基于V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器數(shù)值模擬研究

鄒　東，劉　楊，張　喆

(1. 華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司，河南駐馬店463000;2. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

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基于V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器數(shù)值模擬研究

鄒東1，劉楊1，張喆2

(1. 華能河南中原燃氣發(fā)電有限公司，河南駐馬店463000;2. 西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，陜西西安710049)

摘要：燃氣輪機排氣擴散器檢修，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)其內(nèi)護板脫落現(xiàn)象。應(yīng)用ANSYS FLUENT流體軟件，采用RNGκ-ε湍流模型對燃氣輪機排氣擴散器內(nèi)流場進行三維數(shù)值模擬。通過對性能保證、ISO、夏季和冬季4種典型工況下速度場變化情況分析，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機排氣在排氣擴散器內(nèi)存在卷吸現(xiàn)象。依據(jù)工程設(shè)備實際狀況，提出有效的控制措施。

關(guān)鍵詞：排氣擴散器；模型；速度場；卷吸；措施

0引言

隨著我國對天然氣資源的開發(fā)和利用，以及改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)峰需求，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展。燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站指空氣在壓氣機內(nèi)經(jīng)等熵壓縮與燃料混合在燃燒室中燃燒，燃燒后的排氣在透平中做功；燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐，水經(jīng)對流換熱后變成符合參數(shù)的過熱蒸汽進入汽輪機做功。燃氣輪機是聯(lián)合循環(huán)電站的主要設(shè)備之一，其安全穩(wěn)定運行對整個電站起決定性作用。

排氣擴散器是燃氣輪機排氣至余熱鍋爐過渡段[1]，入口處有金屬波紋膨脹節(jié)，出口處有非金屬膨脹節(jié)。其作用是把燃氣輪機排放的溫度較高的螺旋狀煙氣進行擴容降壓并導流為具有一定規(guī)律的紊流氣體進入余熱鍋爐入口煙道，避免熱應(yīng)力集中產(chǎn)生熱變形，提高余熱鍋爐運行安全性[2]。其內(nèi)流場是大尺度運動，考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流情況和主流時均應(yīng)變率，根據(jù)以往大量算例顯示，用RNGκ-ε湍流模型來模擬排氣擴散器分離流。

1數(shù)值模擬方法

1.1排氣擴散器概況

排氣擴散器位于燃氣輪機尾部，圓筒形臥式容器，其檢修時主要檢查護板、導流板和保溫損壞狀況并修復(fù)。機組啟停與負荷變化時，在交變熱應(yīng)力作用下，其內(nèi)溫度和速度變化對排氣擴散器[3]內(nèi)部導流板、墊片、內(nèi)護板以及保溫的危害很大。機組檢修，需定期檢驗排氣擴散器狀況，以免影響機組安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定運行。燃氣輪機排氣主要參數(shù)如表1所示。

表1　燃氣輪機排氣主要參數(shù)

1.23D建模和網(wǎng)格

研究對象為V94.3A型燃氣輪機排氣擴散器[4]。燃氣輪機是西門子“F”級工業(yè)重型燃機，名義功率為272 MW，采用單軸、環(huán)形燃燒室[5]和軸向排氣結(jié)構(gòu)，具有設(shè)計合理、運行可靠、壽命長、適合多種燃料、檢修方便等優(yōu)點。查閱安裝資料，以排氣擴散器入口中心為坐標原點，水平橫向為X軸，水平縱向為Y軸，豎直方向為Z軸，依照原始尺寸1∶1比例對模型進行三維建模及網(wǎng)格劃分。

采用有限元法進行數(shù)值模擬，在各小單元分片構(gòu)造插值函數(shù)，根據(jù)變分或加權(quán)余量法，將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限方程，并且把總體的極值作為各單元極值之相加。計算所用三維模型是在Workbench平臺中的Geometry模塊上建立，并在其Mesh模塊中進行網(wǎng)格劃分。采用分區(qū)域劃分方法對三維模型進行網(wǎng)格劃分，主要根據(jù)關(guān)注程度不同進行網(wǎng)格尺寸設(shè)置?；痉桨刚麄€計算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)大約為41萬，計算區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1　排氣擴散器網(wǎng)格劃分示意圖

1.3基本方程

利用壓力修正法求解定常流動外流場控制方程，假定外流場[6]中流體為不可壓縮流體，基本控制方程中連續(xù)方程和動量方程采取耦合方式將壓力與密度聯(lián)立，采用SIMPLE方法求解控制方程。模型基本方程如下：

(1)連續(xù)性方程

(1)

(2)動量方程

(2)

(3)動能方程

(3)

(4)湍流耗散率方程

(4)

2模擬結(jié)果分析

設(shè)置模型邊界條件，通過燃氣輪機在性能保證工況、ISO工況、夏季工況和冬季工況運行時三維數(shù)值模擬，得出排氣擴散器4種典型工況下的速度場分布。依據(jù)實際狀況，取X=0平面和X=1 000平面數(shù)值模擬結(jié)果進行分析。X=0平面即排氣擴散器中心垂直面，其速度矢量圖如圖2所示。

