350 MW超臨界汽輪機(jī)低壓缸零出力運(yùn)行安全性分析

李玉輝

(華能洛陽熱電有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000)

隨著全社會用電需求增速放緩以及可再生能源的大規(guī)模發(fā)展，火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)逐年下降，供熱機(jī)組參與電網(wǎng)深度調(diào)峰已成大勢所趨[1-4]。為緩解供熱期電網(wǎng)調(diào)峰與供熱需求之間的“電熱矛盾”，當(dāng)前，低壓缸零出力技術(shù)憑借著能夠在線進(jìn)行“抽凝”與“背壓”運(yùn)行方式的靈活切換、大幅度提升機(jī)組供熱能力、降低熱-電耦合程度等技術(shù)優(yōu)勢，已在我國單機(jī)容量600 MW以下的供熱機(jī)組上得到推廣應(yīng)用。

華能洛陽熱電有限責(zé)任公司(以下簡稱洛陽熱電)350 MW超臨界汽輪機(jī)低壓級組的徑高比小、扇度大，低壓末兩級葉片較現(xiàn)行已投產(chǎn)的低壓缸零出力機(jī)組葉片都長，低壓缸在小容積流量工況下鼓風(fēng)發(fā)熱嚴(yán)重，實(shí)施低壓缸零出力改造存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[5-8]。為了解洛陽熱電350 MW超臨界機(jī)組低壓缸零出力工況下的運(yùn)行安全性，本文采用數(shù)值分析方法對小容積流量條件下的低壓級組進(jìn)行了安全性校核，并結(jié)合低壓缸零出力改造后的特性試驗(yàn)，提出了該機(jī)型低壓缸零出力控制措施及運(yùn)行指導(dǎo)建議。

1 機(jī)組概況

洛陽熱電1、2號汽輪機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司(以下簡稱東汽廠)設(shè)計(jì)制造的CC350/272.9-24.2/1.1/0.4/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，其低壓缸為對稱雙分流結(jié)構(gòu)，低壓通流部分共設(shè)置2×5個(gè)壓力級，次末級動葉高度為633.9 mm，共計(jì)133只，末級動葉高度為1016 mm，共計(jì)94只。汽輪機(jī)主要設(shè)備規(guī)范見表1。

表1 機(jī)組主要技術(shù)規(guī)范

2 低壓缸通流流場數(shù)值模擬分析

2.1 低壓缸通流幾何模型的建立

根據(jù)東汽廠提供的幾何圖紙，建立了洛陽熱電350 MW汽輪機(jī)低壓缸通流區(qū)域5級聯(lián)合計(jì)算的CFD計(jì)算模型，如圖1所示。計(jì)算網(wǎng)格采用NUMECA-ATUOGRID軟件，生成結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)654萬，計(jì)算采用ANSYS CFX中k-ε流體模型迭代開展。

(a)低壓缸5級葉片三維計(jì)算模型(b)三維整圈5級葉片顯示圖1 低壓缸通流區(qū)域5級聯(lián)算計(jì)算模型

2.2 低壓缸通流流場數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)東汽廠提供的THA工況低壓缸單邊進(jìn)汽流量342.625 t/h，本次計(jì)算最小獲得了低壓缸單邊進(jìn)汽流量7.2 t/h小容積流量工況的流場穩(wěn)定解。

2.2.1 不同流量子午面溫度分布云圖

圖2展示了低壓缸單邊進(jìn)汽流量從342.6 t/h逐步降至7.2 t/h時(shí)，低壓缸通流區(qū)域子午面的溫度分布云圖?？梢钥闯觯弘S著進(jìn)汽流量的減小，低壓缸通流區(qū)域出現(xiàn)明顯的鼓風(fēng)溫升現(xiàn)象，鼓風(fēng)高溫區(qū)位于末級動葉尾緣及末級動葉通道內(nèi)的區(qū)域；隨著流量的增加，鼓風(fēng)溫升效應(yīng)會減弱，當(dāng)進(jìn)汽量增至52.8 t/h以上時(shí)，鼓風(fēng)高溫區(qū)域基本消失。從7.2 t/h流量工況還可以看出，在該流量下次末級后也出現(xiàn)了較明顯的高溫區(qū)，即次末級也發(fā)生了鼓風(fēng)現(xiàn)象，同時(shí)可以看出該流量下葉頂高溫區(qū)的溫度超過600 K。

