小流量工況下低壓缸進排汽參數(shù)對流場和葉片溫度的影響

徐佳敏， 劉網(wǎng)扣， 林潤達

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責任公司， 上海 200240)

近年來，我國風電、光伏、水電等新能源電力裝機容量持續(xù)快速增長，我國電力系統(tǒng)調(diào)峰能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴重的棄風(光、水)問題[1]。因此，提高對新能源的消納能力，提高火電機組的運行靈活性迫在眉睫[2]。近年來，國內(nèi)很多電廠進行低壓缸切除改造，讓低壓缸在小流量工況下運行，以提高火電機組的運行靈活性。

低壓缸在小流量工況下，會出現(xiàn)兩個主要問題：一是末幾級葉片區(qū)域流場會產(chǎn)生脫流和回流等現(xiàn)象；二是末級葉片進入鼓風狀態(tài)，葉片溫度升高，影響汽輪機安全運行[3-5]。為了確保汽輪機能在小流量下安全運行，須要對低壓缸進行數(shù)值計算。

1 計算模型與網(wǎng)格設(shè)置

1.1 計算模型

以國內(nèi)某電廠汽輪機的低壓缸五級葉片為研究對象，采用數(shù)值模擬的方法，完成了額定工況和4種小流量工況下的計算。計算模型見圖1，采用單通道五級聯(lián)算，末級葉片高度為520 mm。

圖1 五級聯(lián)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分

采用專業(yè)網(wǎng)格軟件生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片網(wǎng)格見圖2。

圖2 計算網(wǎng)格

為了準確捕捉流場中的復(fù)雜流動特性，須要對當?shù)鼐W(wǎng)格的疏密程度進行控制。當網(wǎng)格過于稀疏，細節(jié)流動特征的捕捉會失真；而當網(wǎng)格過于密集，會造成計算資源的浪費。因此，在正式計算開始之前，須要對網(wǎng)格無關(guān)性進行研究，從而找出一套合適的網(wǎng)格尺寸。分別計算了4組不同網(wǎng)格下的數(shù)據(jù)，以次末級出口壓力為依據(jù)，將數(shù)值與上一網(wǎng)格數(shù)量下的結(jié)果計算出相對誤差(見圖3)。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

從圖3可以看出：網(wǎng)格在523萬時的相對誤差已經(jīng)非常小，滿足要求，因此最終確定網(wǎng)格總數(shù)為523萬。各級葉片網(wǎng)格數(shù)量見表1，整個計算模型的網(wǎng)格數(shù)約為523.85萬。所有網(wǎng)格經(jīng)過優(yōu)化處理，貼近葉片壁面處的網(wǎng)格較密。

表1 各級網(wǎng)格數(shù)量

2 邊界條件

葉片流場計算采用專業(yè)軟件進行穩(wěn)態(tài)求解，動靜葉片交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型。湍流模型采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)模型，該模型對于有流動分離的情況具有較好的適應(yīng)性[6]。由于低壓缸末幾級的蒸汽已進入飽和狀態(tài)，計算工質(zhì)設(shè)為汽水二元混合物。

計算了額定工況(質(zhì)量流量為183.12 t/h)和4種不同進出口參數(shù)小流量工況(質(zhì)量流量為10 t/h和5 t/h)，具體進出口參數(shù)見表2。

表2 5種工況進出口參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 計算結(jié)果

研究分析了小流量工況下低壓缸內(nèi)部的流動情況和末級葉片溫度變化情況，通過有限元計算分析可以得到各個工況下低壓缸內(nèi)部的流動情況及低壓缸末級葉片表面溫度。圖4～圖8分別為五級葉片的子午面流場。圖9為工況2和工況3的比體積變化。5種不同工況下末級葉片壓力面和吸力面溫度場的變化見圖10～圖14，圖中SS表示末級葉片的吸力面，PS表示壓力面。

圖4 工況1的子午面流場

圖5 工況2的子午面流場

圖6 工況3的子午面流場

圖7 工況4的子午面流場

圖8 工況5的子午面流場

圖9 工況2和工況3的比體積變化

圖10 工況1的末級葉片表面溫度

圖11 工況2的末級葉片表面溫度

圖12 工況3的末級葉片表面溫度

圖13 工況4的末級葉片表面溫度

圖14 工況5的末級葉片表面溫度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 進口質(zhì)量流量對流場的影響

從圖4可以看出：在額定工況下，整個低壓缸的流場均勻，未出現(xiàn)回流現(xiàn)象。從圖5和圖6可以看出：當質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時，低壓缸出口區(qū)域和末三級葉片開始出現(xiàn)脫流和回流，最早開始回流的區(qū)域為出口區(qū)域靠近葉根的部位，且隨著進口質(zhì)量流量的減小，出口區(qū)域和末三級葉片周圍的脫流和回流分離現(xiàn)象越來越嚴重。從圖6可以看出：在進口質(zhì)量流量只有5 t/h時，末三級葉片均出現(xiàn)了汽流分離現(xiàn)象，末級葉片的動靜葉間隙的頂部以及末級葉片出口靠近葉根部位的脫流最為嚴重。

