汽輪機(jī)排汽通道優(yōu)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

蘇蘭青，喬春珍，萬逵芳

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102206）

其它

汽輪機(jī)排汽通道優(yōu)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

蘇蘭青1，喬春珍1，萬逵芳2

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102206）

介紹了目前國內(nèi)外關(guān)于排汽通道優(yōu)化技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了汽輪機(jī)排汽缸性能、凝汽器喉部出口流場以及整個排汽通道性能的優(yōu)化問題，研究了低壓通流與排汽缸耦合的數(shù)值計算及低壓缸支撐板梁、喉部四壁加強(qiáng)筋板、減溫減壓器等的影響因素，可為相關(guān)電廠提供參考。

汽輪機(jī)；排汽通道優(yōu)化；凝汽器喉部；排汽缸氣動性能

大型汽輪機(jī)真空每提高1%，機(jī)組熱耗率下降0.5%～1%，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。在其它條件不變時，真空提高意味著排汽壓力的降低，即排汽壓力降低對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響明顯。在汽輪機(jī)初參數(shù)一定時，降低汽輪機(jī)排汽壓力是提高汽輪機(jī)效率的有效措施［1］。除運行調(diào)節(jié)優(yōu)化外，通過汽輪機(jī)排汽通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化也可以有效降低汽輪機(jī)排汽壓力。

汽輪機(jī)排汽通道是指自汽輪機(jī)末級排汽口至凝汽器冷卻管束入口截面這一段通道空間，主要由排汽缸和凝汽器喉部組成。排汽缸主要包括汽輪機(jī)末級排汽內(nèi)外導(dǎo)流環(huán)構(gòu)成的擴(kuò)壓管、低壓內(nèi)外缸、低壓抽汽管道以及中間的支撐部件等；排汽缸的主要作用是通過擴(kuò)壓管將排汽速度壓頭轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓，達(dá)到降低排汽壓力的目的；凝汽器喉部連接排汽缸與凝汽器，內(nèi)部有低壓加熱器、支撐管以及小汽機(jī)排汽接口、減溫器等。凝汽器喉部結(jié)構(gòu)影響出口蒸汽流場和凝汽器換熱性能，也可能增加阻力損失。所以近年來圍繞排汽缸、凝汽器喉部出口流場以及二者耦合的研究受到越來越多的關(guān)注。

1 國內(nèi)外汽輪機(jī)排汽通道優(yōu)化研究現(xiàn)狀

1.1 研究對象

排汽缸是連接凝汽式汽輪機(jī)末級出口至凝汽器喉部的通道。其作用是將汽輪機(jī)通流部分與大氣隔開，以形成蒸汽熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的封閉汽室。其內(nèi)部復(fù)雜，有擴(kuò)壓管、導(dǎo)流板以及為了提高剛性而增加的加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，因為位置的限制，一般采用環(huán)形進(jìn)汽，向下排汽。排汽缸氣動性能受多種因素的影響，如擴(kuò)壓器、排汽蝸殼的幾何形狀，導(dǎo)流板，加強(qiáng)筋的幾何及布置方式，以及來流條件。其中排汽缸氣動損失的主要來源是漩渦流動［2－3］。提高排汽缸氣動性能是提高汽輪機(jī)效率的重要途徑。在冷凝器真空度給定的條件下，通過末級葉柵出口截面處的靜壓的降低，可以提高汽輪機(jī)組的熱效率。因此，對于汽輪機(jī)低壓缸，如果能有效地回收、利用這部分余速動能，可提高機(jī)組熱效率1%，收益可觀［4］。凝汽器喉部即為凝汽器蒸汽入口處，凝汽器喉部作為凝汽器結(jié)構(gòu)的一部分，其設(shè)計保證有足夠好的氣動性能和擴(kuò)壓性。凝汽器運行時的真空直接影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，因此研究凝汽器喉部流場及低壓加熱器的布置形式和位置有重要意義。

目前文獻(xiàn)提及的排汽通道優(yōu)化主要是在凝汽器喉部布置導(dǎo)流裝置，使其出口蒸汽流場與冷卻管束布置方式匹配更加合理，提高凝汽器總體換熱系數(shù)、降低傳熱端差，最終達(dá)到降低主機(jī)排汽壓力、提高經(jīng)濟(jì)性的目的。在加裝導(dǎo)流裝置時，為了尋求最合理的安裝位置，要統(tǒng)籌考慮流場分布均勻和能量損失增加的影響。

