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汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥三維流動(dòng)與壓力損失數(shù)值研究
發(fā)布于：2019/7/24 9:53:21 點(diǎn)擊量：402
0 引言
汽輪機(jī)作為火力發(fā)電系統(tǒng)中最主要的動(dòng)力裝置之一，在發(fā)電過(guò)程中起著舉足輕重的作用。大功率高參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組由于其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，成為目前汽輪機(jī)的主要發(fā)展方向。隨著用戶對(duì)電力的需求以及我國(guó)電力行業(yè)結(jié)構(gòu)的改革，大多數(shù)汽輪機(jī)參與電網(wǎng)調(diào)峰而經(jīng)常處于變工況運(yùn)行的狀態(tài)。現(xiàn)階段汽輪機(jī)配汽方式主要有兩種：噴嘴配汽和節(jié)流配汽。調(diào)節(jié)級(jí)的運(yùn)行方式主要是定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行，大型火電汽輪發(fā)電機(jī)組通常是運(yùn)行方式和配汽方式的不同組合。噴嘴配汽汽輪機(jī)的變工況運(yùn)行是通過(guò)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟程度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級(jí)段的流動(dòng)復(fù)雜且調(diào)節(jié)級(jí)通常是部分進(jìn)汽，流動(dòng)效率低。開(kāi)展調(diào)節(jié)閥布置方式及運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組及調(diào)節(jié)級(jí)流動(dòng)規(guī)律的研究，分析損失產(chǎn)生的機(jī)制，能夠?yàn)榇蠊β势啓C(jī)的熱力氣動(dòng)和動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、分析，處理運(yùn)行中可能遇到的問(wèn)題提供理論上的支持。
國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了多方面研究。Denton等研究了機(jī)組運(yùn)行方式與部分進(jìn)汽汽輪機(jī)級(jí)損失的關(guān)系。Fridh等在空氣透平上實(shí)驗(yàn)研究了部分進(jìn)氣引起的非均勻流動(dòng)對(duì)透平氣動(dòng)性能的影響，Hushmandi等數(shù)值研究了部分進(jìn)汽汽輪機(jī)的非定常流動(dòng)并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明非進(jìn)汽弧段出口的流體和主汽流形成很強(qiáng)的黏性剪切力，導(dǎo)致調(diào)節(jié)級(jí)的損失很大。對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，研究了部分進(jìn)汽對(duì)機(jī)組效率和穩(wěn)定性的影響。
國(guó)內(nèi)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)的研究主要集中在變工況下調(diào)節(jié)級(jí)的流動(dòng)特性分析、汽流激振力分析和運(yùn)行方式優(yōu)化上。調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)流動(dòng)特性的分析，一方面可以通過(guò)編程軟件如Matlab等進(jìn)行，但更多的是使用商用CFD軟件進(jìn)行級(jí)內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)模擬。對(duì)部分進(jìn)汽調(diào)節(jié)級(jí)的三維流動(dòng)特性和級(jí)內(nèi)不平衡汽流力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果顯示部分進(jìn)汽除了影響流動(dòng)效率，還會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行安全性。則對(duì)變工況下汽流激振力對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。田豐等對(duì)某大功率汽輪機(jī)單順序閥滑壓運(yùn)行機(jī)組做了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單閥運(yùn)行時(shí)高壓缸效率較低。此外，根據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)運(yùn)行特性的分析，提出了配汽和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。
