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第56卷第4期2014年8月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0156NO4AUG2014超临界汽轮机配汽方式的优化分析王明坤,王旭荣,王晓斐,庄会庆,戴义平1西安交通大学能源与动力工程学院,西安710049;2北京北重汽轮电机有限责任公司,北京100040摘要采用CFD方法,以某典型超临界机组为研究对象,研究了不同阀点位置的蒸汽参数变化;对不同顺序阀配汽方式转子受力情况进行了分析对比,确定了最优的顺序阀开启方式;并研究了两类配汽方式下,调节级动叶片所受激振力的不同。所做的工作可以为汽轮机阀门配汽方式的选择提供依据。关键词汽轮机;调节级;配汽方式;部分负荷;激振力分类号TK2437文献标识码A文章编号10015884201404027203OPTIMIZATIONANALYSISONSTEAMDISTRIBUTIONMODEOFSUPERCRITICALSTEAMTURBINEWANGMINGKUN,WANGXURONG,WANGXIAOFEI,ZHUANGHUIQING,DAIYIPING1SCHOOLOFENERGYANDPOWERENGINEERING,XIANJIAOTONGUNIVERSITY,XIAN710049,CHINA;2BEIJINGBEIZHONGSTEAMTURBINEGENERATORCOMPANYLIMITED,BEIJING10004O,CHINAABSTRACTUSINGCFD,THESTEAMPARAMETERSWERESTUDIEDUDERTHEDIFFERENTVALVEPOSITIONSANDTHEFORCEACTINGONROTORWASANALYZEDUNDERDIFFERENTSEQUENCEVALVEDISTRIBUTIONMODES,SOTHEOPTIMALSEQUENCEVALVEOPENINGMODEWASDETERMINEDANDASIMPLECOMPARISONOILTHEDIFFERENCEOFEXCITATIONFORCEACTINGONTHEGOVERNINGSTAGEROTORBLADESWASANALYZEDUNDERTWODISTRIBUTIONMODESWASCONDUCTEDTHEWORKINTHISPAPERISOFANIMPORTANTINSTRUCTIVESIGNIFICANCEONTHESEQUENCEVALVEDISTRIBUTIONMODEKEYWORDSSTEAMTURBINE;GOVERNINGSTAGE;DISTRIBUTI0NMODE;PARTLOAD;EXCITINGFORCE0前言大功率超临界汽轮机参与电网的一次调频和调峰运行是满足电网负荷波动的基本途径,机组变工况运行时,调节级为部分进汽。目前汽轮机调节级通常采用喷嘴和节流配汽方式相结合的配汽方式。在高负荷段采用喷嘴配汽,采用顺序阀定压运行方式,提高了机组运行的灵活可靠性。然而不同顺序阀门的开启对动叶片的受力影响很大,严重影响机组运行的安全性和可靠性。同时调节级的汽流激振力是引起汽轮机振动和轴瓦温度升高的重要因素,此外调节级的气动性能会直接影响机组运行的经济性,因此研究不同配汽方式下,调节级汽流激振力特性对于提高机组运行的安全性和经济性具有重要的学术意义。汽轮机叶片在机组稳定运行工况除受离心负荷和稳定汽流负荷外,还受不稳定汽流力的作用。对叶片的不稳定汽流力是由于汽流参数沿圆周分布不均匀造成的,这是造成激振力的原因。例如,部分进汽、动静叶片轴向、径向间隙的非正圆性等。自1958年,德国的HJTHOMAS提出了“间隙激振”_2和1965年JSALFORD在航空发动机上也发现了间隙激振以后,针对他们公式的不足,人们进一步研究了由于汽轮机叶轮偏心造成圆周方向叶尖间隙不均匀、同一级中各叶片上的气动力不相等产生的激振力一。