1.2 研究方法

通常排汽通道試驗研究采用模型試驗、數(shù)值模擬及二者結(jié)合的方法來考核其氣動特性。模型試驗在排汽通道研究中采用較為廣泛。劉暉明［5］等人對300 MW汽輪機(jī)排汽通道進(jìn)行模型吹風(fēng)試驗。以相似理論為原則，確保了模型和原型幾何、邊界條件及動力相似，模擬得出了排汽通道的優(yōu)化方案。模型試驗結(jié)果比較可靠，但需要加工模型，不夠靈活且耗資較大。相比于模型試驗，數(shù)值模擬的方法耗資少、周期短。因此發(fā)展數(shù)值模擬成為解決汽缸氣動性能問題的有效途徑之一。同時在凝汽器的研究上，為了清晰地展現(xiàn)凝汽器喉部流體流動，很多學(xué)者都開展了模型吹風(fēng)試驗的研究。通過加裝導(dǎo)流裝置的試驗來模擬出口面的流動分布情況，但其弊端是無法呈現(xiàn)裝置內(nèi)部流場的發(fā)展變化和流場數(shù)據(jù)的采集，隨著計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法被廣泛地應(yīng)用于汽輪機(jī)內(nèi)部流場的研究分析中［6］。但是數(shù)值模擬結(jié)果與實際不能很好吻合，因此多使用二者結(jié)合的方式進(jìn)行研究。目前國內(nèi)也逐漸發(fā)展了一些數(shù)值方法及相應(yīng)的計算機(jī)程序，對設(shè)計優(yōu)化方案起到了重要作用。

1.3 排汽缸性能研究現(xiàn)狀

排汽缸性能是早期研究的重點。國際上對排汽缸氣動性能好壞的指標(biāo)評價通常用它的能量損失系數(shù)ξ和靜壓恢復(fù)系數(shù)ψ來衡量，國外一些公司發(fā)現(xiàn)通過在排汽缸內(nèi)部增加各種形式的導(dǎo)流環(huán)，可以優(yōu)化排汽缸性能。ALSTOM、日本日立公司、GE等通過改進(jìn)設(shè)計排汽缸內(nèi)的擴(kuò)壓器，使單機(jī)出功率增加，壓力恢復(fù)系數(shù)提高，總壓損失降低。

在國內(nèi)，上海汽輪廠搭建排汽缸優(yōu)化系統(tǒng)，并對導(dǎo)流環(huán)和導(dǎo)流錐進(jìn)行優(yōu)化，目前這套優(yōu)化系統(tǒng)正在工程熱物理研究所的單級透平＋排汽缸實驗臺上進(jìn)行驗證和進(jìn)一步完善。張荻［7］分析了3種不同進(jìn)口速度條件對汽輪機(jī)排汽缸氣動性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)直流工況的排汽損失系數(shù)為最大，強(qiáng)旋工況的排汽損失系數(shù)最小，排汽損失的大小受氣流能量在不同渦中分配的影響。因此，排汽缸的優(yōu)化設(shè)計過程中避免直流這種耗散性渦的出現(xiàn)。江生科［8］對低壓末級整圈和排汽缸耦合進(jìn)行數(shù)值分析，從排汽缸的總損失系數(shù)總體特性、靜壓恢復(fù)系數(shù)和流場分析的角度來說，擴(kuò)壓管的擴(kuò)壓能力減弱的關(guān)鍵就是進(jìn)口流場的不均勻和汽流周向預(yù)旋的存在。并提出了在排汽通道的設(shè)計中開展末級與低壓缸耦合，以及整個低壓通流與排汽缸耦合的數(shù)值計算分析的觀點。但由于很多文獻(xiàn)都沒有分析濕蒸汽的影響，流場的復(fù)雜性和真實的流動情況無法展現(xiàn)，為了了解濕蒸汽在汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)的真實流動情況，曹麗華［9］考慮了濕蒸汽自發(fā)凝結(jié)過程的影響，通過density－based耦合求解的方法，對排汽通道內(nèi)不同的進(jìn)汽條件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)隨著旋流強(qiáng)度、進(jìn)汽角度和進(jìn)汽濕度的增加，排汽通道內(nèi)流動的能量損失系數(shù)在逐漸降低，排汽通道出口流場的均勻性有一定的提高。由此可見，改善進(jìn)汽條件可以降低排汽通道流動的能量損失，優(yōu)化排汽通道的性能。研究獲得了更加詳細(xì)的排汽缸三維可壓縮濕蒸汽湍流流動的流場情況，為排汽缸的優(yōu)化設(shè)計提供更全面的數(shù)值依據(jù)。但論文并未對導(dǎo)致流場變化的原因進(jìn)行深入分析。

