300MW汽轮机高排气动分析及改造-.pdf

第 3 9卷 第 2期 2 0 1 0年 6月 热 力透平 THER MAL T UR BI NE Vo I ． 3 9 NO ． 2 J u n．2 0 1 0 3 0 0 MW 汽轮机 高排气动 分析及改造 史 立群 ， 杨建道 ， 杨 锐 ， 彭 泽瑛 上海 电气 电站技术研究与发展 中心 ， 上海 2 0 0 2 4 1 摘 要 上海汽轮 机厂早年生产的亚临界 3 0 0 MW 汽轮机组 由于设 计 中各 种原 因， 其 高压排汽段 的通 流效率 较低 ， 影响 了整个机组的经济性水平 。本文采用 C F D技 术 ， 对该汽轮机的 高压排汽段 的流场情况进行 建模计 算 ， 并结合 国际上 先进 的设 计理 念， 提 出了改造 方案 。最后对 比改造前后 的通 流效率， 预测 了改造所 能达到的 效 果 。 关 键 词 汽 轮 机 ； 高压 缸 排 汽 ； CFD 中图分类号 T K2 6 2 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 5 5 4 9 f 2 0 1 0 0 2 0 0 9 7 0 4 Ae r o d y n a mi c An a l y s i s a n d Re d e s i g n f o r HP Ex h a u s t o f 3 0 0 M W S t e a m T u r b i n e s SHI Li q u n， Y ANG Ji a n d a o， Y ANG Ru i ， PENG Ze y i n g Sh a n gh ai El ec t r ic Po wer Gen er at ion Tec h n ol o gy RD Cen t er ，Sh an g h ai 2 002 41，Ch i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f d e s i g n r e a s o n s ，t h e HP e x h a u s t o f t h e 3 0 0 MW S U b - c r i t i c a l s t e a m t u r b i n e s ma d e b v S TW e a r l y h a s l o we r f l o w e f f i c i e n c y ，t h a t e x e r t i n f l u e n c e o n t h e u n i t ’ S e c o n o my ．I n t h i s p a p e r ， CFD me t h o d i s a p p l i e d t o g e t t h e f l o w f i e l d f o r t h e HP e x h a u s t ， a n d t h e n r e d e s i g n a n e w f l o w s t r u c t u r e a c c o r d i n g t o t h e wo r l d ’ S a d v a n c e d HP e x h a u s t d e s i g n i d e a ． I n t h e e n d，t h e f l o w e f f i c i e n c y o f t h e n e w HP e x h a u s t d e s i g n i s c o mpa r e d wi t h t ha t of t h e ol d o ne a n d t he r e s u l t s t o b e o bt a i ne d a r e p r e d i c t e d。 Ke y wo r ds s t e a m t u r b i n e； HP e x ha us t ； CFD 1 研究背景 提高大型汽轮机组的热效率不仅可以充分利 用有 限能 源 ， 还 可 以减少 有害 物质 的排放 。因此 ， 提 高汽轮 机 效 率 的 相 关 研 究 具 有 极 其 深 远 的 意 义 。汽轮 机高 压 排 汽处 存 在 着 气 流 流 动 的转 折 ， 对此处的通流部分进行优化设计 ， 可 以降低 高压 缸排 汽 的压力损 失 ， 提高 汽轮 机 的热 效率 。 上海汽轮机厂早年生产 的 3 0 0 MW 汽轮机组 高压 排汽 蜗壳 ， 其切 向的轮廓 如 图 1 所示 ， 由于 其 进 口扩压 段 的 空 间 所 限 ， 扩 压 导 流环 的 半 径 R e f 较小 ， 使 得气 流方 向 由轴 向至径 向过 渡 的较 为 剧 烈 ， 影 响 了流动 的效 率 。 