300MW直接空冷汽轮机低压末级鼓风态流场及湿度测量_蔡小舒

1、第 28 卷 第 26 期中国电 机 工 程学报Vol.28 No.26 Sep. 15, 20082008 年 9 月 15 日Proceedings of the CSEE2008 Chin.Soc.for Elec.Eng.7文章编号：0258-8013 (2008) 26-0007-07中图分类号：TK 261文献标志码：A学科分类号：47020300 MW 直接空冷汽轮机低压末级鼓风态流场及湿度测量蔡小舒 1，宁廷保 1，牛凤仙 1，吴广臣 1，宋延勇 1，尚志涛 1，徐则林 2，岑岺山 3，郭养富 3，张瑾 3，李岗 3(1上海理工大学动力工程学院，上海市 杨浦区 200093；2

2、国电科环节能中心，北京市 海淀区 100070；3漳山发电有限公司，山西省 长治市 046021)Measurement of Flow and Wetness in Windage Condition in a 300 MWDirect Air-cooling Low Pressure Steam TurbineCAI Xiao-shu1, NING Ting-bao1, NIU Feng-xian1, WU Guang-chen1, SONG Yan-yong1, SHANG Zhi-tao1, XU Ze-lin2, CEN Ling-shan3, GUO Yang-fu3, ZHANG

3、 Jin3, LI Gang3(1. College of Power Engineering, University of Shanghai for Science & Technology, Yangpu District, Shanghai 200093, China;2. Guodiankehuan Energy Center, Haidian District, Beijing 100070, China;3. Zhangshan Power Plant, Changzhi 046021, Shanxi Province, China)ABSTRACT: A new probe wa

4、s developed based on the principle of multi-wavelength light extinction and 4 holes wedge probe. Flow field and wetness behind the last stage in a 300MW direct air-cooling low pressure(LP) steam turbine were measured with this probe. The load and back pressure of the turbien were 300 MW and 40 kPa,

5、respectively. The results show that there is windage in the last stage and the 2nd last stage. The region of the windage is about 51% in the total height of the last blade. The avarege wetness of the exhaust steam is only 0.23%. In the windage region the wetness is even zero. The internal efficiency

6、 of the LP turbine is 84.9% that agrees well with the thermal performance test. Temperature of 7th extraction steam indicated by the operating gauge is not the real temperature of the main steam tream, but the temperature of windage steam.KEY WORDS: steam turbine; wet steam; flow field; windage; mea

7、surement摘要：研制了基于多波长消光法和 4 孔楔形气动探头的改进型联合探针，用该探针测量了某电厂 300 MW 直接空冷机组低压汽轮机末级后在满负荷 40 kPa 背压运行时末级后的流场和湿蒸汽。测量结果表明该汽轮机在该工况运行时低压缸末级产生鼓风，并有叶片根部的回流，鼓风区域约占叶高的基金项目：国家自然科学基金重点项目(50336050)Key Project Supported by National Natural Science Foundation of China(50336050)51%，在鼓风区蒸汽湿度为零，鼓风状态时末级平均湿度仅0.23%，低压缸效率 84.9%，次

8、末级也存在鼓风现象。鼓风时运行表计指示的第 7 级抽汽温度不是汽缸内汽流的真实温度，而是鼓风温度。关键词：汽轮机；湿蒸汽；流场；鼓风态；测量0 引言近年来我国电力工业发展迅速，仅 2007 年就新增火电装机容量达 8158.35 万千瓦1。但由于地理条件，我国北方许多地区缺水，大规模建设湿冷火电机组受到限制。而直接空冷机组所需的水量只有湿冷机组的 20%，因而直接空冷汽轮机组目前已成为我国北方缺水地区的主力机组，近年来大量投入运行。直接空冷机组运行的显著特点是受气候变化影响大，运行时不仅背压的变化范围远大于湿冷机组，而且变化频繁，因此，空冷机组的设计背压范围较大，且为保证低压汽轮机，尤其是末级

9、叶片经常在高背压小容积流量和低背压大容积流量及阻塞流等非正常工况下的安全运行，在设计时要考虑喘振2和鼓风3等多种因素，直接空冷机组低压汽轮机及末级叶片均为专门设计4-7。对间接空冷汽轮机末级流场试验研究的结果给汽轮机的改进提供了依据8，但对直接空冷汽轮机在运行时低压缸末级湿蒸汽流动情况尚缺少了解。笔者研制了新的8中国电机工程学报第 28 卷改进型湿蒸汽联合探针，用该探针对 1 台 300 MW 直接空冷机组在满负荷 40 kPa 背压条件下运行时低压缸末级后的流场和湿蒸汽进行了测量，发现在该运行条件下低压缸末级后出现鼓风。文中给出了在鼓风状态时末级后流场和湿蒸汽测量结果。1 流场和湿度测量原理