圖2　X=0平面速度矢量圖

從圖2中可以看到，燃氣輪機[7]排氣進入排氣擴散器后，隨著煙道通流面積逐漸擴大，排氣向外側(cè)擴張。由于排氣速度快，而排氣擴散器長度相對較短，煙氣無法在煙道內(nèi)速度分布均勻。排氣擴散器沿煙道邊緣處速度較小，排氣的中心方向速度較大，底部煙氣流速相對較快，頂部速度較慢，速度梯度相對較大。4種典型工況下排氣的速度逐漸減小且趨于均勻，以避免煙氣過度沖刷余熱鍋爐過熱器管道。根據(jù)流速與壓強關(guān)系，當某處流速較大時，該處的壓強較小，當壓強減到低于周圍壓強時，會產(chǎn)生卷吸氣流，并在局部附近出現(xiàn)漩渦，形成卷吸現(xiàn)象。

X=1 000平面4種典型工況速度矢量，如圖3所示。從圖2與圖3可以看出排氣擴散段非金屬膨脹節(jié)處煙氣卷吸現(xiàn)象比較明顯，對導流板和內(nèi)護板沖刷嚴重，伴有護板間保溫脫落。而排氣擴散段金屬波紋膨脹節(jié)位于燃氣輪機排氣出口處，機組運行時溫度[8]較高，機組啟停與變負荷過程中，承受的熱應(yīng)力較大。排氣擴散器檢修，著重檢查膨脹節(jié)處導流板、內(nèi)護板和護板間保溫情況。

圖3　X=1 000平面速度矢量圖

3控制措施

根據(jù)設(shè)備實際情況和三維數(shù)值模擬結(jié)果，提出在卷吸現(xiàn)象較大部位，更換為高溫耐磨材料部件、噴涂高溫耐磨涂料以及制定合理的檢修方案。

3.1更換為高溫耐磨材料部件

高溫耐磨材料可承受熱沖擊、強度高、不怕氧化、耐酸堿腐蝕、耐磨損以及硬度大等優(yōu)點。排氣擴散器的墊片、螺栓、導流板和護板可更換為高溫耐磨材質(zhì)，例如新型無機非金屬材料等；減少卷吸現(xiàn)象[9]帶來的損壞，提高設(shè)備安全性能。

3.2噴涂高溫耐磨涂料

高溫耐磨涂料是新型節(jié)能耐磨涂料，其主要由無機聚合物分散液和高溫耐磨骨料等組合而成。排氣擴散器損壞部位，修復(fù)后噴涂高溫耐磨涂料[10]，在部件表面形成體積密度大的顆粒緊密堆積物，減少設(shè)備部件損壞和內(nèi)部熱量損失，確保機組安全經(jīng)濟運行。

3.3制定合理的檢修方案

依據(jù)燃氣輪機實際運行狀況，夏季和冬季發(fā)電量較大，春秋兩季發(fā)電量較少，建議排氣擴散器檢查放在春秋兩季進行，不影響電網(wǎng)調(diào)峰。檢修前，提前制定檢修方案和檢修文件包。針對需要焊接的部件，準備好備件，編制焊接以及熱處理工藝卡。檢修過程中，做好安全分析和危險點預(yù)控措施等。

4結(jié)論

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站為調(diào)峰機組，依據(jù)機組運行狀況，提前制定合理的檢修方案，確保排氣擴散器正常運行，減少煙氣熱量損失，提高聯(lián)合循環(huán)效率。通過ANSYS FLUENT流體軟件數(shù)值模擬方法[11]，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機排氣擴散器內(nèi)存在卷吸現(xiàn)象。依據(jù)就地設(shè)備狀況，提出可行控制措施，為相似類型的聯(lián)合循環(huán)機組運行、檢修和研究提供借鑒。

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Study on Numerical Simulation Based on V94.3A Gas Turbine Exhaust Diffuser

ZOU Dong1，LIU Yang1，ZHANG Zhe2

(1. Huaneng Henan Zhongyuan Gas Power Generation Co., Ltd., Zhumadian 463000, China;2. Xi′an Jiaotong University, State Key Laboratory of Multiphase Flow of Power Engineering, Xi′an 710049, China)

Abstract：During the overhauls of the gas turbine exhaust diffuser, the inner guard is often found broken off. Based on software ANSYS FLUENT, the RNG κ-ε turbulence model of flow field is applied to simulate the flow field in the gas turbine exhaust diffuser and the three-dimensional numerical simulation results are obtained. Analyses of the performance guarantee, ISO, and four kinds of typical working conditions of velocity field change in summer and winter, are also proposed. The phenomenon of gas entrainment in exhaust diffuser is found. According to the situation of the practical equipment, effective control measures are put forward.

Keywords：exhaust diffuser; model; velocity field; entrainment; measures

收稿日期：2016-02-29。

作者簡介：鄒東 (1972-)，男，工程師，研究方向為火力發(fā)電機組生產(chǎn)技術(shù)與管理，E-mail：yourmaty@163.com。

中圖分類號:TK264

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.014