在排汽缸的設(shè)計中，提高其氣動性能不僅要分析其內(nèi)部流動狀態(tài)，還要從優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)兩方面來研究。王平子［1］對大功率汽輪機(jī)排汽缸的氣動性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)缸的進(jìn)口馬赫數(shù)達(dá)到一定值時，缸的損失系數(shù)呈轉(zhuǎn)折性增長的趨勢，但由于模型試驗的局限性，不能模擬實際的汽流進(jìn)口情況，使得實物缸損失系數(shù)大大高于模型試驗數(shù)據(jù)；缸發(fā)生阻塞時的極限馬赫數(shù)取決于其損失值的大小。沈國平［10］等對300 MW低壓排汽缸進(jìn)行了模型試驗，分析了影響排汽缸氣動性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)。研究結(jié)果表明：當(dāng)排汽缸軸向尺寸一定時，為了降低低壓排汽缸的損失，可以通過增加擴(kuò)壓器直徑、優(yōu)化擴(kuò)壓器內(nèi)壁型線等方法。陳洪溪［11］等對排汽缸的軸向長度、擴(kuò)壓器出口寬度及蝸殼上半缸高度、導(dǎo)流環(huán)幾何形狀等參數(shù)進(jìn)行吹風(fēng)試驗研究。結(jié)果表明：增加排汽缸的軸向長度、增加環(huán)形擴(kuò)壓管出口直徑，對排汽缸性能的改善是有利的。張荻［12］對影響低壓排汽缸氣動性能的三個主要形狀因素（導(dǎo)流環(huán)傾角θ、導(dǎo)流環(huán)軸向長度S、導(dǎo)流環(huán)弧形外沿半徑R）進(jìn)行了正交試驗，結(jié)果顯示導(dǎo)流環(huán)傾角對排汽損失系數(shù)的影響最為明顯，導(dǎo)流環(huán)軸向長度較顯著，導(dǎo)流環(huán)弧形外沿半徑的影響因素不顯著。由此提出排汽缸優(yōu)化設(shè)計方向：應(yīng)對θ和S加以變化從而保證前期翻轉(zhuǎn)的順利進(jìn)行。

還有人通過在排汽缸內(nèi)部安裝擾流部件以改變內(nèi)部旋渦來提高其性能的研究。謝偉亮［13］分析了在不同位置導(dǎo)流擋板對排汽缸壓力恢復(fù)系數(shù)和壓力損失系數(shù)的影響，研究表明：橫向單導(dǎo)流擋板的效果優(yōu)于縱向雙導(dǎo)流擋板，并且安放導(dǎo)流擋板的位置為兩側(cè)的流量之比約為1∶1時性能達(dá)到最優(yōu)，因此在此處安裝橫向?qū)Я鲹醢宓男Ч^佳。

1.4 凝汽器喉部出口流場研究現(xiàn)狀

通過凝汽器喉部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善凝汽器冷卻管束入口蒸汽流場和凝汽器換熱性能，降低排汽壓力，是近年來關(guān)注的一個重點。

萬逵芳［14－15］研究了凝汽器入口蒸汽流場及其對汽輪機(jī)排汽壓力的影響，其模型將排汽缸與喉部統(tǒng)籌考慮，內(nèi)部只考慮了支撐管架和加熱器圓筒，其它附件如低壓各段抽汽管道、小汽輪機(jī)排汽等均未考慮。研究發(fā)現(xiàn)在凝汽器設(shè)計、改造或?qū)ζ涔ぷ餍阅苓M(jìn)行研究時應(yīng)該以管束布置與入口蒸汽流場搭配是否合理為標(biāo)準(zhǔn)；在二者搭配不合理時要考慮改變管束布置和改變蒸汽流場，并且改變蒸汽流場要比改變管束布置操作更容易，效果更好。在排汽缸內(nèi)或凝汽器喉部內(nèi)加裝合適的導(dǎo)流裝置，可以明顯地改善其出口流場，流場均勻后，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提高。并且通過在300 MW機(jī)組排汽通道加裝均流裝置，得出排汽通道壓力損失不變，傳熱系數(shù)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排汽壓力明顯降低的結(jié)論。并通過在電廠的實際應(yīng)用驗證此方法可有效降低汽輪機(jī)組排汽壓力。

