汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造分析

谷建

（山西國金電力有限公司，山西 太原 030000）

隨著整個(gè)社會(huì)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)的的創(chuàng)新對(duì)汽輪機(jī)行業(yè)的提升有充分的幫助，因此改進(jìn)型的汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在現(xiàn)代汽輪機(jī)行業(yè)中占有重要的地位，新型汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以極大地提高傳熱效率，減小排汽時(shí)的內(nèi)部壓力，提高汽輪機(jī)組的真空度，進(jìn)而提高汽輪機(jī)組的整體經(jīng)濟(jì)行，加快行業(yè)的發(fā)展。

1 設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r和當(dāng)前問題

某發(fā)電廠自身擁有2 臺(tái)330MW 的機(jī)組，它們的汽輪機(jī)的信號(hào)是N330-17.75/540/540，這是我國的北重汽輪機(jī)廠在引進(jìn)了發(fā)過汽輪機(jī)企業(yè)阿爾斯通的技術(shù)后，消化吸收國內(nèi)外的先進(jìn)科技方法而制造出的最先進(jìn)的亞臨界330MW 型號(hào)的改造型機(jī)型中的一種，它擁有單個(gè)主軸，兩個(gè)排汽通道，3 個(gè)氣缸，進(jìn)行一次中間再熱，屬于沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)所使用的凝汽器是由北重汽輪機(jī)廠制造的，型號(hào)為N-18500型，屬于單殼體凝汽器，它采用單流程模式以及對(duì)分的方式，是一種表面式的凝汽器。汽輪機(jī)的水冷系統(tǒng)采用封閉式的水循環(huán)進(jìn)行冷卻，使用的是水環(huán)式真空泵型的抽汽機(jī)。

該類汽輪機(jī)的整體結(jié)構(gòu)比較緊湊，不過在它的汽輪機(jī)低壓缸排氣通道處有一些明顯的瑕疵和缺陷，低壓缸的缺陷主要是因?yàn)檫\(yùn)用了徑向的排汽結(jié)構(gòu)，由于它的擴(kuò)充填壓部分沒有使用導(dǎo)流環(huán)裝置，所以使得汽輪機(jī)的排汽通道的流場(chǎng)紊亂，分布不正常。而排氣通道的流場(chǎng)的不合理性分布就導(dǎo)致了汽輪機(jī)凝汽器中換熱管的冷熱失衡，熱載荷分布不平均，使得整個(gè)凝汽器的熱量分布不均勻，傳熱效果差，傳熱面積小，凝汽器中真空度下降，間接性地使汽輪機(jī)的工作效率減小、能量的利用率降低，這種現(xiàn)象在溫度高的夏季尤為突出，由于夏季汽輪機(jī)的工作環(huán)境中散熱條件差，所以，汽輪機(jī)效率就更低。因此，對(duì)這種類型的汽輪機(jī)低壓缸排氣通道的優(yōu)化改造是毋庸置疑的，只有這樣才能充分利用能量，達(dá)到高效、節(jié)能的技術(shù)水平。

2 問題產(chǎn)生的原因

導(dǎo)致低壓缸排汽壓力高的原因是其排汽通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，首先是也由于低壓缸使用了豎直方向的排汽結(jié)構(gòu)，它的排汽端有一個(gè)10°左右的傾斜角，所以使得排氣通道的能量損失系數(shù)達(dá)到了1.46，排汽口的蒸汽速度也出現(xiàn)異常，在這個(gè)區(qū)域熱量分布出現(xiàn)了很大的回旋區(qū)，所以從熱力學(xué)方面分析，它不僅是熱傳導(dǎo)面積減少，而且會(huì)導(dǎo)致未凝結(jié)的氣體聚集于此，不利于熱傳導(dǎo)。隨著冷卻管的氣體入口的蒸汽速度的增大，它自身的散熱系數(shù)會(huì)增大，不利于散熱。300MW型的汽輪機(jī)機(jī)組凝汽器的冷卻管由于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題導(dǎo)致其傳熱能力不強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)還有待提高。一方面，在排汽通道的出口處較遠(yuǎn)的位置氣流速度很高，而熱傳導(dǎo)系數(shù)沒有明顯性的變化，蒸汽量明顯會(huì)增加。所以沒有凝結(jié)的蒸汽氣體進(jìn)入到真空泵中，又使得真空泵中水溫過高，真空泵的溫度也直接上升，泵的工作效率下降。另一方面，凝汽器中真空度的降低也導(dǎo)致了排汽出口的壓力值過高。這些所有的不利因素間接地降低了排汽通道、凝汽器以及冷卻管的額定使用壽命。