10、1.1流场测量原理汽轮机内流场测量选用 4 孔楔形气动探头，如图 1 所示。这种探头的尖锐楔形边使得其对来流方向非常敏感，即使是偏离半度都可以测出来，很适合于末级叶片排汽跨音速流的测量。探针上有 4 个测量孔，分别是 P1、P2、P3 和 P4，可以由这 4 个孔测得的压差和压力值得到汽流的偏转角 (yaw angle)，仰角(pitch angle)以及总压、动压和静压，马赫数和速度9-10。该气动探头在德国斯图加特大学热流体机械研究所(ITSM)的湿蒸汽风洞中进行了标定11。d偏转角P4 P2P1P32.85图 1 4 孔楔形探头Fig. 1 4 holes wedge probe1.2湿

11、度测量原理当一平行光束通过含有水滴的湿蒸汽两相流时，受水滴光散射效应的影响，透射光强度 I 将小于入射光强度 I0，如图 2 所示。对于多波长消光法12，有：ln(I)i=Lab K ext N (D ) D 2d D i =1,2,M(1)4I 0式中：L 为测量区光程；Kext 为消光系数，为入射光波长、水滴尺寸 D 和水滴折射率的函数，可以由 Mie 理论计算得到；N(D)为水滴的尺寸分布函数，积分上下限 a 和 b 分别为 1 次水滴可能的最小尺寸和最大尺寸。已知入射光波长1, 2, M，光程 L和水滴折射率 m 后，测得对应所有波长的入射光和透射光的强度 I0 和 I，就可由反演算法

12、计算得到水滴的尺寸分布函数 N(D)及浓度，此时水滴的体积浓度可表示为C w =ab N (D )D 3dD(2)6对于具有一定尺寸分布的水滴，可采用索太尔平均直径加以描述，即将具有大小不等、尺寸分布规律为 N(D)的水滴等效成为具有相同直径 D32 的颗粒系：b N ( D ) D 3dDD32 = ab N ( D ) D 2dD(3)a湿蒸汽中湿度的定义为Y =mw100%=Cw w100% (4)m + mCww+ (1Cw)wvv式中w 和v 分别是对应汽轮机背压的饱和水和饱和汽的密度，根据测得的背压由 IF-97 水与水蒸气热力性质标准13计算得到。这样由测得的水滴体积和汽轮机背压

13、就可以得到蒸汽湿度 Y。实际测量湿度时，探针测得的是沿叶高各个位置的湿度。在汽轮机中不仅湿度沿叶高分布不同，通流面积和流速也不同，故在每一位置的蒸汽流量是不同的。要得到总的平均排汽湿度，需采用加权求和的方法，将末级通流面积沿叶高各测点位置分解成各个环面积之和，分别计算通过各个环面积的流量。此时，总的平均湿度可以表示为Y =ci S i ( g + Cv f )Yi, i =1,2,M(5)ci S i ( g + Cv f )式中 ci 为第 i 测量点的轴向速度：ci = V cosi cos i(6)Si 为第 i 测量点所在环的面积：S i = (ri + r /2)2 ( ri r /

14、2)2 , i = 2,M 1 (7)式中 r 为相邻测量点距离。对于叶根处第 1 测点：S = (r + r /2)2(d /2)2 (8)11式中 d 为汽轮机末级叶片叶根处的叶轮直径。对于叶顶处第 M 测点：SM= (D /2)2 ( r r /2)2(9)M式中 D 为汽轮机末级叶片叶顶处的叶轮直径。. . . . . .Io. .D, Y. .I. .N(D). . . . . . . . .L图 2消光法测量原理Fig. 2Principle of light extinction第 26 期蔡小舒等：300 MW 直接空冷汽轮机低压末级鼓风态流场及湿度测量91.3湿蒸汽测量系统基

15、于上述测量原理研制的改进型湿蒸汽测量系统见图 3。整个系统由 2 部分组成，一部分是湿蒸汽探针测量系统，包括湿度测量子系统和流场测量子系统，另一部分是计算机控制步进电机实现探针移动和转动的坐标架系统。该探针系统可沿叶高同时测量蒸汽湿度、1 次水滴直径及其分布、热力参数(静压和温度)和气动参数(汽流速度和方向)。一次水滴粒径(大小、分布)湿度湿蒸汽速度(大小、方向)蒸流场静压 P汽测温度量探针坐标架控制探针移动和转动图 3湿蒸汽测量系统功能示意图Fig. 3Functions of the wet steam measurement system湿度测量子系统由光源及光学系统，测量区，接收光纤，