為了考慮蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥、蒸汽管道進(jìn)入調(diào)節(jié)級(jí)的流動(dòng)過(guò)程，本文建立了調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)的整段三維模型，采用ANSYS-CFX軟件數(shù)值研究了某亞臨界600MW再熱凝汽式汽輪機(jī)在5種變工況運(yùn)行條件下的調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段三維流動(dòng)與壓力損失特性。
1 計(jì)算模型與邊界條件
圖1是某亞臨界600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級(jí)段的計(jì)算模型示意圖，圖2是調(diào)節(jié)級(jí)的4個(gè)特征截面的示意圖。從兩個(gè)主汽閥出來(lái)的蒸汽，流經(jīng)4個(gè)調(diào)節(jié)閥、高壓進(jìn)汽管道進(jìn)入調(diào)節(jié)級(jí)配汽腔室，再通過(guò)加強(qiáng)筋流道進(jìn)入調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道。調(diào)節(jié)級(jí)靜葉柵由4個(gè)噴嘴組組成，呈不對(duì)稱布置。4個(gè)噴嘴組所占的弧段長(zhǎng)度不同，其中I閥控制的噴嘴組1和IV閥控制的噴嘴組4各包含57只靜葉片，II閥控制的噴嘴組2和III閥控制的噴嘴組3各包含35只靜葉片。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，首先是II閥和IV閥同時(shí)開(kāi)啟，然后是III閥，最后是I閥。調(diào)節(jié)閥和調(diào)節(jié)級(jí)的主要幾何參數(shù)如表1、2所示。
圖1 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的計(jì)算模型示意圖
圖2 調(diào)節(jié)級(jí)特征截面示意圖
表1 調(diào)節(jié)閥的主要幾何參數(shù)
表2 調(diào)節(jié)級(jí)的主要幾何參數(shù)
由于調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何尺寸較大，因此將計(jì)算區(qū)域分成多塊并分別用ANSYSICEM和NUMECAAutogrid5生成網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定得計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)約為710萬(wàn)。
本文選取如表3所示的5種閥門(mén)開(kāi)度組合進(jìn)行研究。這5種工況下，除了調(diào)節(jié)閥由于開(kāi)度變化需重新進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分外，其余各部分網(wǎng)格均保持不變。
采用時(shí)均化N-S方程和SST湍流模型進(jìn)行計(jì)算，在動(dòng)/靜交界面處采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型來(lái)處理數(shù)據(jù)的傳遞。進(jìn)口邊界給定總壓和總溫，出口給定質(zhì)量流量。5種工況下，調(diào)節(jié)閥前蒸汽的總壓和總溫均為17MPa和538℃，調(diào)節(jié)級(jí)出口則按照實(shí)際運(yùn)行情況分別給定質(zhì)量流量，如表3所示。進(jìn)口湍流度取為5%。動(dòng)葉柵轉(zhuǎn)速為3000r/min。各固體壁面均設(shè)定為絕熱無(wú)滑移壁面。在連續(xù)方程和動(dòng)量方程的殘差為10-5數(shù)量級(jí)且進(jìn)出口流量相差小于0.1%時(shí)，認(rèn)為計(jì)算收斂。
表3 計(jì)算工況和質(zhì)量流量
2 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的三維流動(dòng)