2.2.2 不同流量下的低壓缸通流區(qū)域流場分布

圖3給出了低壓缸單邊進(jìn)汽流量為7.2 t/h時(shí)，低壓缸整缸通流區(qū)域流場結(jié)構(gòu)。可以看出，在小容積流量工況下低壓缸第1級及第2級處流動狀況整體還算均勻，在第3級靜葉葉根部進(jìn)口處出現(xiàn)流動分離情況，根部出現(xiàn)回流。在次末級后出現(xiàn)明顯的回流渦系，渦核位置位于通道中心且回流區(qū)范圍極大，同時(shí)在葉頂動靜葉中間區(qū)域也出現(xiàn)明顯的漩渦結(jié)構(gòu)，漩渦能量停滯耗散將導(dǎo)致高溫區(qū)的出現(xiàn)。

(a)低壓缸單邊進(jìn)汽流量342.6 t/h(b)低壓缸單邊進(jìn)汽流量120.0 t/h

(c)低壓缸單邊進(jìn)汽流量52.8 t/h(d)低壓缸單邊進(jìn)汽流量28.8 t/h

(e)低壓缸單邊進(jìn)汽流量14.4 t/h(f)低壓缸單邊進(jìn)汽流量7.2 t/h圖2 不同流量下通流區(qū)域子午面溫度分布

圖3 進(jìn)汽流量7.2 t/h時(shí)低壓缸通流區(qū)域流場結(jié)構(gòu)

(a)低壓缸單邊進(jìn)汽流量14.4 t/h(b)低壓缸單邊進(jìn)汽流量28.8 t/h

(c)低壓缸單邊進(jìn)汽流量52.8 t/h(d)低壓缸單邊進(jìn)汽流量120.0 t/h圖4 不同流量低壓缸通流區(qū)域流場結(jié)構(gòu)

圖4對比了不同進(jìn)汽流量時(shí)低壓缸整缸通流區(qū)域流場結(jié)構(gòu)。隨著進(jìn)汽流量的增加，在次末級后出現(xiàn)的回流渦系影響范圍逐漸減小，渦核位置逐漸降低。末級葉頂處的漩渦結(jié)構(gòu)也逐漸消失，印證了鼓風(fēng)效應(yīng)的弱化。

2.2.3 不同流量時(shí)低壓級組的壓力分布

圖5給出了低壓缸單邊進(jìn)汽流量從342.6 t/h逐步降至7.2 t/h時(shí)各低壓級組的壓力分布。從圖5中明顯看出，小容積流量下在末級及次末級處出現(xiàn)級前壓力低于級后壓力的現(xiàn)象，這是葉片形成鼓風(fēng)的重要表現(xiàn)。當(dāng)流量增至?xí)r52.8 t/h，逆壓現(xiàn)象消失，壓力分布恢復(fù)階梯狀分布形式。

(a)低壓缸單邊進(jìn)汽流量342.6 t/h(b)低壓缸單邊進(jìn)汽流量120.0 t/h

(c)低壓缸單邊進(jìn)汽流量52.8 t/h(d)低壓缸單邊進(jìn)汽流量28.8 t/h

(e)低壓缸單邊進(jìn)汽流量14.4 t/h(f)低壓缸單邊進(jìn)汽流量7.2 t/h圖5 不同流量低壓級組的壓力分布

2.2.4 不同流量下低壓級組的溫度分布

圖6給出了低壓缸單邊進(jìn)汽流量從342.6 t/h逐步降至7.2 t/h時(shí)低壓級組的溫度分布。低壓缸單邊進(jìn)汽流量7.2 t/h時(shí)，可以清楚看到，受鼓風(fēng)影響出口區(qū)域溫度明顯升高，溫度分布呈現(xiàn)出“V”字型，隨著進(jìn)汽流量的增加，溫度分布恢復(fù)為階梯狀分布。