其次 ， 在图 1 所示的气流转折处 ， 气流方 向发 生改 变 ， 通流 面积却 急剧 增大 ， 缺少 一个 通流 面 积 慢慢扩 大 的过 渡段 ， 导 致在 高压 静 叶 持 环外 侧 产 图 1 原 型 机 组 高 压 排 汽 缸 不 意 图 切 向 生非常明显的流动分离现象 ， 使得汽轮机 的高压 排 汽压力 损失 较大 。对该 处 的通 流进 行 了优化 设 计 ， 在高压 静 叶 持环 外 侧 增 加 了一 段半 圆型 的 导 流段 ， 这种 结 构可 以让 流动方 向较 为缓 和 的改 变 ， 减 弱流动 分离 和涡 的强 度 。 根据 以上 的分 析 ， 对上 海 汽 轮 机 厂 早 期 生 产 的 3 0 0 MW 汽轮机的高压排汽缸结构进行两方面 的优 化设 计 ， 一 是 增 加 出 口扩压 段 导 流 环 的半 径 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 5 修订 日期 2 0 1 0 一O 1 2 1 作者 简介 史立群 1 9 8 2 一 ， 男 ， 毕业于上海交通 大学 ， 研究生学历 ， 助理工程师 ， 从事通 流与叶片开发工 作。本文为 2 0 0 9年 中国动力工 程学会透平专委会论文研讨会宣读论 文。 蠢 _I l 囡 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 3 0 0 MW 汽轮机 高排 气动分析及改造 Rd， 二是 在 气 流 转 折 段 增 加 半 圆 形 状 的 导 流 段 导 流 圆环 半径 R d 。本课 题对 于不 同 Re f 和 R d 高 压排汽缸 气 动特 性 进行 了计算 和对 比， 力 求 找 到 一个最优 的设计 方案 。 2 研究方法 采用实 验方法 来进行 排汽缸 优化设 计是 非常 困难 的 ， 需 要 大 量 的 人 力 、 财 力 和 物 力 。使 用 C F D方法来 解 决 这 个 问 题 可 以 节 省大 量 的时 间 和 资金 。 2 ． 1 高压 排汽缸 的几何模 型 汽轮机 的整个 高 压 排汽 段 由扩压 段 、 排 汽 腔 室 ， 以及排 汽管 道组 成 。由 U G 建 立 的几 何 模 型 如 图 2所示 ， 部分位 置进行 了简化 ， 以便 于网格 划 分 。整个模 型 的进 口为 高 压末 级 动 叶 的 出 口， 为 圆环 形 状 ， 宽 为 9 9 mm； 出 口为 圆 形 ， 直 径 6 6 0 ． 5 mm； 在 与 出 口相对 的 位置 布 置有 抽 汽管 道 ， 管 道 直径 为 2 9 2 mm。 图 2原 型高 压 排 汽 缸 三 维模 型 2 ． 2几何模 型的 网格 划分 数值模拟的基础是网格， 网格对 于计算的准 确性和精确性都有着非常重要 的影 响。经 过分 析 ， 非结 构化 网格更加 适用 于本算例 。 根据计算软件的要求， 网格 的质量大于 0 ． 2 ， 已经可 以应用 到工程计 算 中 。 其 中 ， 最 大的 网格 尺度 为 6 4 mm， 面 上 的最 大 网格尺度为 3 2 mm， 并在一些 大曲率 的地方对网 格进行了加密。边界层网格一共为 8层， 其 中第 _ 圜 一簟 攀 一 层 网格 尺度 为设置 为 0 ． 2 mm， 以满足 湍 流模 型 对 于 y 的要 求 。 网格 总 数 为 2 ， 0 0 0 ， 0 0 0个 左 右 ， 经过 网格无关 性 的验 证 ， 上 述 网格 尺度 可 以满 足工程计 算精度 的要求 。 2 ． 3 控 制方程 的求解 对于 这个课 题 ， 为 了更 细 致 地分 析 排 汽 缸 内 的三元流 动 ， 我 们 利用 数 值方 法 来 求解 的控 制方 程 为稳 态 的 三维 NS方 程 ， 能 量 方程 以及 连续 性方 程 。 离散偏 微分 方程 方 法 为 有 限控 制 容 积法 ； 差 分格 式为混 合 差分 。为使 控 制方 程 封 闭 ， 采 用 了 标准 k - e 模型， 对于低雷诺数的近壁面， 采用壁面 函数 法 。 2 ． 4排汽 缸气动 性能 的评价指 标 根据所得 的排 汽缸进 出 口的总压 和静压 等参 数 ， 计 算 出排 汽 缸 的静 压损 失 系数 和总 压 损失 系 数等数据 ， 以比较分析排汽缸的气动性能。 Pm P Pm P 1 r 1 2 Pt P 。