大功率核電汽輪機低壓缸噴水系統(tǒng)設計

李進

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）

汽輪機在低負荷及空負荷運行過程中，蒸汽流量不足以帶走末幾級動葉鼓風產(chǎn)生的熱量，從而引起排汽缸溫度升高。在汽輪機事故狀態(tài)時，也會有大量高溫蒸汽排入排氣缸，使排氣缸溫度上升。排氣缸溫度過高，易引起低壓缸較大變形，導致動靜間隙改變增大，嚴重時會引起機組振動、動靜碰磨等。同時，排汽溫度過高，會引起低壓末級動葉溫度過高，溫差加大，熱應力加大，增加末級動葉壽命損耗。因此在排汽缸設置低壓缸噴水系統(tǒng)，在低壓排汽缸溫度升高時噴水降溫，防止低壓缸內(nèi)發(fā)生超溫現(xiàn)象，保證汽輪機的安全運行。

1 低壓缸噴水系統(tǒng)及參數(shù)設計

低壓缸噴水系統(tǒng)需要在機組啟動、停機過程中，空負荷及低負荷運行時，能自動或手動控制系統(tǒng)投入運行，以降低低壓缸排汽溫度。

1.1 低壓缸噴水系統(tǒng)設計

低壓缸噴水系統(tǒng)通過在現(xiàn)場布置噴水管道，以冷凝水作為水源，通過凝結水增壓泵將水壓升至設計壓力值后，經(jīng)噴頭進行噴淋。

圖1為簡化后的低壓缸噴水系統(tǒng)圖。

圖1 低壓缸噴水系統(tǒng)圖

1.2 低壓缸噴水流量設計

噴水流量的確定可參照參考文獻選取低壓缸在TMCR工況下每個汽缸排汽量的1.16% 設計，鼓風功率計算所得結果比該數(shù)值略大。

鼓風功率：

將公式 (4)、(3)、(2)帶入

根據(jù)鼓風功率P，得噴水管噴水質量流量Q=3P。式中：P：鼓風功率（kW）；Dm：末級動葉中徑（m）；H：末級動葉葉高（m）；N：機組轉速（r/min）；Q：質量流量（kg/h）。

1.3 低壓缸噴水壓力設計

根據(jù)上節(jié)計算所得噴水流量，管道流速取1～2m/s范圍，設計噴水管道管徑。根據(jù)噴水流量及噴頭的布置，計算所需噴水壓力需求。

1.4 低壓缸噴水結構設計

低壓缸噴水管依據(jù)現(xiàn)場油管道布置方式，應優(yōu)先布置于非油管道側。為防止管道內(nèi)銹蝕堵塞噴嘴，低壓缸噴頭管道材料采用TP304L不銹鋼無縫管。

在設計過程中，采用有限元分析軟件，對管道的不同布置進行應力校核。

2 某項目低壓缸噴水設計

2.1 低壓缸噴水系統(tǒng)設計

系統(tǒng)啟動條件：當機組升/降負荷在20%額定負荷以下時，確保低壓缸噴水閥處于自動開啟狀態(tài)；機組排汽溫度達到70℃。

2.2 低壓缸噴水流量設計

針對某核電項目，低壓末級動葉高度H=1828.8mm， 中 徑 Dm=4828.8mm， 汽 輪 機 額 定 轉速N=1500r/min，計算壓力下的干飽和蒸汽的比容v=17.28678 m3/kg。

代入式（5）計算，得鼓風功率=5472kW。

根據(jù)流量計算結果G=0.00459m3/s，選擇噴水管道流速1～2m/s，根據(jù)截面面積計算結果，選取噴水管徑為 Φ73.0×7.01。

2.3 低壓缸噴水壓力設計

根據(jù)上節(jié)計算結果，取水的密度為1kg/L。

噴頭單缸汽側和電側共布置58個噴頭，每個噴頭流量 G0=9.48L/min。

根據(jù)噴頭參數(shù)，滿足噴頭噴水流量前提下，選擇噴頭工作壓力為 8.54bar，設計流量 9.82L/min。

根據(jù)式（6），選擇節(jié)流孔板的孔徑Φ24mm，孔板前后壓差 ΔP=1.46bar。

根據(jù)系統(tǒng)設置，則要求低壓缸噴水系統(tǒng)進入低壓缸噴水支管噴水壓力P1=P0+ΔP=10bar。

2.4 低壓缸噴水結構設計

項目低壓缸噴水管利用整圈布置的管夾，固定于低壓內(nèi)缸導流環(huán)內(nèi)側筋板，以防止氣流的沖擊；噴水噴頭穿過導流環(huán)上的開孔，對低壓缸排汽進行噴水冷卻，見圖2。

圖2 低壓缸噴水管連接結構設計

由于項目低壓內(nèi)、外缸之間相對位移值較大，設計了方案1和方案2兩種管道走向，并對管道膨脹應力進行有限元分析，見圖3。

計算過程中，在噴水管與外缸連接處，根據(jù)機組低壓外缸有限元分析計算結果，對管道施加三個方向的位移量。管夾與噴水管之間定義為剛性約束，同時輸入噴水溫度、壓力參數(shù)。

其中，正常運行時排汽溫度取27℃，極限工況排汽溫度取100℃（停機值）；噴水管內(nèi)冷卻水溫度為20℃，壓力為10bar。

根據(jù)計算應力結果，方案1管道膨脹應力比方案2管道膨脹應力大近9倍，且超出管道應力允許值4倍，見圖4。考慮系統(tǒng)安全性，噴水管與低壓外缸接口位置和管道走向選擇了應力值較低的低壓外缸端面方案（方案2）。

圖3 低壓缸噴水管布置方案

圖4 方案1和方案2應力分析結果

對每個噴頭的位置和角度進行了二維和三維設計，以得到最佳噴水角度。同時，根據(jù)噴頭試驗數(shù)據(jù)，對噴頭最小設計霧化角度進行限定，以保證噴霧面積與換熱效率，見圖5。

圖5 噴頭布置設計與校核

3 結語

低壓缸噴水系統(tǒng)的設計作為保護排汽缸參數(shù)的重要組成部分，對汽輪機整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行起到了至關重要的作用。近年大功率核電汽輪機的自主研發(fā)設計發(fā)展突飛猛進，文章對低壓缸噴水系統(tǒng)的系統(tǒng)設計，流量設計，管線布置及校核，結構設計均進行了較為詳盡的描述，為大功率核電自主項目低壓缸噴水系統(tǒng)的設計提供了重要參考依據(jù)。

[1] 曲濱榮.150MW等級汽輪機的低壓缸噴水系統(tǒng)總體設計.哈爾濱汽輪機廠有限責任公司研究員 機械工程師.2013年第9期.

[2] 任家富,潘家成.大型汽輪機排汽缸噴水系統(tǒng)分析.東方汽輪機廠.東方電氣評論.1995年6月第9卷第2期.