3 優(yōu)化改造的數(shù)據(jù)依據(jù)

由于我國的汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造起步較晚，發(fā)展比較緩慢，所以可參考的數(shù)據(jù)較少，不足以分析出較為權(quán)威性的數(shù)據(jù)參數(shù)來作為指導(dǎo)。國外的汽輪機(jī)制造行業(yè)發(fā)展了很多年了，對(duì)于低壓缸排汽通道的優(yōu)化改造有了一定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，所以值得借鑒。外國的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在汽輪機(jī)中凝汽器的冷卻管的熱傳導(dǎo)系數(shù)會(huì)因?yàn)檎羝麣怏w的流速增加而上升，而且它會(huì)在氣體流速達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定，不再變化。所以可以這樣說，蒸汽流速可以大致與熱傳導(dǎo)系數(shù)成正比，即兩者的趨勢(shì)相同，蒸汽流速大了則熱傳導(dǎo)系數(shù)就較大，蒸汽氣體流速小了則熱傳導(dǎo)系數(shù)就偏小。如果進(jìn)行相應(yīng)的改造，使高速氣流分布在低速流場(chǎng)中，那么整個(gè)冷卻管中的氣體流暢較為平均，熱傳導(dǎo)系數(shù)就會(huì)增加，散熱能力會(huì)增強(qiáng)，利于凝汽器的散熱。

根據(jù)以上的分析可以得出，我們可以利用建模軟件對(duì)汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造，建立相關(guān)模型和網(wǎng)格的劃分，利用分析軟件ANSYS 中的fluent 進(jìn)行有限元分析，主要就是流體力學(xué)的流場(chǎng)分析。整個(gè)過程中需要模擬凝汽器的冷卻管處的蒸汽氣體流速分布環(huán)境，對(duì)低壓缸的排汽通道出進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)分析，在此處改變它的放置姿態(tài)以及內(nèi)部輔助裝置，將通道內(nèi)的氣流合理疏散分離進(jìn)而是蒸汽氣體流場(chǎng)合理化分布。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后的汽輪機(jī)低壓缸排汽通道內(nèi)部的蒸汽流場(chǎng)趨于平穩(wěn)，所以內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)和消散就比較合理，從根本上增大了冷卻管的傳熱和換熱面積，間接性地增大了凝汽器的散熱系數(shù)，改善了凝汽器的熱傳導(dǎo)能力，有效地避免了排汽口的氣體壓力過大，延長(zhǎng)了機(jī)器的使用壽命，節(jié)約了機(jī)組運(yùn)行成本。

一方面，通過有限元分析，優(yōu)化前后的排汽通道出口處的蒸汽速度分布完全不同，優(yōu)化前的氣流分布圖不合理，這種情況導(dǎo)致了排汽時(shí)阻力的增大；另一方面，流場(chǎng)分布不均導(dǎo)致凝汽器的熱量分布不均勻，間接性地縮減了熱傳導(dǎo)面積，降低了熱傳導(dǎo)效率，降低了汽輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行效率。