， P￡ 一 Pt Pt 一 Pt 1 ， 1 2 Pt 一 P 2 ID L ／ 式 中 ， P 、 Pt 、 、 C 分 别 为排 汽 缸 进 口汽 流 的 平均静压 、 总压、 密度和速度； P 、 P t 为排汽缸 出口汽 流 的平 均静压 和 总压 ； 、 为 排汽 缸 的静 压损失 系数 和总压损 失系 数 。 3 计算结果与分析 3 ． 1 原 型 的计算 结果分 析 图 3为原型高压排汽缸 C F D计算的流线图， 图 3 流线 图和截面示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O O Mw 汽 轮 机 高 排 气 动 分 析 及 改 造 热 力 透 平 由图中可以看出， 从进 口到出口， 气流速度先减小 后 增大 ， 并大致 呈现 出一 个旋 转 流出 的情况 ， 旋 转 情 况 以从 与排 汽管 道相 对 的位置 流入 的气 流最 为 明显 。旋 转流 动会 导 致 压 力 损 失 增 大 ， 但 是 如 此 流 动情况 是 由排 汽 缸 结 构决 定 的 ， 暂 时无 法 通 过 改 变排 汽缸 的大 结 构 如 在 原 排 汽 管 的相 对 位 置 再 布置一 个排 汽 口 来 消除这 种流 动损 失 ， 只能 通 过 小范 围 ， 低 成 本 的 改 动来 降低 流 动 损 失 。原 型 气 动计 算 结 果 表 明 ， 整 个 计 算 域 的 总 压 损 失 为 0 ． 5 5 8 6 ， 总 压损 失 系 数 为 1 ． 5 9 8 4 ， 静 压 损 失 系 数 为 1 ． 6 6 9 3 。 我们 通过 图 4所示 的各个 平 面来进 一 步分 析 排 汽缸 的气 动 特 性 。由左 到 右 分 别 是 截 面 1 ， 2 ， 3 图 4 各截面速度矢量和压力分布 图 首 先在 图 4虚线 圈处 的 位 置 ， 该 位 置 是 汽 轮 机高压 排 汽缸 的扩压 段 ， 可以看 出， 由于气 流 直接 冲击 到扩 压段 的外环 ， 导致 该处 压力 很高 ， 并 在扩 压段形 成 了一 个 压力 梯 度 较 大 的 区 域 ， 该梯 度 在 截 面 1 处 最 大 ， 2 ， 3次 之 。这 种 压 力 梯 度 使 得 气 流在扩 压段 的流 动不 够顺 畅 ； 另外 ， 在 内环 处 也形 成 了一 个相 对低 压 区 ， 导致 了回流 的产生 ， 可 由速 度矢 量 图观察 到 回流 的存 在 ， 这 些 都 是 造成 较 大 压力损 失 的原 因 。上 述 的压力 分布是 由于扩压 段 过渡得 过 于剧烈 造成 的， 将 扩压 段 的内环 半径 R r e f 增 大可 以有效 地 缓 解过 渡 的 剧 烈 度 ， 从 而减 小压力 损失 ， 这将 在 下一节 作具 体 的量化 分析 。 其 次 ， 在 排 汽 腔 室 中 存 在 很 大 的 涡 ， 可 由 p l a n e 1 和 2的速 度 矢 量 图 看 出 ， 截 面 1中 由 于抽 汽管 道 的存 在压 缩 了涡 的尺度 ， 可 以明显 看 出 ， 截 面 1处 的涡 强 度要 大 于 截 面 2处 ， 这 与 上 节 中分 析一致 。这一大漩 涡的产生与第一章中提到的气 流转 折处 的结 构设 计 有 关 ， 在 该 处 流 动 方 向发 生 改变 ， 老机组 设计 过程 的时 候 没有考 虑过 渡段 ， 导 致这一 区域 的 流 动分 离 现 象 非 常 明 显 ， 流 动损 失 增加 。在 改造 中， 可 以 在 持环 外 侧 设 计 一 个 半 圆 形 的导流过 渡 段 ， 使 气 流 在转 折 流 动 过 程 中平 滑 过渡 ， 减弱 流动 分离 ， 降低 流动 损失 。关 于增 加导 流过 渡段 的对 于排汽 缸气 动特 性 的改善 效果 详 见 3 ． 3节 。 综 上 所 述 ， 我 们 在 对 3 0 0 MW 汽 轮机 组 高 压 排汽 缸 的改造 工 程 中 ， 可 以从上 文 提 到 的 两个 地 方下 手 ， 一 是 增 大 扩 压 导 流 环 内 环 的半 径 Rr e f ， 二是 在持环 外 侧 增 加半 圆形 的导 流 过 渡段 ， 其 半 径 为 Rd 。 3 ． 2 改 变 Rr e f 后计 算结 果对 比分 析 根据上 文 的计算 结果 分析 和西 屋 的设计 手册 介绍 ， 扩压 导流 环 内径 R r e f 对排 汽缸 气 动特 性有 着 非 常 显 著 的 影 响 。本 文 选 取 了 3个 不 同 的 R r e f ， 分别 为 4 O ， 5 O和 6 5 mm。 由 图 5可见 ， 我 们 在 第 二 章 定 义 的 总 压损 失 系数和静压损 失系数都 随着 R r e f 的增加有着非 常 明显 的 减 少 ， 说 明大 R r e f 有 着 比小 Rr e f 更 好 的气 动特性 。