 场的影响[ J ] ．动力工程， 2 0 0 3 ， 2 6 3 3 2 1 3 2 5 ． [ 2 ] 陈党慧， 康顺． 蒸汽轮机抽汽口几何参数和工况对流场的 影响[ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 0 6 ， 2 7 3 4 1 4 - 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