崔國民［16］采用的方法是直接模擬蒙特卡羅數(shù)值模擬，分析了凝汽器喉部擴(kuò)散角度對其流場穩(wěn)定性和均勻性及汽阻的影響。他的模型中主要包括殼體和低壓加熱器2個主要部分，并認(rèn)為整個流場溫度不變。郭玉雙［17］總結(jié)了喉部壓力損失隨喉部擴(kuò)散角的變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了臨界擴(kuò)散角的概念，研究表明：喉部的擴(kuò)散角在較小范圍內(nèi)的適當(dāng)增大有利于減小喉部的汽阻；一定的工況對應(yīng)一個臨界擴(kuò)散角度，在此臨界值以上的擴(kuò)散角度增加對減小汽阻是無用的；為了流場的穩(wěn)定性和均勻性，擴(kuò)散角度越小越好。發(fā)現(xiàn)兩側(cè)壁處汽流速度高，而汽流中心的速度低，從而產(chǎn)生壓差阻力。因此，凝汽器喉部出口流場存在著一些不合理的地方，通過在在喉部排汽通道合適的位置增加旁路擋板，改善了凝汽器的傳熱效果，其中機(jī)組排汽壓力降低、真空提高，凝汽器傳熱端差減小。曹麗華［18－19］等人對有小汽輪機(jī)排汽的凝汽器喉部流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬研究。由于小機(jī)排汽和低壓加熱器對喉部汽流有很大的影響，可以近似忽略其它裝置對其產(chǎn)生的影響。因此假設(shè)喉部內(nèi)只有低壓加熱器和小機(jī)排汽，并且考慮流場分布的對稱性及該模型的結(jié)構(gòu)。對于配備雙背壓凝汽器的汽輪機(jī)，排汽通道內(nèi)的流動狀況與單背壓有很大區(qū)別，利用Fluent軟件，結(jié)合Simplec算法，對加裝了導(dǎo)流裝置的凝汽器喉部內(nèi)的蒸汽流動進(jìn)行了數(shù)值模擬。分析喉部流場速度分布圖得出未加導(dǎo)流裝置前，低加兩側(cè)的高速區(qū)、喉部斜壁下方的低速回流區(qū)、小機(jī)排汽局部低速區(qū)是影響流場分布不均勻的因素，其中影響最大的是小機(jī)排汽引起的低速區(qū)，加裝導(dǎo)流裝置后，改善了出口流場速度分布的均勻性并且大大提高了喉部出口流場均勻性系數(shù)，因此認(rèn)為可以把小機(jī)側(cè)導(dǎo)流裝置的加裝作為重點。

崔國明［20］等人又從凝汽器喉部內(nèi)置低壓加熱器的不同布置高度對喉部汽阻和流動均勻性的影響進(jìn)行了研究。研究表明：每一套固定的低壓加熱器與喉部的配合時，低壓加熱器布置會有一個最佳的位置，并且最佳位置要隨著殼體的尺寸及低壓加熱器的直徑而變化；在低壓加熱器的設(shè)計高度時，將減小喉部汽阻作為原則，其研究對凝汽器的喉部設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

1.5 排汽通道耦合流動研究現(xiàn)狀

近些年，汽輪機(jī)末級排汽旋轉(zhuǎn)運動、排汽缸和喉部的相互影響等因素對排汽通道流場的影響研究，其適用性受到一定程度的限制。國內(nèi)外已經(jīng)加強(qiáng)了對由排汽缸、凝汽器喉部以及汽輪機(jī)末級構(gòu)成的排汽通道整體研究，并關(guān)注汽輪機(jī)末級排汽旋轉(zhuǎn)運動對排汽通道流場的影響［21－22］。在國內(nèi)，曹麗華、付文峰［23－24］等人分別對國產(chǎn)300 MW、600 MW汽輪機(jī)組的排汽缸和喉部的流場進(jìn)行耦合計算，得出在排汽缸拱頂處加裝導(dǎo)流擋板和在擴(kuò)壓管處加裝分流板，能有效改善通道內(nèi)流場的結(jié)論。采用排汽缸和喉部的耦合模型進(jìn)行研究，可以使喉部進(jìn)口參數(shù)分布與模型情況接近。周蘭欣［25］等人用數(shù)值計算機(jī)軟件模擬了排汽缸和凝汽器喉部耦合流動，研究表明：進(jìn)口汽流不管直流還是旋流，占總壓損比例的最大的是上游段壓損，其次是中游段，下游段最小。同時，直流進(jìn)汽比旋流進(jìn)汽的改造效果明顯。宋震［26］采用數(shù)值模擬方法對汽輪機(jī)末級—排汽缸—凝汽器喉部的三維耦合流動規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為末級耦合時沿葉高方向擴(kuò)壓管入口速度逐漸變化，使擴(kuò)壓管內(nèi)分離渦變?。获詈夏骱聿繒r除引入喉部的能量損失外，還會增加上游各部分的能量損失，并增加出口流場不均勻度。

