直接空冷机组排汽管道流量分配特性数值模拟

第58卷第1期2016年2月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYVOI58NO1FEB2016直接空冷机组排汽管道流量分配特性数值模拟周振起，袁猛，周楠。1东北电力大学能源与动力工程学院，吉林132012；2中国核电工程有限公司采购部，北京100840摘要对某电厂1000MW直接空冷机组的排汽管道系统进行研究，建立处于高位布置的排汽管道上升管段的几何模型。利用流体力学软件FLUENT对汽轮机处于不同工况下，管道内蒸汽流动情况进行模拟，得出机组不同流量下管道压损和流量分配特征并采用变管径的方法降低了压损，均衡各分配管流量。模拟结果表明蒸汽流量大小对汽机排汽管道蒸汽分配情况基本无影响，通过增大支管管径的方法可以显著改善排汽管道流量分配不均现象。关键词直接空冷；排汽管道；变管径；流量分配分类号TK113文献标识码A文章编号10015884201601003703NUMERICALSIMULATIONOFFLOWDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSOFEXHAUSTSTEAMDUETINDIRECTAIRCOOLINGUNIT一ZHOUZHENQIYUANMENG，ZHOUNAN1NORTHEASTDIANLIUNIVERSITY，JILIN132012，CHINA；2CHINANUCLEARPOWERENGINEERINGCOMPANYPURCHASINGDEPARTMENT，BEIJING100840，CHINAABSTRACTBYRESEARCHINGONTHEDIRECTAIRCOOLINGEXHAUSTPIPESYSTEMOFIO00MWPOWERUNIT，GEOMETRICMODELOFTHERISINGPIPESECTIONINTHEHI；HPOSITIONLAYOUTOFSTEAMEXHAUSTPIPEWASSETUPTHESTREAMFLOWINTHEPIPELINEWASSIMULATEDUSINGFLUIDDYNAMICSSOFTWAREFLUENTWHENTHESTEAMTURBINEWASWORKINGUNDERDIFFERENTCONDITIONSANDTHERESULTPRESSURELOSSOFEACHPIPEANDFLOWDISTRIBUTIONCHARACTERISTICSHASBEENOBTAINEDTHEMETHODCHANNGPIPEDIAMETERWASUSEDTOREDUCEPRESSURELOSSANDBALANCETHEDISTRIBUTIONPIPEFLOWTHERESULTSSHOWTHATSTEAMFLOWRATEHASNOEFFECTONTHEDISTRIBUTIONOFSTEAMTURBINEEXHAUSTSTEAMPIPEBYINCREASINGTHEDIAMETEROFTHETUBE，THEFLOWDISTRIBUTIONOFSTEAMPIPECANBEIMPROVEDSIGNIFICANTLYKEYWORDSDIRECTAIRCOOLING；EXHAUSTPIPE；VARIABLEDIAMETER；DISTRIBUTIONOFTHESTEAMFLOW0，前言水资源短缺日益严重，已经成为了我国经济快速发展过程中必须要面对和解决的问题。作为水资源消耗大户的电厂，节水已成为其运行中除电力生产之外的又一个工作目标。直接空冷机组以其优异的节水性能现正被越来越多地重视起来，单机功率从最初20世纪90年代的200MW向1000MW发展。我国大型直接空冷机组的投运时间不长，经验缺少，因此研究IO00MW直接空冷机组的高效运行具有十分重要的价值。一般湿冷机组的汽轮机低压缸和凝汽器直接相连，或者距离很短，所以凝汽器的压力即可以近似认为是汽轮机的末级排汽压力，与湿冷机组不同，直接空冷机组从汽轮机到空冷岛距离较远，而且中间还要流过弯头、阀门等部件，无疑会增加排汽流至凝汽器空冷单元的压力损失，使汽轮机的排汽压力高于凝汽器的压力，降低了蒸汽在热力循环过程的做功能力，于是如何减小排汽管道的压损就成为了许多专家学者班究的重点。