丰鹤#2机低压缸排汽通道优化

【摘 要】通过对东方汽轮机厂生产的600MW凝汽式汽轮机组低压缸排汽通道结构利用流体力学模型进行分析，制定改造优化方案并实施，实现节能降耗的目的。

【Abstract】Based on the analysis of the fluid mechanics model of the low-pressure cylinder exhaust gas channel of the 600MW condensing steam turbine produced by the Dongfang Steam Turbine Plant， the purpose of optimizing the energy saving and reducing consumption is put forward and implemented.

【关键词】排汽通道；真空度； 模型分析； 节能

【Keywords】exhaust gas channel； vacuum degree； model analysis； energy saving

【中图分类号】TK268 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）09-0159-02

1 引言

鹤壁丰鹤发电有限责任公司#2机为东方汽轮机有限公司生产的600MW汽轮机，机组型号为N600-24.2/566/566，结构形式采用高、中压缸，两个低压缸对称布置。在装有多级叶片的汽轮机中，蒸汽做功后流出进入凝汽器，蒸汽在内、外导流环间流动，排汽缸扩压器的设计为额定工况，当负荷降低时，蒸汽在扩压器中扩压过度出现漩涡回流，导致流动损失增加；在排汽缸与排汽通道有很多支撑结构，在凝汽器喉部布置了#7、8低压加热器、低旁减温减压装置和抽汽管道，严重影响蒸汽流动，换热效果下降，蒸汽不合理流动分布，导致冷凝管束中间产生漩涡，使换热面积减小，不凝结气体聚集在该区，造成换热系数大幅度下降，对凝汽器的换热产生不良影响，造成换热端差增大，导致凝汽器中不凝结蒸汽量增加。不凝结蒸汽进入水环真空泵后放出汽化潜热，使真空泵密封水温升高，工作性能下降，抽吸口压力升高，使凝汽器真空下降，汽轮机排汽压力升高，导致汽轮机组的效率下降。

2 流体力学模型计算分析

汽轮机低压缸排汽状态为湍流，湍流中的流动特征随时间和参数不断发生变化，结构特性比较复杂，但任何瞬间的运动仍然符合连续介质流动的特征，可以用平均量和脉动量之和来考虑，它遵循连续介质的动力学规律，服从质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律。

介质湍流的特性量输运关系公式为：

左1项：单位体积内的局部变化率；

左2项：通过控制面的净通量；

右1项：通过控制面介质散度；

右2项：内部和外部过程对控制体内特性量变化所做的功。

如果设定单位质量的特性量Φ=1，JΦ=0，SΦ=0，对于湍流运动，由于所有任一瞬时特征量都可以表示为：φ= +φ′；设空间点上流体微团的瞬时速度为u= +u′，瞬时密度为ρ= +ρ′，对（1）式展开得：

如果设定特征量为动量，即φ=u，由于分子效应，通过控制面而移动的动量就产生应力，设定作用在单位体积方向上的外力为 Fi，则动量方程为：

如果假设：

①介质流体为连续性；②介质流体动量的粘性扩散与应变成正比；③介质流体具有相同性；④介质流体内的应力仅是速度、压力、密度和温度的函数；⑤ 当静止时介质流体内的压力就是流体内的静压力；⑥ 当介质流体仅作膨胀或压缩而无剪切形变时，介质流体的平均内应力等于其压力；⑦方程的特性常数，如密度、粘度系数等要由实验确定。

对不可压缩流体的湍流运动的时均运动方程：

当介质流体的流动方向平行于重力向量时其常数接近1；当介质流体流动方向垂直于重力向量时其常数接近0。

3 低压缸排汽通道优化节能分析

汽轮机的排汽压力：Pc=Pc′ +△Pres+△Pc ，P′为抽汽口压力；△Pres为凝汽器汽阻；△Pc为排汽缸阻力。

由于△Pc与排汽缸的结构形式有关基本不变，因此排汽压力降低主要与抽汽口压力Pc′和凝汽器汽阻△Pres有关，各抽汽口压力Pc″与机组运行参数有关暂不考虑，降低凝汽器汽阻△Pres来分析排汽压力降低的可行性。

