喻 剛 邱 健 廖興寶 段增輝 陶功新

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

100MW核電汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)分析

喻 剛 邱 健 廖興寶 段增輝 陶功新

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

文章從100MW核電汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽效率著手， 對(duì)比傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽結(jié)構(gòu)及進(jìn)汽性能， 通過切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)三維建模以及流體計(jì)算分析驗(yàn)證了切向進(jìn)汽方式的優(yōu)越性， 得到最優(yōu)比下的切向進(jìn)汽方案， 并確定了100MW核電汽輪機(jī)的切向進(jìn)汽布置方案。

核電汽輪機(jī)；高壓進(jìn)汽；切向進(jìn)汽

1 前言

提高汽輪機(jī)效率是汽輪機(jī)發(fā)展永恒的主題。熱力系統(tǒng)參數(shù)確定后，改進(jìn)通流是提高效率的重要措施，除了提高汽輪機(jī)級(jí)效率外，通過改變汽缸進(jìn)汽結(jié)構(gòu)以減少進(jìn)汽壓損成為新的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于全周進(jìn)汽機(jī)組，切向進(jìn)汽方式是一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。切向進(jìn)汽方式通過旋轉(zhuǎn)蝸殼進(jìn)汽，能夠平衡壁面壓力和蝸殼流場(chǎng)，減小壓損，提高進(jìn)汽效率。國內(nèi)外已有相當(dāng)數(shù)量切向進(jìn)汽機(jī)組運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)秀的業(yè)績。

在切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)中，汽道蝸殼全周都有同樣的截面出口，故蒸汽經(jīng)過出口在第一級(jí)靜葉前形成均勻的全周環(huán)形汽流，適于采用節(jié)流配汽。因?yàn)槲覈穗姍C(jī)組基本不參與調(diào)峰，一般都是滿負(fù)荷運(yùn)行，所以都采用節(jié)流配汽，適于采用高壓切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。但切向進(jìn)汽汽流方向和汽缸圓筒壁相切，進(jìn)汽管道沿汽缸圓筒壁布置，與傳統(tǒng)進(jìn)汽管道相比， 切向進(jìn)汽管道更偏離中心 （見圖1），會(huì)加大汽缸尺寸，且大功率核電機(jī)組蒸汽容積流量過大，導(dǎo)致汽缸體積已經(jīng)很龐大，而工程配合空間有限，致使切向進(jìn)汽管道布置有很大的難度。但在100MW小型核電機(jī)組中， 蒸汽容積流量小、汽缸尺寸小的特點(diǎn)使得切向進(jìn)汽技術(shù)在核電中的應(yīng)用成為可能。

100MW核電堆型具有很高的安全性； 機(jī)組體積小、占地少、工期短；擁有供熱、供電、工業(yè)抽汽、海水淡化功能；環(huán)境負(fù)面影響小，經(jīng)濟(jì)性好，屬于迅猛發(fā)展的分布式能源技術(shù)的一種，因此100MW核電小機(jī)組有很好的前景。

為了進(jìn)一步提高100MW核電小機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，得到更好的汽輪機(jī)進(jìn)汽效率，本文將具體研究切向進(jìn)汽方式對(duì)100MW核電汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性的作用。

圖1 切向進(jìn)汽示意圖

2 傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽方式及其氣動(dòng)性能

為驗(yàn)證切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)能提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn)，首先需要了解對(duì)比其與傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽方式的氣動(dòng)性能。傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽方式以四管為主，汽缸上四個(gè)管道上下、左右對(duì)稱布置，管口朝向天地方向。 其進(jìn)汽外形見圖2。 但根據(jù)機(jī)組常見運(yùn)行工況不同，其進(jìn)汽方式有些許不同：帶基本負(fù)荷的大功率汽輪機(jī)目前傾向于采用節(jié)流配汽方式，優(yōu)點(diǎn)在于沒有調(diào)節(jié)級(jí)，不存在調(diào)節(jié)級(jí)中的部分進(jìn)汽損失，另外，它的第一級(jí)的余速可被下一級(jí)利用；而在部分負(fù)荷下的汽輪機(jī)傾向于采用噴嘴配汽方式，優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)流損失較小。

圖2 傳統(tǒng)高壓進(jìn)汽示意圖

根據(jù)某超超臨界火電四管進(jìn)汽模型數(shù)值分析，其進(jìn)汽室總壓損失為0.61%左右， 且三維流線比較紊亂，部分區(qū)域出現(xiàn)渦流。由汽輪機(jī)熱力循環(huán)理論可知，進(jìn)汽參數(shù)比火電低很多、而進(jìn)汽結(jié)構(gòu)相似的核電四管進(jìn)汽，其總壓損失比例必將更大，效率相對(duì)更低。因此，核電高壓進(jìn)汽效率有很大的提升空間。