文献2虫盆圭匠工QQ丛机组在单阀向顺序闽切换时部分进汽力的特点、计算方法及对轴系振动的影响;文献8分析了在部分进汽方式下,调节级产生较大的不平衡汽流力,在轴承处产生附加载荷,改变轴承的静动特性和转子的动力特性,给机组的轴系带来一系列不良的影响;同时,虽然目前大多数文献讨论了全周进汽、三阀开、对角两阀及相邻两阀开4种方式下的受力分析,但是由于机组往往有四组喷嘴组,在部分负荷运行时,顺序阀门必须有相应的先后开启顺序。通常先开启两阀,在逐步开启第三阀门、第四阀门。然而具体哪两阀先同时开启并没有做具体分析;同时不同开启方式下叶片受力有什么不同及其影响,也没有做过多的研究。本文采用CFD,就某典型超临界汽轮机机组为研究对象,讨论了不同阀门位置蒸汽参数的变化以及12种部分进汽的顺序阀开启的配汽方式对激振力的影响,并对其受力情况做了详细的对比分析,分析出对轴系的稳定性最好和受力最小的最优配汽方式。为以后部分负荷下,采用什么配汽方案提供了重要的指导意义和工程实用价值。1不平衡汽流力的产生和配汽方案的确定11不平衡汽流力产生的原因及影响目前大机组调速级部分进汽度已达到95以上,各喷嘴组的喷嘴数设计基本相同,因此喷嘴组布置可按对称布置考虑。以此为条件可确定不同配汽方式不同阀点位置的转子受力情况。影响转子稳定性的因素很多,”,但使得部分负收稿日期20131127作者简介王明坤1988,男,在读博士生,现主要从事储能系统及电网一次调频等研究工作。274汽轮机技术第56卷但是随着3阀的开启,流量便会开始下降,因为在1、2阀全开之后,背压的升高,使得其流量下降。另外,由于流量及流速先增大后减小的变化规律,使得1、2、3阀对应叶片上受到推力的绝对值也呈现先增加后减小的趋势。其余参数的结果和变化在此不再列举。3配汽方式对汽流力的影响不同阀门开度下,喷嘴组出口的蒸汽参数发生剧烈的变化,因此不同的负荷工况下透平调节级流道进出口参数变化较大,这使得每一个负荷工况的汽流力的分析都要预先进行CFD求解计算。配汽方式采用第二节设定的L2种配汽方式,不同的负荷工况点仍是采用在额定工况的40100划分的13种工况。31相邻阀门配汽方式即采用配汽方式512共8种配汽方式,计算结果如图3。所示。从图可以看出,采用相邻配汽方式,前十个点代表两阀门开启,自第十一个点左右开启第3个阀门。在这8种配汽方式下,蒸汽流量随阀门开度的增加而增加,在两阀点时叶冬R蹭毫R蠕级流量,级流MTAT方式L1转子所受周向汽流力方式L2转子所受周向汽流力图3片受力达到最大。到三阀开启以后,汽流合力会下降。同时由图可见,不同的配汽方式,产生的、Y方向的汽流力方向不同,并且无论哪种方式径向合成汽流力都较大。32对角配汽方式即采用配汽方式14共4种配汽方式,计算结果如下图4OD所示。毒R增套R蝗级流量,TM级流量方式1转子所受周向汽流力方式2转子所受周向汽流力级褫量LLTT,HC方式3转子所受周向汽流力西方式4转子所受周向汽流力图4从图中可以看出,采用对角配汽方式时,前十个点代表两阀门开启,自第十一个点左右开启第3个阀门。在这4种配汽方式下,蒸汽流量随阀门开度的增加而增加,在两阀点前叶片所受汽流力基本相互抵消。各叶片所受周向力作用于转子的合成径向汽流力较小;到三阀开启以后,由于第3个力的加入,汽流合力会上升。故对比图3和图4的结果可知,采用相邻配汽方式时,其合成径向汽流力会达到一个较大的数值。该径向汽流力数量级较大,与转子载荷相比不能忽略,将会严重影响轴承载荷,引起轴承动态特性的变化,进一步影响转子的稳定性。配汽方式14采用先开两个对角的调节阀,汽流力合力较小。对转子稳定性的影响较小。选取对角配汽方式要优于相邻配汽方式。此外,一般竖直向上的径向力会降低轴承的载荷及其支撑刚度,不利于转子的稳定,当转子存在向上的作用力时,相当使转子的重量减轻,对轴系的稳定性会产生不利的影响,因此最优配汽方式在方式1、方式4中选取。该超临界汽轮机采用就是“节流一喷嘴混合配汽方式”。在高负荷段采用喷嘴配汽,低负荷段转为节流配汽。机组可根据不同状态分别采用单阀或顺序阀的运行方式。然而根据该机组运行数据,在单阀运行方式下,1号瓦高压缸基础瓦温度较高,满负荷时已达到802,由于轴是顺时针旋转,并且单阀运行时是全周进汽,由于挤压润滑油使轴偏向于右侧,故右侧的轴瓦温度相比于左侧温度高。从运行数据看,单阀运行1号瓦右侧温度高于左侧温度8C一10C。