3.2.2 進口比體積對流場的影響

對比工況2和工況3可知：雖然工況3進口比體積高于工況2的進口比體積，但是由于工況3的進口比體積增大會使質(zhì)量流量減小，使得它的體積流量并沒有高于工況2，因此從圖5和圖6的子午面流場可以看出，工況3的汽流分離現(xiàn)象比工況2要嚴重。同時，從圖9可以看出：在出口參數(shù)一致時，整個低壓缸汽流的比體積在出口位置會逐漸趨于一致，在末兩級基本趨于相同，均接近出口排汽比體積。因此增大進口比體積對于減緩低壓缸整個流場的脫流和回流現(xiàn)象沒有效果。

3.2.3 出口壓力對流場的影響

從圖7和圖8可以看出：對比工況4和工況5子午面流場，在進口質(zhì)量流量相同的情況下，降低排汽壓力，有利于減緩小流量工況下流場汽流分離情況，對低壓缸寬負荷運行的適應(yīng)性有一定好處。

3.2.4 進口質(zhì)量流量和溫度對溫度場的影響

相比圖4、圖5和圖6中流場區(qū)域的溫度場可知：在小流量工況下，由于流場出現(xiàn)脫流和回流等現(xiàn)象，使得低壓缸末三級葉片開始進入鼓風狀態(tài)，且質(zhì)量流量越小，鼓風效應(yīng)越明顯。從圖6可知：由于末級葉片動靜葉間隙頂部和出口區(qū)域回流較為嚴重，該兩處的流場溫度較高。

3.2.5 進口溫度對溫度場的影響

從圖6、圖7和圖8可以看出：相比于工況3，工況4及工況5的整個流場溫度較低，因此進口溫度降低時，整個流場的溫度會降低，包括末級葉片。

3.2.6 進口質(zhì)量流量對末級葉片溫度的影響

從圖11～圖14可以看出：4種小流量工況下，末級葉片的最高溫度均出現(xiàn)在靜葉片葉頂出汽邊附近。結(jié)合上述流場計算結(jié)果可知：在小流量工況下，出口區(qū)域流體在回流旋渦的影響下，末級葉片出汽邊出現(xiàn)較為嚴重的鼓風效應(yīng)，回流漩渦將高溫流體擠進靜葉片通道，使末級靜葉片葉頂出汽邊附近的溫度較高。

對比圖10、圖11和圖12可知：隨著質(zhì)量流量的減小，末級葉片的鼓風情況越來越嚴重，葉片表面溫度逐漸升高。額定工況下，末級葉片最高溫度為90.92 ℃，當質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時，末級葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，明顯高于額定工況下末級葉片表面溫度。由于計算中未考慮低壓缸出口區(qū)域的噴水情況，且葉片表面設(shè)定為絕熱條件，因此計算所得葉片表面溫度會略高于實際溫度。

3.2.7 進口溫度對末級葉片溫度的影響

從圖13和圖14可以看出：雖然工況4和工況5的進口質(zhì)量流量和工況3的進口質(zhì)量流量相同，但是工況4和工況5的葉片表面溫度明顯低于工況3葉片表面溫度，這是因為工況4和工況5進口溫度低于工況3進口溫度，由此可知，汽流進口溫度對于末級葉片的表面溫度有一定的影響，進口溫度降低，會使葉片表面溫度降低，可以減緩鼓風效應(yīng)引起的高溫情況。

3.2.8 出口壓力對末級葉片溫度的影響

比較工況4和工況5的葉片表面溫度，可以認為降低出口壓力，同樣可以降低鼓風效應(yīng)，從而降低葉片表面溫度。

4 結(jié) 語

通過對小流量工況下低壓缸五級葉片的數(shù)值計算，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在小流量工況下，低壓缸出口區(qū)域和末三級葉片開始出現(xiàn)脫流和回流，最早開始回流的區(qū)域為末級葉片出口區(qū)域靠近葉根的部位，且隨著進口流量的減小，出口區(qū)域和末三級葉片周圍的脫流和回流分離現(xiàn)象越來越嚴重。

(2) 在出口參數(shù)一致的情況下，提高進口比體積，對于改善末三級葉片脫流基本沒有效果。

(3) 在小流量工況下，低壓缸由于鼓風效應(yīng)的影響，出口區(qū)域和末三級葉片周圍的流場溫度較高。同時，相比于額定工況，葉片表面溫度也升高，最高溫度出現(xiàn)在末級靜葉葉頂區(qū)域。

(4) 當質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時，末級葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，必須采用噴水來保證末級葉片的安全性。

(5) 進口溫度較低的汽流對于末級葉片表面溫度的降低有一定的作用，可以減緩鼓風狀態(tài)引起的葉片高溫的情況。

(6) 低壓缸切除后，排汽流量大幅度減少，降低低壓缸排汽壓力在工程上是可行的。降低排汽壓力，有利于減緩小流量下汽流分離情況，也可以降低鼓風效應(yīng)引起的葉片溫度，對于拓寬低壓缸的小流量運行范圍有一定作用。