16、信号传输光纤，光谱仪，A/D 数据采集和处理系统，探针杆和计算机等组成。流场测量子系统由 4 孔楔形探头、传压管、压力变送器(包括 1 个绝压变送器和 3 个差压变送器)、温度传感器、信号放大处理系统、电磁阀、A/D 数据采集卡和控制系统等组成。考虑到湿蒸汽中的水滴可能会进入楔形探头的测量小孔或在表面凝结成水膜堵塞小孔，从而影响压力测量，在每次测量前均先利用外界大气对测量孔进行吹扫。整个测量及吹扫过程均由计算机进行控制。探针直径为 30 mm，探针杆最大长度为 6 m，由 1.5 m 长的 4 节组成，可以满足不同功率汽轮机测量的需要。探针头部的探头由湿度测量部分和流场测量部分组成，见图 4。

17、其中测量区长度 30 mm，故探针沿叶高移动可以对湿蒸汽两相流场的多个参数进行详细测量。构成系统的光纤光谱仪、压力变送器、电磁阀、直流电源、温度变送器和 A/D 数据采集卡等部件均集成在一个 380 mm380 mm 133 mm 的控制仪器箱内，整套系统由一测量控制软件控制。图 4湿蒸汽测量探针头Fig. 4Picture of the combined probe head2 现场实验及结果分析2.1现场测量试验在某电厂的 300 MW 直接空冷机组上进行。该机组的额定主蒸汽和再热蒸汽温度 537 ，额定背压 15 kPa，末级叶片高度 620 mm，300 MW 负荷时允许最高背压为 6

18、0 kPa。探针安装在距末级叶片出口 100 mm 处，参见图 5。测量位置探针100 测量区图 5 探针安装位置示意图Fig. 5 Measurement positions试验时探针沿叶片从叶顶向叶根每隔 30 mm 距离进行测量，每个位置上重复测量 100 次以上，以保证测量结果的可靠性和准确性，到达叶根后返回从叶根向叶顶在相应位置上重复进行测量。在部分汽流变化比较大的区域测量位置间隔缩短为 15 mm。试验时汽轮机负荷保持在 300 MW，调整并维持再热汽温为 520 ，然后逐步提高背压。当背压从 27 kPa 增加到 35 kPa 时，第 7 级抽汽温度从正常的 113 左右开始上升

19、，到背压达到 40 kPa 时，第 7 级抽汽温度升高到 170 左右并维持在这个温度水平。此时，保持背压、机组负荷和再热温度稳定，开始沿叶高进行测量。由于测量数据处理复杂并耗时较多，实验时将测量数据记录下来，试验后集中处理。2.2流场测量结果在试验时发现，从距叶根 45280 mm 叶高范围，准确捕捉汽流方向非常困难。在该区域内 4 孔楔形探针测量偏转角的 P3 和 P4 之间的压差在探针转动相当大角度范围内基本为零，没有变化。这表明在该区域基本没有汽流流动。当探针方向偏离正常汽流偏转角很大时，测量偏转角的 P3 和 P4 间的压差 P3,4 才略有增大。 P3,4 基本为零的角度范围沿叶高

20、增加逐渐减小，到 280 mm 叶高时，此角度范围减小到零，开始有确定的汽流方向。图 6 和 710中国电机工程学报第 28 卷分别给出了总压、静压、背压、偏转角、仰角及马赫数和汽流速度沿叶高的变化情况。在图 7 中用虚线表示在该区域内不存在汽流偏转角(差压为零)的角度上限和下限。马赫数00.20.40.6600总压静压背压450马赫数/mm叶高30015000204060高压、静压、背压/(kPa)图 6总压、静压、背压及马赫数沿叶高的变化Fig. 6Profiles of Ptot, Psta, Pb and Ma alongthe height of blade马赫数0.200.20.4

21、0.6600450/mm叶高300偏转角偏转角上限150偏转角下限流速攻角马赫数1000 0100200300偏转角、攻角/()，流速/(m/s)图 7 偏转角、仰角及马赫数、汽流速度沿叶高的变化Fig. 7 Profiles of yaw angle, pitch angle, Mach numberand velocity along the height of blade从图 7 可见，在叶根到叶高 45 mm 区域，测得的偏转角超过 100。这表明在叶根到 45 mm 区域是一回流涡旋区，从 45280 mm 叶高区域实际上蒸汽基本上不流动，属死区。在该区域叶片处于鼓风状态，这从测得的