另处，由王轮机的排汽量较大，不可能只通收稿日期20150921作者简介周振起1963，男，教授，从事电厂节能方面的研究。过一个或者几个空冷单元来冷却，以600MW机组为例，一般需设置8行7列，共计56个空冷单元。汽轮机排汽如何从主排汽管道均匀分配到各行空冷单元，避免因为蒸汽流量分配不均造成有的单元凝结水过冷，而有的空冷单元蒸汽不能充分凝结这在冬季，特别是我国高纬度地区影响极为恶劣，显得十分必要。本文利用流体力学分析软件FLUENT，通过对某1000MW直接空冷机组变工况条件下排汽管道的蒸汽流动情况进行模拟，得出汽轮机不同负荷即蒸汽流量不同的情况下，排汽管道的压降和蒸汽的分配特点，提出通过改变管径而均衡各分配管流量的改进措施，为直接空冷排汽管道的设计以及机组的经济高效运行提供参考。1物理及几何模型直接空冷凝汽器的运行受环境风力大小、气温、天气情况等因素的影响，机组背压会在很大的允许范围内变化，又由于变化的瞬时性，为保证机组安全运转，通常可以通过调节冷却风机转速，向空冷单元管束表面喷水等措施使机组38汽轮机技术第58卷背压尽量保持较小范围波动。本文重点关注汽轮机在不同负荷，即排汽管道流量不同时，排汽压损和管道内蒸汽分配情况，故假设排汽压力为定值13KPA，其所对应的饱和蒸汽温度T510649C，密度P008722KGM，动力黏度1064910。研究中，分别对汽轮机处于TRL时的管道流量以及此流量的08、06、04、02倍进行模拟见表1。表I直接空冷凝汽器不同工况点流量参数工况质量流量，KGS工况质量流量，KGSTRL24O40TRL968OTRL1922OTRL486OTRL144注汽轮机通过两根排汽管道进入凝汽器，模型是单根排汽管道的工况，流量为全部排汽量的一半。某IO00MW直接空冷机组排汽管道的几何模型Y剖面图如图1所示。排汽管道入口直径78M，经过32M的上升段进入弯头流入蒸汽分配管管段，各个蒸汽分配管间距114M，管径均为34M，管内弯头和T型管除1号分配管之外均设置导流板，通过缓和流动方向的变化而减小流体的分离流动的损失，进而减小管道压损。0UTLE1OUTLET2ONTLET3OUTLET4OUTLET5INLET入口图1IO00MW直接空冷机组排汽管道几何模型2数学模型直接空冷机组排汽管道内蒸汽的真实流动状况比较复杂，针对本文研究的侧重点，对于排汽管道模型作如下简化和假设1管道内蒸汽流场为稳态，不可压缩；2忽略排汽管道壁面传热对管内蒸汽流动的影响，认为蒸汽与外界没有热交换，不考虑蒸汽凝结造成的汽液两相流动；3在模拟各个支管流量分配情况时假设各分配管出口压力相同；4忽略重力造成的压力损失J。在以上简化和假设的条件下，饱和蒸汽流经排汽管道的控制方程组为连续性方程AW01AOYDZ动量守恒方程“OUOU一I02UA2_FFUPOXP7YPOZ“一一IAV2J2P“P一OV一OY窘02_VOXP7YAZ窘3P“P一【AV2J_OWOWOW蓑02_WWPPPAIAV2J4采用标准KS双方程湍流模型加以封闭，该模型具有较高的稳定性、经济性和计算精度，自从被LAUNDERANDSPALDING提出之后，就成为工程流场计算中主要的工具，它包括湍动能输运方程和耗散率方程两部分。P詈PU塑BXK去【簧】【LJJN,AXJFOX一C等5J2P一I广3PIF；P鸶OXI毒【鸶P【IJJCGUOU_J，_善一P6叩孤广【O，C7了式中，S为耗散率；C。、C2、P为系数。利用流体力学计算分析软件FLUENT，采用非结构化网格进行区域离散，控制微分方程离散采用有限容积法，为加快收敛速度，方程的离散采用一阶迎风格式，只保留泰勒级数展开式的首项，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法，人口采用质量流量入口边界条件，出口采用压力出口边界条件紊流强度取10特征长摩为管道口盲释3模拟结果与分析对表1中主排汽管道的不同流量工况进行数值模拟，得到各分配管流量如表2所示。