調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段內(nèi)的流動(dòng)是復(fù)雜的有旋流動(dòng)。限于篇幅，圖3僅給出了2種閥門(mén)開(kāi)度下的調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段三維流線圖。總體上看，當(dāng)4個(gè)閥門(mén)都開(kāi)啟（I閥部分開(kāi)或四閥全開(kāi)）時(shí)，蒸汽將充滿整個(gè)調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級(jí)段的流域，流動(dòng)情況較好；當(dāng)兩閥全開(kāi)、Ⅲ閥部分開(kāi)或三閥全開(kāi)時(shí)，未開(kāi)啟閥門(mén)所對(duì)應(yīng)的進(jìn)汽管道內(nèi)沒(méi)有汽流通過(guò)，導(dǎo)致在配汽腔室和噴嘴葉柵中流動(dòng)情況較差，引起較大流動(dòng)損失。
圖3 調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的流線及速度分布
調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，閥內(nèi)部的流動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的三維流動(dòng)現(xiàn)象。蒸汽在流經(jīng)2個(gè)主汽閥門(mén)時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)通流面積的突然變化，調(diào)節(jié)閥前的流動(dòng)基本均勻，流動(dòng)情況良好。
圖4給出了2種閥門(mén)開(kāi)度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流線分布。兩閥全開(kāi)或III閥部分開(kāi)工況下，2股蒸汽在繞流II、IV調(diào)節(jié)閥閥桿時(shí)，在閥桿后面匯集產(chǎn)生很強(qiáng)的有旋流動(dòng)，導(dǎo)致流動(dòng)損失較大，通過(guò)閥喉部后呈旋流狀。I閥半開(kāi)與四閥全開(kāi)情況類似，流體繞過(guò)II閥與IV閥后形成漩渦，流動(dòng)較差。從圖4還可以看出，蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，節(jié)流作用主要出現(xiàn)在調(diào)節(jié)閥后迎接來(lái)流的喉部處，該處的汽流速度最大。
圖4 調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流線分布
從調(diào)節(jié)閥出來(lái)的蒸汽進(jìn)入高壓進(jìn)汽管時(shí)是復(fù)雜的有旋流動(dòng)，這種強(qiáng)烈的旋流會(huì)在管道中帶來(lái)一定的流動(dòng)損失。
圖5是2種閥門(mén)開(kāi)度下的調(diào)節(jié)級(jí)配汽腔室、加強(qiáng)筋以及葉柵通道內(nèi)流線分布圖。II、IV閥全開(kāi)時(shí)，I和III調(diào)節(jié)閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，I和III閥對(duì)應(yīng)的配汽腔室中充滿大量低能蒸汽。整個(gè)噴嘴葉柵通道的上半部分沒(méi)有蒸汽進(jìn)入，該區(qū)域滯留的大量低速蒸汽會(huì)對(duì)動(dòng)葉通道中的流動(dòng)產(chǎn)生很大的影響，因此成為損失產(chǎn)生的主要區(qū)域。
III號(hào)閥部分開(kāi)啟時(shí)，由于閥門(mén)開(kāi)度較小，對(duì)應(yīng)配汽腔室中流速較低。同時(shí)I閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，I閥對(duì)應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組1中滯留有低速蒸汽，對(duì)動(dòng)葉柵通道中的流動(dòng)也產(chǎn)生較大的影響。三閥全開(kāi)與III閥部分開(kāi)啟時(shí)的流動(dòng)情況相似。
I閥部分開(kāi)或四閥全開(kāi)時(shí)，蒸汽在進(jìn)入配汽腔室后沒(méi)有出現(xiàn)集中流向某一噴嘴組弧段的現(xiàn)象，而是能夠很好地分布在整個(gè)配汽腔室所對(duì)應(yīng)的噴嘴葉柵中，腔室中沒(méi)有旋流產(chǎn)生。蒸汽通過(guò)四個(gè)噴嘴組后進(jìn)入到動(dòng)葉柵中，雖然中分面和2個(gè)V型口將靜葉柵分成4組噴嘴組，但由于4個(gè)配汽腔室都有蒸汽進(jìn)入，所以蒸汽在動(dòng)葉柵中的分布比較均勻。