因此我 们在 高压 排汽缸 改造 工作 中 应 该在 汽轮 机 组 轴 距 允 许 的情 况 下 将 Rr e f 设 计 0 _ I圜 ∞ ∞ ∞ 嘞 ㈣ ． 胪 一 毒 王 s ■■匿 霞譬■■■■■■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 3 0 0 MW 汽轮机高排气动分析及 改造 得尽 量大 。 1 4 O s o 盏1 2 5 1 2 0 ＼ k ＼ I 静』 i 损失系数 ＼ 、 - 一 ＼ l 总压损 系数l 一 45 5 5 65 R r e f ram 图 5 不 l司 Rr e { 的 排 汽 缸压 力 损 失 曲 线 图 3 ． 3 改造持 环并 改变 Rd后计算 结果 图 6是改 造前后 两个特 征截面 的速度 矢量 分 布对 比图 。可以发现 ， 经持环 改造后 ， 原先存 在 排 汽腔室 内 的大 尺度 涡 明显 减 弱 截 面 2 ， 甚 至 消 失 截 面 1 ， 增 加 的半 圆形 的导 流 环 可 以 将 气 流 很好地 由扩压 段 引 入排 汽 腔室 ， 并 更 为顺 畅 地通 过排汽 腔室进 入排汽 管道 。 图 6各 截 面速 度 矢 量 图 截 面 1 ， 2 半 圆形导 流环 的半 径 R d对 于排 汽缸 的气 动 特性 也是一 个 重要 的影 响参 数 ， 本文 选 取 了不 同 半 径来进行 建模计 算 。 由图 7不 同 R d的排 汽缸压 力损 失 曲线 图可 以看 出 ， 随着 Rd的增 大 ， 总压 损失 系数 和 静压 恢 复 系数都逐 渐 降低 。Rd越 大 ， 相 比与较 小 的 R d 能够 使气 流 从 扩 压 段 更 为 平 缓 地 过 渡 到 排 汽 腔 室 ， 减弱了流动分离 ， 从 而使得 总压损 失系数减 小 ； 但一旦 R d大 于 8 0 ram 时候 ， 过大 的导流 环影 圆I I I 1 响了排汽腔室的通流面积 ， 使得气动特性难 以进 一 步 提高 。综 上 所 述 ， 在持 环 外侧 增 加 一个 半 圆 形 的导 流环 可 以很 好 地 降低 排 汽缸 的 流动 损 失 ， 优化其 气动 性能 ， 而导 流环 的半 径根 据 需要 来 选 取一个 最优值 ， 根据 以上 的计算 ， 可选在 8 0 ram 左 右 。 螺 、 _ 一 L 1 日 Z 俩 糸 吼l _． 、 、 ． - 一 图 7 不 同 R d的排汽缸压力损失 曲线图 4 总结 根 据上文 的研 究 和分 析 ， 以及 西 屋公 司对 于 高压排汽缸的设计准则 ， 对 3 0 0 MW 机组的高压 排 汽缸进 行改造 ， 可 以从 以下两 个方 面人手 ， 一是 尽 量大地 增加 扩 压导 流 环 内环 的半径 ， 二 是 在持 环 外侧增 加半 圆 形 的导 流 环 ， 并 为 其选 取 一个 合 适 的大 小 ， 建议 其 半径 为 8 0 mm 左 右 。计 算 结果 显示 ， 改造 后最小 的压 力 损失 为 0 ． 3 6 1 ， 比原 型 减小了近 0 ． 2 ， 下降的幅度非常大。经过改造 ， 可一 定程度 降低 机组热 耗 ， 提高 机组经 济性 ， 减少 有 害物质排 放 。 在实 际情况 中， 排 汽缸 进 汽 沿径 向和 周 向是 非均匀分布的， 若要在排汽缸气动特性计算时考 虑进 口的周 向和径 向的不 均 匀 性 ， 需 要 将 末级 叶 片和排汽缸进行耦合计算 ， 这样的计算结果将会 为排 汽缸 的设 计 和优 化提 供 更好 的依 据 和标 准 ， 这将 是后一 步 的工 作方 向 。 参考文献 [ 1 ]彭泽瑛．独特结构是提高汽轮机效率 的关键技术[ J ] ． 热力透 平 ， 2 0 0 8 ， 37 4 2 2 5 2 2 9 ． [ 2 ]We s t i n g h o u s e a n d S TC ．De s i g n R u l e s f o r S i z i n g I n t e r n a l F l o w P a s s a g e [ z ] ．上海汽轮机厂内部资料． 1 9 9 1 ， 6 ． [ 3 ]S i e me n s AG．S t e a m Tu r b i n e Mo d e r n i z a t i o n [ Z ] ． 上海汽轮机 厂内部资料． 2 0 0 8 ， 2 ． 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m