蒸汽流动与冷凝管束搭配的合理对汽阻影响较大，其两相流摩擦力取决于蒸汽流量和干度，当蒸汽流量较大与循环水温度较高时，蒸汽放热量减少，导致冷凝管外蒸汽凝结速度下降，在流过相同的路程下，这些位置的蒸汽干度就大，蒸汽的阻力也就越大。

由上述分析可知，优化导流环，改善排汽缸扩压效果，在机组排汽通道上加装导流装置，凝汽器传热系数增加，蒸汽阻力减小，真空泵性能变好，这些因素的共同作用使得机组的排汽压力明显降低，能够提高汽轮机效率。

4 改造方案

4.1 导流环扩压器优化设计

针对汽轮机末级出口的蒸汽流动特点，改进排气管扩压器的结构，即改进导流环的结构、尺寸和角度，可以使得流场趋于均匀，有效减少流动损失，抑制低负荷时，扩压管通道中涡流的产生。扩压管效率与导流环轴向长度、出口截面积和导流环倾角密切相关：导流环轴向长度和出口截面积一定时，导流环倾角取最大压力恢复系数对应的倾角值时，扩压管效率较高；当导流环倾角一定时，导流环轴向长度取最佳轴向长度，可以保证较高的扩压效率和压力恢复系数。

4.2 排汽通道优化设计

在凝汽器喉部的撑管上加装导流板，合理设置导流板的层次、位置、型线、角度和高度。导流板上缘有的贴在撑管下半外圆上， 有的弯成圆弧挂在撑管上，能尽量减少流动阻力损失，分层次地分流主汽流能减轻汽流对导流板的冲击。

5 实施过程简述

通过在凝汽器喉部内设置导流板等措施，优化凝汽器喉部出口的汽流分布，使凝汽器入口处的汽流尽可能均匀分布。

①根据机组图纸资料和现场测绘数据，进行机组排汽缸和凝汽器喉部建模；②计算机组100%THA、75%THA、50%THA三个工况排汽流场分布；建立数值计算模型，根据3个工况的实验参数，设定合理的边界条件，进行机组不同工况排汽流场计算；③分析流场计算结果，发现结构设计缺陷；④提出排汽优化方案，在适当的位置加装不同形状的均流装置；⑤根据优化方案计算机组100%THA、75%THA、50%THA三個工况排汽流场分布；分析流场计算结果，分析是否满足要求。⑥根据优化方案，绘制导流部件的加工和安装图，制定安装工艺、方案；联系厂家进行导流部件加工制作，并进行检验。

6 经济性分析

根据排汽优化方案，在凝汽器喉部安装流线型的均流装置，采用数值模拟手段确定导流板的位置、块数、层数和角度，导流系统装置安装以后，不影响原设备的结构强度和荷载分配，保证汽轮机组安全运行。

排汽优化对循环水温度较高的春秋和夏季效果比较明显，而冬季效果不明显。夏季和春秋运行时间为 4775 h，根据对比工况分析，保守估计若夏季和春秋平均提高真空0.5kPa，可使发电煤耗降低约为1.5g，以平均负荷率 69.12%计算，则可以节约标准煤为：△B = 600 ×1000 kW ×69.12% × 4775 h × 1.5g ÷ 1000000= 2970.4 t。

如果按每吨标准煤 600元计算，则年节约资金：

M= （0.06）万/t × 2970.4 t= 178.22万元。

项目投资87万元，投资回收期小于6个月。

7 结语

鹤壁丰鹤发电有限责任公司#2汽轮机加装均流装置后，在机组日常运行状况下，凝汽器入口处蒸汽流动方向得到改善，不凝结气体减少，冷却管束下端两角的速度大幅度下降，汽阻明显减小，提高了凝汽器冷凝管的换热系数，抽气口压力下降，真空泵负载降低，最终使汽轮机低压缸的排汽压力下降，提高了凝汽器真空度，实现了节能降耗的目的。

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