如果某調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，該閥所對(duì)應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組中沒(méi)有蒸汽流過(guò)，當(dāng)動(dòng)葉柵從進(jìn)汽噴嘴組轉(zhuǎn)到非進(jìn)汽噴嘴組時(shí)，由于非進(jìn)汽腔室中壓力比動(dòng)葉柵中的壓力低，壓差作用使動(dòng)葉通道中的流體被抽吸到非進(jìn)汽腔室以及對(duì)應(yīng)的噴嘴葉柵中，被抽吸進(jìn)腔室和噴嘴中的蒸汽壓力小、速度低，最后在腔室中形成強(qiáng)烈的有旋流動(dòng)。
3 總壓損失
總壓損失系數(shù)定義為
（1）
式中：p*0為調(diào)節(jié)閥前新蒸汽總壓；p*2為流場(chǎng)中的當(dāng)?shù)乜倝骸?/p>
圖5 調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)的流線和速度分布
圖6是5種工況下調(diào)節(jié)閥中截面上的總壓損失系數(shù)分布圖。可以看出，調(diào)節(jié)閥內(nèi)總壓損失較大的部位在調(diào)節(jié)閥的喉部，這部分損失就是閥門(mén)的節(jié)流損失；閥碟下方“空穴”區(qū)和調(diào)節(jié)閥下游進(jìn)汽管入口部分區(qū)域充滿很強(qiáng)的旋流，也會(huì)引起大量能量耗散，產(chǎn)生較大的流動(dòng)損失。當(dāng)閥門(mén)部分開(kāi)啟時(shí)，這兩種損失都將顯著增大。此外，腔室內(nèi)II閥和IV閥之間區(qū)域的壓力損失較大，其原因主要是流體繞過(guò)II、IV閥的閥桿后相互摻混，形成旋流流動(dòng)而產(chǎn)生能量耗散，總壓損失比腔室內(nèi)其他部分略高一些。還可以看出，對(duì)于III閥部分開(kāi)、三閥全開(kāi)這樣不對(duì)稱性很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，腔室內(nèi)的總壓損失與其他工況相比要大。I閥部分開(kāi)啟減弱了閥內(nèi)流動(dòng)的不對(duì)稱性，但同時(shí)I閥喉部節(jié)流損失較大，使得總壓損失系數(shù)整體也比較大。
圖6 調(diào)節(jié)閥中分面上的總壓損失系數(shù)分布圖
表4列出了5種工況各閥出口處的總壓損失系數(shù)（按流量平均值計(jì)算）。全開(kāi)閥門(mén)對(duì)應(yīng)的總壓損失系數(shù)較小，通常在1%以下，而部分開(kāi)啟的閥門(mén)總壓損失系數(shù)要大一些，特別是在閥門(mén)開(kāi)啟程度較小的時(shí)候，調(diào)節(jié)閥喉部的節(jié)流損失非常大。
表4 調(diào)節(jié)閥出口上的平均總壓損失系數(shù)
圖7是5種工況下調(diào)節(jié)級(jí)4個(gè)特征截面上總壓損失系數(shù)分布圖。調(diào)節(jié)級(jí)中的總壓損失系數(shù)具有明顯非軸對(duì)稱性分布特點(diǎn)。未開(kāi)啟和部分開(kāi)啟閥門(mén)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)級(jí)腔室、噴嘴組和動(dòng)葉，總壓損失都相對(duì)較大，部分進(jìn)汽級(jí)所特有的鼓風(fēng)損失和弧端損失較為明顯。由于動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)，該弧段內(nèi)總壓損失系數(shù)沿周向也呈非均勻分布，對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道內(nèi)的流動(dòng)有一定影響，且這種影響還會(huì)延伸到下游的壓力級(jí)。兩閥全開(kāi)時(shí)，II號(hào)和IV號(hào)腔室、I號(hào)和III號(hào)腔室出口的總壓損失系數(shù)分布相似。I閥部分開(kāi)與四閥全開(kāi)時(shí)，腔室出口的總壓損失系數(shù)分布較為均勻，這是因?yàn)?個(gè)腔室中都有主蒸汽流過(guò)，調(diào)節(jié)級(jí)基本處于全周進(jìn)汽，除了中分面與V型槽附近較小區(qū)域外，流動(dòng)基本呈現(xiàn)軸對(duì)稱性和周期性。
圖7 調(diào)節(jié)級(jí)特征截面上的總壓損失系數(shù)分布圖