22、汽流仰角变化也可以得到证明。在叶根到叶高约 100 mm 范围汽流出现负仰角，尤其是在叶高 30 mm 以下仰角最大达负 60，在 30 mm 到 75 mm 区域，仰角保持在负 15左右，然后仰角沿叶高逐渐增大，到 100 mm 达到 0，到 170 mm 处达到约 37，以后沿叶高基本保持不变直到 470 mm。该仰角大于该汽轮机在正常工况运行时的仰角约48%。从 470 mm 到叶顶，仰角逐渐减小，到叶顶仰角减小到 27。以上测量结果表明在从叶根到约 45%叶高区域确实存在鼓风和涡旋区，如图 8 所示。该鼓风状态的存在，使得在该区域的汽温上升，成为过热蒸汽。在距叶根 10 mm 处测得的

23、静压是 42.2 kPa，该压力对应的饱和温度是 77.15 ，但在该点测得的汽流温度是 80.45 ，高于饱和温度 3.3 。从叶高 170275 mm 范围，测得的静压和汽流温度才基本对应，但温度仍有小幅波动。如在 170 和 275 mm 位置测得的静压分别是 41.64 和 42.27 kPa，对应的饱和温度是分别是 76.82 和 77.19 ，实际测得的温度分别是 76.61 和 76.4 ，基本相符。从 275 mm 以上，测得的静压和汽流温度基本对应，温度波动很小。在叶顶 620 mm 处测得的静压是 42.11 kPa，对应饱和温度是 77.09 ，测得的汽流温度是 77.3

24、3 。这从另一方面证明在从叶根到 280 mm 叶高区域确实存在鼓风状态，这也证实了文献14的预计。探针图 8 末级后回流和鼓风示意图Fig. 8 Schematic vortex and windagebehind the last stage分析图 6 和图 7 及其他测量数据可以得到如下结果：1）即使在鼓风状态，静压沿叶高基本不变，约在 42.21 kPa 左右，变化不超过 1.8%，约 0.75 kPa。2）在叶根区域 45 mm 高度以下存在回流区，在此区域，汽流呈较大的负仰角，偏转角大于 90 度，形成一汽流旋涡，该旋涡的存在将使叶片的安全运行受到严重考验。3）从 45 到 280

25、 mm 区域叶片处于完全鼓风状态，在该区域内汽流基本不流动，故不存在汽流偏第 26 期蔡小舒等：300 MW 直接空冷汽轮机低压末级鼓风态流场及湿度测量11转角。如此大区域的鼓风状态不仅将消耗大量能量，减低汽轮机的效率。鼓风还可能产生还产生喘震，对叶片的安全运行带来危害15。4）由叶根到叶顶，汽流马赫数呈逐步增高趋势。可以发现，从叶根至 30%叶高马赫数不到 0.1，汽流速度非常低，接近于滞止状态，符合鼓风状态的基本特征。在末级该区域蒸汽不再膨胀做功，相反因为通过的汽流流量太小，速度太低而对转子起制动作用而耗功。从叶高 30%处至叶顶汽流马赫数逐渐增大，由小于 0.1 增加至 0.56，对应的

26、汽流速度由 50 m/s 增加至 280 m/s。5）在直接空冷末级叶片设计中排汽速度范围一般在 170220 m/s4，不同厂家的设计此数值有所不同。根据这个设计数据，可以认为汽流速度低于 140 m/s 的区域仍为鼓风影响区，该影响区的范围到叶高 320 mm 左右。据此估计鼓风区范围约占总叶片高度的 51.6%。6）在叶顶区域未发现负仰角和脱流现象，估计这与该叶片设计的顶部反动度较大有关。7）可以估计在次末级也存在鼓风涡旋区，与末级发生鼓风的区域不同，在次末级发生鼓风的区域在叶片上部区域，而不是下部区域。由于次末级的蒸汽压力较高，蒸汽密度大，造成鼓风温度的升高程度远大于末级后的鼓风，使得

27、处于次末级后的第 7 级抽汽温度在鼓风状态中升高到 170 ，与第6 级抽汽设计温度相当。2.3 湿度测量图 9 给出了湿度及 1 次水滴粒径沿叶高变化的测量结果。由图中可以看出，在叶高 80400 mm 范围内，除 180240 mm 区域有很低的湿度外，湿度都为零。从叶高 380 mm 至叶顶部分，湿度明显上升，最大约 1.1%。但在距叶顶 30 mm 范围湿度减小，从约 1.1%降低到约 0.26%。在叶高 430 mm 处湿度有一较小的变化，估计原因是叶片在该处存在松拉筋所致。仔细观察图 6 和图 7 可以发现在该位置的静压等参数同样都有一些变化。在 80240 mm 区域有很小的湿度