3 高壓切向進(jìn)汽氣動(dòng)分析

為確定切向進(jìn)汽結(jié)構(gòu)氣動(dòng)性能的好壞，在進(jìn)行機(jī)組方案設(shè)計(jì)過程中有必要對(duì)進(jìn)汽室氣動(dòng)性能及其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析[1，2]。

3.1 數(shù)值模擬計(jì)算方法

計(jì)算中湍流模型選用SST模型,方程的離散采用二階差分格式。邊界條件按設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)給定，進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口總壓P0和總溫T0， 出口邊界條件為流量G1， 壁面按絕熱處理， 壁面附近粘性支層的處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。

通過不同進(jìn)汽室結(jié)構(gòu)的三維流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬，得到了各方案的總壓損失系數(shù)，并找出總壓損失系數(shù)最低的方案。

總壓損失系數(shù)定義為：

式中：

P*in—進(jìn)口總壓；

P*out—出口總壓。

3.2 計(jì)算模型

用Pro/E軟件對(duì)高壓進(jìn)汽道進(jìn)行了全尺寸三維建模， Pro/E三維模型見圖3、 圖4， 模擬分析共計(jì)算了兩種切向進(jìn)汽方案，方案一進(jìn)汽蝸殼由汽缸內(nèi)壁與隔板套外壁組合而成，方案二進(jìn)汽蝸殼由汽缸直接鑄造而成，橫截面為圓形。

圖3 方案一模型及橫截面示意圖

根據(jù)某火電機(jī)組切向進(jìn)汽機(jī)組氣動(dòng)分析經(jīng)驗(yàn)，橫截面積S1與S2取一定比值時(shí)， 總壓損失最小。 S1和S2分別表示切向進(jìn)汽室面積最大的橫截面和面積最小的橫截面。根據(jù)上述火電機(jī)組經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)方案都暫取S1/S2=2.1。

圖4 方案二模型及橫截面示意圖

3.3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算邊界條件

采用ANSYS_workbench根據(jù)流態(tài)變化的快慢和流道曲率變化的網(wǎng)格函數(shù)對(duì)進(jìn)汽室進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分， 壁面第一層網(wǎng)格去0.01mm， 高壓進(jìn)汽室因各個(gè)模型曲率的不同網(wǎng)格數(shù)量也略有不同，一般為300萬左右。

數(shù)值計(jì)算使用商用軟件CFX， 采用SST湍流模型，工質(zhì)采用可凝結(jié)流體的水蒸汽。計(jì)算工況為TMCR工況， 計(jì)算進(jìn)口邊界條件給定進(jìn)口總壓P0= 3.75MPa， 進(jìn)口總溫T0=285℃, 出口邊界條件為流量G=407534t/h。

3.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算分析的結(jié)果如圖5、 圖6所示。

圖5 方案一模型流線圖及壁面壓力云圖

圖6 方案二模型流線圖及壁面壓力云圖

圖5 和圖6是各個(gè)模型的流線圖以及壓力分布圖。從圖中可以看出，方案一的流線在進(jìn)汽管與進(jìn)汽腔室結(jié)合部附近小部分范圍不光順，其余大部分都是光順的，而方案二在整個(gè)區(qū)域內(nèi)流線都是光順的，從壓力分布云圖上也可以反應(yīng)這一點(diǎn)，因此從流線和壓力分布云圖上看，采用切向進(jìn)汽后，進(jìn)汽室流場(chǎng)比較均勻，沒有大的渦流存在，因此方案二氣動(dòng)性能更好，計(jì)算其總壓損系數(shù)為0.21， 低于傳統(tǒng)四管進(jìn)汽方式壓損， 進(jìn)汽效率相對(duì)較高。

為了找到蝸殼橫截面積最佳比，在方案二的基礎(chǔ)上， 保持最大橫截面積S1不變， 又調(diào)整了S1/S2的值，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出在方案二的結(jié)構(gòu)下，S1/S2最佳值為2.655。 計(jì)算結(jié)果與某火電機(jī)組最佳比不同，可能的原因是：橫截面形狀面積不同，出口大小不同；核電進(jìn)汽參數(shù)遠(yuǎn)低于火電，導(dǎo)致同等位置壓損比例相對(duì)更高，截面積變化比率更大。 表1為具體計(jì)算數(shù)據(jù)。