故当采用方案1时,第三阀开启后,会使轴瓦右侧受力进一步加剧,瓦温必然进一步升高,故排除方式1。故该机组的最优方案是方式4,即3421。下转第278页一一一瓣一三一R_。L呻一L一篓一一1景童瓣一L一278汽轮机技术第56卷曩_叵暴R藿暴图9喷嘴配汽监测点应力随时间的变化图10混合配汽监测点应力随时间的变化同时由图9和图10可以看出,在喷嘴配汽方式下,调节级后转子外表面和调节级后叶轮根部的轴向热应力均大于混合配汽,甚至在调节级后叶轮根部,其应力最大值增加了40。所以,当汽轮机由原设计的混合配汽方式改为喷嘴配汽方式后,在汽轮机转子上产生的热应力将增大,必须对其变负荷速度进行重新核算。4结论1汽轮机由原设计的混合配汽方式改为喷嘴配汽方式后,虽然使汽轮机在部分负荷下的混合损失减少,但却使汽轮机变负荷时转子相同部位蒸汽温度的变化量增大。2通过对不同配汽方式下的某600MW汽轮机调节级后转子温度场和应力场的计算和比较,得出喷嘴配汽的轴向热应力大于昆合配汽。3计算分析的结果为转子在线热应力监测和转子寿命管理系统中的最危险点确定提供了可靠的依据。4为了保证汽轮机配汽方式改进后的安全经济运行,对配汽方式改进后,不能采用原变负荷速度,而应该对变负荷速度进行重新核算。参考文献1李勇,曹丽华,刘莎汽轮机调节汽门数学模型的建立方法研究J汽轮机技术,2008,5042412432张保衡大容量火电机组寿命管理与调峰运行M北京水利电力出版,19883支小牧,何光新,寇可新考虑中心孑L影响的汽轮机转子热应力解析递推计算法J工程热物理学报,1997,44844884李维特,黄保海汽轮机变工况热力计算M北京中国电力出版社,20015丁有宇,周宏利,等汽轮机强度计算M北京水利电力出版社,1985上接第274页4结论本文分析了不同阀门开度对蒸汽参数的影响,研究了顺序阀配汽时不平衡汽流力产生的机理,确定了开启顺序对转子激振力的影响,以某典型超临界机组为例,对全部12种配汽方式转子的受力进行了研究分析,结合理论分析计算结果和机组的实际状态,给出了最佳的配汽方式,即3421的对角进汽配汽方式,采用这种配汽方式,可以使得机组部分负荷时的受力最小,对轴承负荷的影响最小,轴瓦温度变化最小。在电厂的实际运行中证明了所采用方法的正确性和合理性,所做工作可以为今后大功率超临界机组选择合理的配汽方式提供理论依据,具有重要的工程实际试验价值。23参考文献朱宝田超临界600MW汽轮机调节级叶片激振力特性和振动安全性分析J中国电力,1998,315711THOMASHJUNSTABLEOSEILLATIONSOFTURHINEROTORSDUETOSTEAMLEAKAGEINTHESEALINGGLANDSANDTHEBUCKETSJBULLETINSCIENTIFIQUEAJM19587L3437ALFORDJSPROTECTINGTURBOMACHINERYFROMSELFEXCITEDROTORWHIDJASMEJOUMALOFENGINEERINGFORPOWER,1965,3353333444WOHLRABREXPERIMENTSDETERMINATIONOFGASFLOWCONDITIONEDFORCEATTURBINESTAGESANDTHEIREFFECTSONTHERUNNINGSTABILITYOFSIMPLEROTORATRANSLATEDA8NASATM77293,19835晏砺堂,朱梓根,李其汉高速旋转机械振动M北京国防工业出版社,19946VANCEJM,LAUDADIOFJEXPERIMENTALMEASUREMENTSOFAFFORDFORCEINAXIALFLOWTURBOMACHINERYAASMEPAPER,1984,84一GT一1407葛庆,彭喜忠600MW机组不同进汽方式汽流对轴系的干扰研究J热力透平,2008,37135388于达仁,刘金福,刘占生调节级不平衡汽流力对汽轮机组轴系影响的研究A第四届全国火力发电技术学术年会论文C三亚,20039肖锋1000MW超超临界汽轮机配汽方式的优化J广东电力,2013,268,949810

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