4 進(jìn)行優(yōu)化改造的方案措施

對(duì)于分析出的汽輪機(jī)低壓缸排汽通道問題，給出了對(duì)應(yīng)性的改造優(yōu)化，首先在導(dǎo)流管的布置方面，將導(dǎo)流板全部分布在汽輪機(jī)凝汽器的上半部分的長(zhǎng)方體接頸里，對(duì)它們的分布進(jìn)行安排，一排放置在和汽輪機(jī)的軸心線垂直的位置上，處于傾斜狀態(tài)。另外四排放置在與汽輪機(jī)軸心線平行的位置上，處于豎立狀態(tài)，電調(diào)的兩端應(yīng)進(jìn)行對(duì)稱式布置。

具體的斜板布局應(yīng)遵循以下原則：在凝汽器的進(jìn)口處進(jìn)行垂直放置，出口處的放置方向與垂直方向保持30°的夾角。斜板的邊緣和接頸的截面處于同一平面內(nèi)，并且成對(duì)稱性分布布置。立板的布局遵循以下這些原則：立板一共有4 塊，它們分布在接頸的上下排撐管的中間處，在有抽汽橫管的地方，兩兩立板之間的中心線相距1500mm，在沒有抽汽橫管的地方，兩兩立板之間的中心線相距2800mm。一個(gè)出口處的立板布置是這種樣子，兩個(gè)排汽口的布置也是如此，呈對(duì)稱布置。

材料的選擇上，采用不銹鋼的材質(zhì)來制作導(dǎo)流裝置，因?yàn)椴讳P鋼的耐沖擊性，耐用性等特點(diǎn)才被廣泛使用。所用的配件材料都使用耐磨型高強(qiáng)度材料，保證零部件的強(qiáng)度和可靠性，以免在使用中零件的斷裂和松動(dòng)損壞。

在進(jìn)行汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造時(shí)，需要配合著汽輪機(jī)機(jī)組的整體檢修過程，這個(gè)時(shí)候進(jìn)行施工可以減少企業(yè)的運(yùn)行損失。在實(shí)施改造方案之前需要將不改進(jìn)的部位進(jìn)行安全性防護(hù)，避免在優(yōu)化改造過程中誤傷到關(guān)鍵部位，所涉及的所有部件都應(yīng)該盡量少的使用電焊，以避免局部的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度異常。所用部位的施工物品都應(yīng)該滿足入孔門的尺寸要求，保證能夠通過入孔門進(jìn)行相關(guān)操作。在施工改造后，需要對(duì)凝汽器進(jìn)行全面性的清洗。

5 改造的總體效果

通過某發(fā)電廠的汽輪機(jī)機(jī)組的低壓缸排汽通道的導(dǎo)流板優(yōu)化改造，得到了以下的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)水循環(huán)系統(tǒng)的進(jìn)口處的水溫在30℃時(shí)，汽輪機(jī)的蒸汽載荷使用率達(dá)到了100%，凝汽器的真空壓力值提高了些許，達(dá)到了0.68kPa。將2 組機(jī)組的試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)載荷、水循環(huán)系統(tǒng)的試驗(yàn)水溫控制在相同條件下，在一段時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的汽輪機(jī)機(jī)組的真空壓力值提高了，對(duì)應(yīng)的等效煤用量每千瓦降低了0.75g，照這樣計(jì)算整個(gè)機(jī)組的成本，每年可為企業(yè)減少約1227t 煤炭用量，節(jié)約幾百萬元的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。

6 結(jié)語

在實(shí)行了汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造后，汽輪機(jī)機(jī)組的排汽壓力大大減小，散熱效果明顯提高，提高了機(jī)組的運(yùn)行效率，為企業(yè)節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，有利于企業(yè)的高效節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展。企業(yè)的產(chǎn)能提高，機(jī)組使用壽命延長(zhǎng)，減少了汽輪機(jī)的維護(hù)成本，對(duì)于整個(gè)行業(yè)來說無疑是一個(gè)值得對(duì)光的方法。汽輪機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化改造隨著我國“科學(xué)發(fā)展”的國家戰(zhàn)略的不斷深入必將給汽輪機(jī)行業(yè)帶來更豐厚的回報(bào)，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)愈來愈受歡迎。