表1 總壓損失系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 切向進(jìn)汽布置

切向進(jìn)汽方式不同不僅影響汽缸進(jìn)汽效率，對(duì)汽缸、閥門、管道結(jié)構(gòu)布置也有影響，不同進(jìn)汽方向布置示意圖見圖7， 不同布置方式效果見表2。

圖7 切向進(jìn)汽管布置示意圖 （機(jī)頭側(cè)）

表2 進(jìn)汽方向布置效果

考慮到100MW核電機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)低， 汽缸材料能夠滿足熱應(yīng)力變化要求，同時(shí)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)分析就是要追求更高的效率，綜合比較后選擇進(jìn)汽管道全切垂直布置。

由于機(jī)組為順時(shí)針旋轉(zhuǎn) （機(jī)頭側(cè)）， 為配合切向進(jìn)汽后汽流旋向，上半汽缸進(jìn)汽管在右側(cè)，下半汽缸進(jìn)汽管在左側(cè) （機(jī)頭側(cè)）。 采用切向進(jìn)汽后，高壓首級(jí)靜葉的進(jìn)汽汽流角較大，首級(jí)靜葉需設(shè)計(jì)使用較大幾何進(jìn)汽角的靜葉柵。

要保證汽道蝸殼內(nèi)壓力分布均勻，汽道變截面結(jié)構(gòu)成型至關(guān)重要。核電汽輪機(jī)高壓缸為單層缸結(jié)構(gòu)，水平中分面將布置法蘭。若鑄造時(shí)在缸壁外形成獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)進(jìn)汽蝸殼，會(huì)顯著加大汽缸尺寸并影響法蘭及螺栓布置， 增大熱應(yīng)力[3]。 而在缸內(nèi)，第一級(jí)隔板套外壁與高壓汽封體之間仍有一定的空間，為合理利用空間，可在汽缸鑄造時(shí)延伸汽缸內(nèi)壁精鑄一層緊靠第一級(jí)隔板套外壁的汽道壁。 此切向進(jìn)汽方案模型見圖8。

圖8 切向進(jìn)汽模型示意圖

5 結(jié)語

汽輪機(jī)的效率直接決定了汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。圍繞提高汽輪機(jī)進(jìn)汽效率的理念，文章改進(jìn)了100MW核電汽輪機(jī)的進(jìn)汽結(jié)構(gòu)。 與傳統(tǒng)進(jìn)汽方式相比，切向進(jìn)汽能夠有效降低進(jìn)汽壓損，提高效率。對(duì)高壓進(jìn)汽室進(jìn)行氣動(dòng)分析表明，采用切向進(jìn)汽的方式后，改進(jìn)后的切向進(jìn)汽模型的總體氣動(dòng)性能相比最好， 總壓損失系數(shù)為0.18%， 與傳統(tǒng)核電機(jī)組相比實(shí)現(xiàn)了進(jìn)汽性能的優(yōu)化，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，采用切向進(jìn)汽后，進(jìn)汽蝸殼壓力分布平均，大大減小了汽流激振力，對(duì)第一級(jí)隔板靜葉的強(qiáng)度要求大幅降低。

[1] 陽虹,王沛,張宏武.汽輪機(jī)排氣缸流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究［J］.熱力透平,2007,36（3）:150-152

[2]李成勤,陽虹,楊建道,張宏武.1000MW超超臨界汽輪機(jī)中壓缸進(jìn)汽蝸殼的數(shù)值模擬研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù),2009, 51（2）:85-87

[3]蔣浦寧. 結(jié)構(gòu)新穎的桶型高壓缸設(shè)計(jì)開發(fā)［J］.熱力透平, 2005,34（3）:138-143,169

Analysis for HP Inlet Structures of 100MW Nuclear Turbine

Yu Gang， Qiu Jian， Liao Xingbao， Duan Zenghui， Tao Gongxin
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper compares tangential inletwith traditional HP inlet structures and performance to promote the HP inlet efficiency of 100MW nuclear turbine.The optim ization for tangential inlet is validated and the best tangential inlet scheme is determined by the 3Dmodel of tangential inlet structure and CFD.

nuclear turbine,HP inlet,tangential inlet

喻剛 （1971-）， 男， 碩士研究生， 2010 年畢業(yè)于西安交通大學(xué)能動(dòng)學(xué)院熱力工程專業(yè)， 現(xiàn)從事技術(shù)、 營銷管理工作。