表2不同工况下各个出口流量单位KGS可以看出，随着总流量的减小，所有分配管的流量都呈下降趋势。在此过程中，1号、4号分配管的出口流量一直低于平均流量，2号、5号分配管的出口流量一直高于平均流量，而3号分配管在每个流动工况下都十分接近平均值。随着主排汽管道流量减小，各个分配管的流量都相应减小，流量不均现象并未消失。仅依靠对比各个分配管出口流量与平均值的差的大小很难看出流量分配不均程度随主排汽管道流量降低是更加恶劣还是有所改善。为此，类比造成锅炉受热面吸热不均因素中的流量不均系数的概念，定义蒸汽分配管的流量不均百分数第1期靖长财IO00MW汽轮机轴承金属温度偏高的原因分析及对策。77发电机起动过程中，因密封油膨胀箱压力升高，密封油回油不畅，密封油膨胀箱满油，加上运行监视和分析不到位，密封油进入发电机内部。由于进入主机润滑油箱油量减少，引起主机润滑油箱油位下降，润滑油主油泵油量吸入不足，导致主油泵出力不足，润滑油压力降到安全值以下，轴承烧损。分析为发电机进油造成主油箱缺油，断油烧瓦。为此建议技术措施。1设置汽轮机润滑油主油箱油位低保护；2密封油膨胀箱、浮子油箱和真空油箱之间控制进一步优化；3研究发电机与密封油膨胀箱之间设置平衡管，防止密封油膨胀箱压力升高。级检修时进行更换。顶轴油管采用不锈钢管的，机组A级检修时，应重点对焊口进行着色检验。33设计方面落实能源局颁布的二十五项反措要求汽轮机润滑油系统设置主油箱油位低保护J。新建汽轮机安装技术协议要求顶轴油管采用不锈钢管，且必须安装逆止阀，安装前对顶轴油管要进行金属检验。汽轮机选型与制造厂商榷，采用喷嘴调节的汽轮机高压转子宜采用可承受水平力的可倾瓦轴承。34研究项目研究汽轮机润滑油系统设置储能器；汽轮机轴承的基体由铸钢改为CRCU合金，即将巴式合金浇铸在CRCU合金上，增加散热能力。3汽轮机轴承金属温度偏高的对策4总结31运行方面加强机组启停、正常运行期间主机振动、轴承金属温度、供回油温度、油膜压力等参数的监视和记录，尤其要做好油膜压力的巡视、检查和参数分析工作。设置典型机组工况参数，定期对比分析；尤其重视汽轮机调速汽门控制方式优化，既考虑轴承载荷又要考虑转子稳定性。32检修工艺汽轮机轴承检修后轴承载荷、各部间隙、进油流量、接触面积、轴承紧力、轴系扬度、轴承标高等符合检修工艺规程。尤其是轴承承载力按照设计负荷进行分配，轴承重载比轴承轻载，抗汽流激振性能强，提高轴承的稳定性。机组A级检修时，应将顶轴油管检查列入标准检查项目，发现缺陷，及时处理。顶轴油管采用液压软管的，宜在A通过分析IO00MW汽轮机轴承金属温度偏高的案例，看到汽轮机轴承金属温度偏高的问题，虽然近年来相对减少，但是一旦发生影响很大，对汽轮机安全运行带来了很大的威胁，必须引起高度重视，通过设计、安装、运行、检修等共同努力，汽轮机轴承金属温度偏高的问题是可以有效控制和避免的。参考文献1任家福，宋大全超临界600MW汽轮机1号轴承温度偏高分析处理A2007年东汽600MW机组技术经验交流会论文集C成都，20072国家能源局防止电力生产事故的二十五项重点要求S国能安全2014161号，2014上接第39页籁毁驻由1斌2345蒸汽分配管出NT51图5优化前后蒸汽分配管流量分配不均百分数对比知道主排汽管道按照240KGS的流量数值模拟得出的管道管径优化结果，也适用于汽轮机的其它流量工况。一旦管道结构导流板数目，位置，管径大小，阀门数量、长度、布置方式等因素确定，流量分配情况也已基本确定，与汽轮机负荷关系不大，管径优化结果在排汽管道流量变化时，流量分配情况不会发生大的变化。4结论1直接空冷机组排汽管道蒸汽流量分配与汽轮机负荷情况基本无关，只与管道结构、分配管尺寸等因素有关。模拟过程中主排汽管道流量从240KGSG048KGS的范围内变化时，各个分配管的流量不均百分数只在很小的范围稍有增减。2通过对流量偏差管的管径大小进行优化，可以明显改善分配