由于I、IV號(hào)腔室的容積大于II、III號(hào)腔室，蒸汽的膨脹較大，損失也較大；另外，由于I、IV號(hào)腔室一端存在較強(qiáng)的旋流，產(chǎn)生一定的能量耗散，也導(dǎo)致的總壓損失增大。在動(dòng)葉柵由非進(jìn)汽部分轉(zhuǎn)到進(jìn)汽部分的區(qū)域，總壓損失系數(shù)最大，這主要是各噴嘴組之間非進(jìn)汽部分引起的弧端損失造成的。由于動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)混合作用，除中分面附近外，動(dòng)葉出口處的總壓損失系數(shù)沿周向的不均勻分布得到了一定程度的緩和。另外，噴嘴和動(dòng)葉尾跡處的分離流動(dòng)也是總壓損失的一個(gè)重要來(lái)源。從圖7還可以看出總壓損失系數(shù)沿徑向的分布。由于該調(diào)節(jié)級(jí)采用的噴嘴和動(dòng)葉都是小展弦比葉片，因此噴嘴和動(dòng)葉的上下通道渦產(chǎn)生的二次流損失也比較明顯。對(duì)四閥全開(kāi)的工況而言，調(diào)節(jié)級(jí)中總壓損失的主要來(lái)源就是弧端損失和二次流損失。
表5給出了各工況下調(diào)節(jié)級(jí)的性能。隨著調(diào)節(jié)閥的依次開(kāi)啟和流量的增大，調(diào)節(jié)級(jí)的效率和速比呈增大趨勢(shì)。兩閥全開(kāi)時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)溫度和壓力下降較大，雖然整級(jí)的焓降很大，但余速損失也大，級(jí)效率比較低；隨著Ⅲ閥的開(kāi)啟，焓降有所減小，級(jí)效率增大。四閥全開(kāi)時(shí)速比接近最佳速比。焓降、功率和余速損失則減小。III閥部分開(kāi)工況是上述變化趨勢(shì)中的一個(gè)特例，其速比較大，余速損失較小，原因可能是是受到了上游調(diào)節(jié)閥節(jié)流作用的影響。
表5 調(diào)節(jié)級(jí)總體性能*
注：*功率通過(guò)扭矩計(jì)算得到，效率為輪周效率；焓降、余速損失和速比都是流量平均值。
結(jié)合幾何結(jié)構(gòu)分析，在變工況時(shí)使配汽閥門(mén)對(duì)稱啟閉有助于減小調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)損失；同時(shí)為了避免調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)蒸汽過(guò)度膨脹，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需要使腔室容量相對(duì)較大的閥門(mén)盡量處于全開(kāi)啟狀態(tài)，用小容量閥門(mén)調(diào)節(jié)流量。另外，對(duì)蒸汽流道形狀和動(dòng)靜葉柵葉型進(jìn)行優(yōu)化也能減小調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級(jí)段變工況的流動(dòng)損失。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)5種變工況運(yùn)行條件下的某亞臨界600MW汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥?調(diào)節(jié)級(jí)段三維定常流動(dòng)與壓力損失特性的數(shù)值研究與分析，得到如下結(jié)論：
1）調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的流動(dòng)是復(fù)雜而強(qiáng)烈的有旋流動(dòng)。調(diào)節(jié)閥喉部會(huì)產(chǎn)生較大的節(jié)流損失；閥碟下方的“空穴”區(qū)和調(diào)節(jié)閥下游進(jìn)汽管入口的部分區(qū)域充滿很強(qiáng)的漩渦，也引起較大的壓力損失。
2）當(dāng)4個(gè)調(diào)節(jié)閥全部開(kāi)啟時(shí)，蒸汽將充滿所有的閥門(mén)、高壓管道，配汽腔室以及調(diào)節(jié)級(jí)葉柵通道，調(diào)節(jié)閥-調(diào)節(jié)級(jí)段的流動(dòng)性能良好；當(dāng)某調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，則該閥門(mén)所對(duì)應(yīng)的配汽腔室和噴嘴組中沒(méi)有蒸汽流過(guò)，動(dòng)葉從進(jìn)汽弧段轉(zhuǎn)到非進(jìn)汽弧段過(guò)程中，動(dòng)葉通道中的流體被抽吸到非進(jìn)汽腔室以及對(duì)應(yīng)的噴嘴葉柵中，在腔室中形成大量的漩渦，引起該區(qū)域內(nèi)較高的壓力損失。
3）調(diào)節(jié)級(jí)內(nèi)的流動(dòng)表現(xiàn)出很明顯非軸對(duì)稱性。未開(kāi)啟以及部分開(kāi)啟閥門(mén)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)級(jí)腔室、噴嘴組和動(dòng)葉，總壓損失都相對(duì)較大。
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