2 汽輪機(jī)排汽通道優(yōu)化技術(shù)發(fā)展趨勢

2.1 內(nèi)部元件影響研究

已有研究中，無論是針對單獨的排汽缸、凝汽器喉部，還是針對耦合汽輪機(jī)末級在內(nèi)的排汽缸及凝汽器喉部為一體的整個汽輪機(jī)排汽通道，模型對內(nèi)部元件的考慮僅限于低壓加熱器、抽汽管道、支撐管、小機(jī)排汽等，而且大多僅考慮其中一二種元件影響，同時考慮諸如汽輪機(jī)末級、排汽缸、喉部及其支撐管等4種元件影響的研究［15］并不多見。在已考慮的元件中，對排汽通道性能和出口流場影響的重要程度結(jié)論并不明顯。

除上述內(nèi)部元件外，排汽通道內(nèi)部還存在減溫減壓器、軸封管道、凝汽器壁面筋板等部件，支撐管又分為橫向支撐和斜向支撐方式，對于上述元件的獨立影響、尤其是綜合考慮所有內(nèi)部元件對排汽通道性能和出口流場的影響尚未見文獻(xiàn)報道，有待于進(jìn)一步研究。

2.2 汽流邊界條件影響研究

以往研究表明，除排汽通道結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部構(gòu)件以外，進(jìn)口汽流參數(shù)、分布、旋度以及蒸汽濕度等邊界條件對排汽缸性能有明顯影響［26－27］，但對排汽通道性能的研究中，通常只考慮一二個影響，將上述邊界條件統(tǒng)籌考慮后的排汽缸（通道）性能（壓力恢復(fù)系數(shù)、壓力損失系數(shù)、出口流場等），尚無文獻(xiàn)報道。同時有必要對速度分布、濕度綜合考慮后，結(jié)合內(nèi)部元件影響的復(fù)雜模型深入研究。

另外汽輪機(jī)變工況下排汽流場的變化對排汽通道性能和流場的影響，應(yīng)進(jìn)一步分析。

2.3 喉部出口流場與冷卻管布置方式耦合研究

汽輪機(jī)排汽通道優(yōu)化研究的一個重要目的是獲得較為合理的凝汽器出口蒸汽流場，提高凝汽器冷卻管束的換熱性能，最終得到較低的排汽壓力和較高的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，因此，喉部出口流場與管束布置方式耦合以提高換熱性能，也是未來需要研究的重點之一。

3 結(jié)束語

本文介紹了汽輪機(jī)排汽通道的方法，從排汽缸氣動性能、凝汽器喉部及汽輪機(jī)末級—排汽缸—喉部的優(yōu)化進(jìn)行分析。對于我國目前的研究現(xiàn)狀，改造排汽通道時，應(yīng)綜合考慮汽輪機(jī)末級、排汽缸及喉部三部分的相互影響，開展整個低壓通流與排汽缸耦合的數(shù)值計算分析，同時，考慮流動的相變影響。同時應(yīng)將喉部出口流場與管束布置方式耦合作為一個新的方向。另一方面除了現(xiàn)有影響因素的研究，未來應(yīng)該更加細(xì)化的考慮低壓缸支撐板梁、喉部四壁加強(qiáng)筋板、減溫減壓器等的影響，并做重點研究。

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［20］崔國民，關(guān) 欣，李美玲，等.凝汽器喉部內(nèi)置低壓加熱器的合理布置研究［J］.動力工程，2001，21（3）：1 233－1 236.

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［26］宋 震，胥建群.汽輪機(jī)排汽通道耦合流動數(shù)值模擬［J］.東南大學(xué)學(xué)報，2015，45（4）：701－706.

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Development and Trend on Optimization Technology of Steam Turbine Exhaust Channel

SU Lanqing1，QIAO Chunzhen1，WAN Kuifang2
（1.North China University of Technology，Beijing 100144，China；2.China Datang Corporation Science and Technology Research Institute，Beijing 102206，China）

The research methods of steam turbine exhaust passage optimization are summarized，the status of aerodynamic performance of exhaust cylinder，velocity field of condenser's throat outlet and optimize performance of the whole exhaust passage are reviewed and analyzed.Analysis results show that the numerical methods of low pressure flow passage and exhaust cylinder coupling as well as the in?fluence of low－pressure cylinder support plate girder，throat strengthen ligament and temperature－decreased pressure reducer should be emphasized in the research.

steam turbine；exhaust channel optimization；condenser throat；pneumatic performance

TK263

A

1004－7913（2016）10－0056－04

北方工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃項目（XN072－029）

蘇蘭青（1993），女，碩士在讀，主要從事清潔能源與環(huán)境方面研究。

2016－07－25）