(a)低壓缸單邊進(jìn)汽流量342.6 t/h(b)低壓缸單邊進(jìn)汽流量120.0 t/h

(c)低壓缸單邊進(jìn)汽流量52.8 t/h(d)低壓缸單邊進(jìn)汽流量28.8 t/h

(e)低壓缸單邊進(jìn)汽流量14.4 t/h(f)低壓缸單邊進(jìn)汽流量7.2 t/h圖6 不同流量下低壓級組的溫度分布

綜合上述計(jì)算表明：當(dāng)?shù)蛪焊讍芜呥M(jìn)汽流量降至52.8 t/h 時(shí)，末級出現(xiàn)較為明顯的鼓風(fēng)態(tài)流動現(xiàn)象。隨著進(jìn)汽流量的減小，鼓風(fēng)現(xiàn)象愈加明顯。

3 末級葉片動應(yīng)力數(shù)值模擬分析

3.1 末級長葉片動應(yīng)力計(jì)算方法

采用有限元方法建立末級長葉片的振動方程，見式(1)。

(1)

式中：M為質(zhì)量矩陣；K為剛度矩陣；C為阻尼矩陣；X(t)為振動響應(yīng)；F(t)為汽流力。

建立振動方程施加的邊界條件有：①約束叉型葉根銷釘孔配合面；②約束葉片凸肩接觸面；③約束葉片圍帶接觸面；④葉片表面各個(gè)節(jié)點(diǎn)施加多個(gè)時(shí)刻的汽流力。

低壓末級葉片的有限元模型見圖7，包含26.4萬四面體單元和6.3萬節(jié)點(diǎn)。采用直接積分方法對振動響應(yīng)進(jìn)行求解。

圖7 葉片的有限元模型

3.2 末級葉片動應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 設(shè)計(jì)工況下末級葉片的蒸汽彎應(yīng)力和動應(yīng)力

設(shè)計(jì)工況下，在汽流力作用下末級長葉片在一個(gè)周期某一時(shí)刻的蒸汽彎應(yīng)力見圖8。可以看出，1/2葉高進(jìn)汽邊區(qū)域、1/2葉高出汽邊區(qū)域、凸肩區(qū)域、3/4葉高區(qū)域和葉頂區(qū)域存在較大的蒸汽彎應(yīng)力和動應(yīng)力。經(jīng)模擬計(jì)算，設(shè)計(jì)工況下末級長葉片的最大動應(yīng)力出現(xiàn)在葉片凸肩區(qū)域，其值為14.43 MPa。

圖8 設(shè)計(jì)工況，末級長葉片在一個(gè)周期某一時(shí)刻末級葉片的蒸汽彎應(yīng)力

3.2.2 低壓缸零出力工況下葉片的蒸汽彎應(yīng)力和動應(yīng)力

由圖9可以看出，在低壓缸零出力工況下(低壓缸單邊進(jìn)汽量按9 t/h計(jì))，低壓末級葉片的蒸汽彎應(yīng)力和動應(yīng)力較大區(qū)域位置與設(shè)計(jì)工況下分布一致。經(jīng)模擬計(jì)算，低壓缸單邊進(jìn)汽量9 t/h工況下末級長葉片的最大動應(yīng)力依舊出現(xiàn)在葉片凸肩區(qū)域，其值為0.932 MPa，動應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)工況。

圖9 低壓缸零出力工況，末級長葉片在一個(gè)周期某一時(shí)刻末級葉片的蒸汽彎應(yīng)力

對比上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在小容積流量工況下末級葉片的最大動應(yīng)力小于設(shè)計(jì)工況下的最大動應(yīng)力，所以在低壓缸零出力供熱工況下末級葉片的動強(qiáng)度完全滿足制造廠設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 低壓缸零出力運(yùn)行試驗(yàn)

為研究洛陽熱電350 MW超臨界機(jī)組低壓缸零出力改造后的機(jī)組適應(yīng)性，2020年12月洛陽熱電聯(lián)合西安熱工研究院開展了機(jī)組電-熱負(fù)荷特性、凝汽器真空對機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行的影響、冷卻蒸汽流量對機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行的影響、低壓缸噴水量對機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行的影響等一系列機(jī)組適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，低壓缸零出力運(yùn)行狀態(tài)主要受凝汽器真空、冷卻蒸汽流量和中壓缸排汽溫度的影響，其他參數(shù)擾動無明顯變化。主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 主要運(yùn)行參數(shù)對機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行的影響匯總

從表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出如下結(jié)論。

a.隨著凝汽器真空降低，低壓缸末級、次末級鼓風(fēng)狀況加劇，低壓缸次末級溫度、末級溫度和排汽溫度都相應(yīng)升高。低壓缸次末級溫度與凝汽器壓力關(guān)系曲線如圖10所示。