28、产生，其原因还有待研究。从图6 和图 7 中同样可以观察到汽流速度在此区域有些变化。从图 9 还可以见到 1 次水滴的粒度基本上在1 m 左右，这与笔者在国外一些机组上测得的结果比较要大些16。在直接空冷机组中由于背压较高，湿度较低，测量中发现基本上不存在 2 次水滴，这个结果与湿冷机组有很大不同17。600450/mm湿度叶高300平均粒径150000.511.5湿度/%，平均粒径/m图 9 鼓风态下湿度及 1 次水滴粒径沿叶高的变化Fig. 9 The profiles of wetness and size of droplet along theheight of the blade

29、in the windage condition将测得的蒸汽湿度沿叶高的分布与图 7 比较，可以发现尽管鼓风区域到叶高 330 mm 处已结束，但从 330380 mm 区域仍未满足蒸汽自发凝结的条件，并没有出现湿蒸汽。直到 380 mm 以上区域才出现凝结水滴。由测得的各位置的汽流参数和湿度根据式(5)得到的平均排汽湿度为 0.23%。根据该湿度、测得的背压以及低压缸的进汽参数得到的低压缸内效率为 84.97%，同时进行的热力性能试验得到的低压缸内效率是 85.0%，二者的结果完全吻合。图 10 给出了根据低压缸进汽参数、7 级抽汽参数和测得的平均排汽湿度等参数画出的低压缸热力过程线。从图中

30、可见该热力过程线明显不合理，7 级抽汽温度过高造成过程线中出现熵减。分析原因认为是 7 级抽汽的温度测点布置在抽汽口，在次末级发生的鼓风现象造成在该局部区域温度升高， 7 级抽汽温度测点测得是鼓风汽流温度，而实际主汽流温度并没有这样高。根据测得的排汽湿度等参数和 7 级抽汽压力及低压缸过程线推算合理的 7 级抽汽温度应该是约 139 。一般认为空冷机组在高背压低负荷时可能会由于容积流量减小而出现鼓风7，故在设计中在叶片根部取较小的反动度，在叶顶取较大的反动度。但在本试验中出现鼓风状态时汽轮机的负荷是满负荷 300 MW，再热温度偏低 17 ，为 520 ，背压为 40 kPa，再热温度和背压的

31、变化都在设计允许的范围。在试验中 300 MW 低再热温度导致主蒸汽12中国电机工程学报第 28 卷流量大于额定蒸汽流量，低压缸的容积流量并没有减小，但次末级已出现鼓风。因此，可以认为该低压缸的通流设计存在不足，应作进一步的改进。建议适当增加末级叶根处的反动度和降低叶顶处的反动度来减小鼓风和回流的出现，对次末级叶片的设计也须做适当的改进。同时须综合考虑机组在不同季节的经济运行和安全运行等因素，对末级和次末级的通流面积做进一步的优化。低压缸进气压力 0.782 MPa3 100七段抽2 900气压力h/(kJ/kg)0.094 MPa593.7504.52 700末级后压力0.042 MPa2

32、50077.58s/(kJ/(kgK)图 10 虚假的鼓风态工况的低压缸热力过程线Fig. 10 False thermodynamic expansion progress in thewindage condition in the LP turbine based on thetemperature indicated by operating gauge3 结论应用作者研制的新的湿蒸汽测量探针系统对300 MW 直接空冷机组低压缸末级后的湿蒸汽和流场进行了测量，测量结果表明：1）在满负荷和较高背压情况下空冷汽轮机低压缸末级和次末级后会出现鼓风现象，低压缸末级鼓风区域可达叶片高度的 50

33、%以上，而不是通常认为的只有在高背压小容积流量时才会出现鼓风。2）在满负荷较高背压情况下空冷机组低压缸末级叶根部分会出现回流，而叶顶并没有出现脱流、负仰角等现象，鼓风和回流会对叶片的安全运行带来影响，须改进叶片沿叶高的反动度的设计。3）由于存在鼓风，汽轮机的排汽湿度低于设计排汽湿度，低压缸的相对内效率降低。4）由于次末级发生鼓风，运行表计指示的 7 级抽汽温度不是主汽流的真实温度，而是处于鼓风区域内蒸汽的温度。参考文献1中国电力企业联合会2007 年全国电力持续快速健康发展R中国电力企业联合会，北京，2007The China Electricity CouncilAnnual report

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