圖10 低壓缸次末級葉片后溫度與凝汽器壓力關(guān)系曲線

根據(jù)圖10曲線的變化趨勢，若要保證低壓缸次末級在廠家給定的160 ℃范圍內(nèi)運(yùn)行，低壓缸零出力運(yùn)行應(yīng)盡量在低壓缸排汽壓力3.9 kPa以下進(jìn)行。

b.低壓缸冷卻蒸汽流量與低壓缸次末級溫度呈反比關(guān)系。

c.中壓缸排汽溫度與低壓缸次末級溫度呈正比關(guān)系。隨著中壓缸排汽溫度降低，低壓缸冷卻所需的蒸汽流量減少，低壓缸次末級溫度、末級溫度和排汽溫度都相應(yīng)降低。

d.在汽輪機(jī)低壓缸結(jié)構(gòu)、凝汽器真空和中壓缸排汽溫度一定、低壓缸冷卻蒸汽調(diào)閥全開的條件下，低壓缸末級溫度可以通過后缸噴水進(jìn)行有效控制，低壓缸次末級暫無調(diào)節(jié)手段。因此，低壓缸次末級鼓風(fēng)發(fā)熱問題是制約該機(jī)組低壓缸零出力安全運(yùn)行的核心問題。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

a.通過對低壓缸整缸通流級聯(lián)合流動分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蛪焊讍芜呥M(jìn)汽流量降至52.8 t/h 時(shí)，末級出現(xiàn)較為明顯的鼓風(fēng)態(tài)流動現(xiàn)象。隨著流量的減小，鼓風(fēng)現(xiàn)象愈加明顯。鼓風(fēng)溫度最高的區(qū)域位于末級靜葉與動葉之間。

b.數(shù)值計(jì)算表明，在小容積流量工況下，低壓缸次末級后存有明顯的回流渦系，渦核位置位于通道中心且回流區(qū)范圍極大。同時(shí)，在低壓級葉頂動靜葉中間區(qū)域也存有明顯的回流渦，漩渦能量停滯耗散將導(dǎo)致高溫區(qū)的出現(xiàn)。

c.數(shù)值計(jì)算表明，在設(shè)計(jì)工況和小容積流量工況下，低壓缸末級葉片的較大動應(yīng)力都集中在葉片凸肩區(qū)域和1/2葉高進(jìn)汽邊區(qū)域，且在小容積流量工況下末級葉片的最大動應(yīng)力小于設(shè)計(jì)工況下的最大動應(yīng)力，所以在小容積流量工況下末級葉片的動強(qiáng)度滿足制造廠設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

d.運(yùn)行試驗(yàn)表明，350 MW超臨界低壓長葉片機(jī)組在低壓缸零出力工況下低壓缸末兩級存在嚴(yán)重的鼓風(fēng)發(fā)熱問題。低壓缸末級溫度可以通過后缸噴水進(jìn)行有效控制；低壓缸次末級溫度主要受制于中壓缸排汽溫度、凝汽器真空和低壓缸冷卻蒸汽流量，且與低壓缸冷卻蒸汽流量呈反比關(guān)系，與中壓缸排汽溫度呈正比關(guān)系。

5.2 運(yùn)行控制建議

a.在小容積流量工況下運(yùn)行，末級葉片區(qū)域的蒸汽濕度會增加，而且切缸后噴減溫水也會增加末級葉片區(qū)域的蒸汽濕度，這均會加劇末級長葉片的水蝕，所以建議對低壓缸末兩級葉片進(jìn)行金屬耐磨層噴涂處理。例如：采用德國進(jìn)口TA粉(NiCr金屬陶瓷粉末)對低壓缸末兩級動葉片出汽邊根部水蝕區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場超音速火焰噴涂防護(hù)處理。

b.洛陽熱電350 MW超臨界機(jī)組低壓缸零出力運(yùn)行應(yīng)在凝汽器壓力小于3.9 kPa條件下進(jìn)行，以保證低壓缸次末級葉片后溫度的安全；低壓缸冷卻蒸汽流量與低壓缸次末級溫度呈反比關(guān)系，在背壓較高的條件下運(yùn)行，可適當(dāng)提高低壓缸冷卻蒸汽流量控制低壓缸次末級葉片后溫度。