徐佳敏， 劉網(wǎng)扣， 林潤達(dá)

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

近年來，我國風(fēng)電、光伏、水電等新能源電力裝機(jī)容量持續(xù)快速增長，我國電力系統(tǒng)調(diào)峰能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模發(fā)展和消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)(光、水)問題[1]。因此，提高對(duì)新能源的消納能力，提高火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性迫在眉睫[2]。近年來，國內(nèi)很多電廠進(jìn)行低壓缸切除改造，讓低壓缸在小流量工況下運(yùn)行，以提高火電機(jī)組的運(yùn)行靈活性。

低壓缸在小流量工況下，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)主要問題：一是末幾級(jí)葉片區(qū)域流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生脫流和回流等現(xiàn)象；二是末級(jí)葉片進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)，葉片溫度升高，影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行[3-5]。為了確保汽輪機(jī)能在小流量下安全運(yùn)行，須要對(duì)低壓缸進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1 計(jì)算模型與網(wǎng)格設(shè)置

1.1 計(jì)算模型

以國內(nèi)某電廠汽輪機(jī)的低壓缸五級(jí)葉片為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，完成了額定工況和4種小流量工況下的計(jì)算。計(jì)算模型見圖1，采用單通道五級(jí)聯(lián)算，末級(jí)葉片高度為520 mm。

圖1 五級(jí)聯(lián)算模型

1.2 網(wǎng)格劃分

采用專業(yè)網(wǎng)格軟件生成六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，葉片網(wǎng)格見圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格

為了準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)中的復(fù)雜流動(dòng)特性，須要對(duì)當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)格的疏密程度進(jìn)行控制。當(dāng)網(wǎng)格過于稀疏，細(xì)節(jié)流動(dòng)特征的捕捉會(huì)失真；而當(dāng)網(wǎng)格過于密集，會(huì)造成計(jì)算資源的浪費(fèi)。因此，在正式計(jì)算開始之前，須要對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行研究，從而找出一套合適的網(wǎng)格尺寸。分別計(jì)算了4組不同網(wǎng)格下的數(shù)據(jù)，以次末級(jí)出口壓力為依據(jù)，將數(shù)值與上一網(wǎng)格數(shù)量下的結(jié)果計(jì)算出相對(duì)誤差(見圖3)。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

從圖3可以看出：網(wǎng)格在523萬時(shí)的相對(duì)誤差已經(jīng)非常小，滿足要求，因此最終確定網(wǎng)格總數(shù)為523萬。各級(jí)葉片網(wǎng)格數(shù)量見表1，整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)約為523.85萬。所有網(wǎng)格經(jīng)過優(yōu)化處理，貼近葉片壁面處的網(wǎng)格較密。

表1 各級(jí)網(wǎng)格數(shù)量

2 邊界條件

葉片流場(chǎng)計(jì)算采用專業(yè)軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，動(dòng)靜葉片交界面采用凍結(jié)轉(zhuǎn)子模型。湍流模型采用剪切應(yīng)力傳輸(SST)模型，該模型對(duì)于有流動(dòng)分離的情況具有較好的適應(yīng)性[6]。由于低壓缸末幾級(jí)的蒸汽已進(jìn)入飽和狀態(tài)，計(jì)算工質(zhì)設(shè)為汽水二元混合物。

計(jì)算了額定工況(質(zhì)量流量為183.12 t/h)和4種不同進(jìn)出口參數(shù)小流量工況(質(zhì)量流量為10 t/h和5 t/h)，具體進(jìn)出口參數(shù)見表2。

表2 5種工況進(jìn)出口參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

研究分析了小流量工況下低壓缸內(nèi)部的流動(dòng)情況和末級(jí)葉片溫度變化情況，通過有限元計(jì)算分析可以得到各個(gè)工況下低壓缸內(nèi)部的流動(dòng)情況及低壓缸末級(jí)葉片表面溫度。圖4～圖8分別為五級(jí)葉片的子午面流場(chǎng)。圖9為工況2和工況3的比體積變化。5種不同工況下末級(jí)葉片壓力面和吸力面溫度場(chǎng)的變化見圖10～圖14，圖中SS表示末級(jí)葉片的吸力面，PS表示壓力面。

圖4 工況1的子午面流場(chǎng)

圖5 工況2的子午面流場(chǎng)

圖6 工況3的子午面流場(chǎng)

圖7 工況4的子午面流場(chǎng)

圖8 工況5的子午面流場(chǎng)

圖9 工況2和工況3的比體積變化

圖10 工況1的末級(jí)葉片表面溫度

圖11 工況2的末級(jí)葉片表面溫度

圖12 工況3的末級(jí)葉片表面溫度

圖13 工況4的末級(jí)葉片表面溫度

圖14 工況5的末級(jí)葉片表面溫度

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)流場(chǎng)的影響

從圖4可以看出：在額定工況下，整個(gè)低壓缸的流場(chǎng)均勻，未出現(xiàn)回流現(xiàn)象。從圖5和圖6可以看出：當(dāng)質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時(shí)，低壓缸出口區(qū)域和末三級(jí)葉片開始出現(xiàn)脫流和回流，最早開始回流的區(qū)域?yàn)槌隹趨^(qū)域靠近葉根的部位，且隨著進(jìn)口質(zhì)量流量的減小，出口區(qū)域和末三級(jí)葉片周圍的脫流和回流分離現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。從圖6可以看出：在進(jìn)口質(zhì)量流量只有5 t/h時(shí)，末三級(jí)葉片均出現(xiàn)了汽流分離現(xiàn)象，末級(jí)葉片的動(dòng)靜葉間隙的頂部以及末級(jí)葉片出口靠近葉根部位的脫流最為嚴(yán)重。

3.2.2 進(jìn)口比體積對(duì)流場(chǎng)的影響

對(duì)比工況2和工況3可知：雖然工況3進(jìn)口比體積高于工況2的進(jìn)口比體積，但是由于工況3的進(jìn)口比體積增大會(huì)使質(zhì)量流量減小，使得它的體積流量并沒有高于工況2，因此從圖5和圖6的子午面流場(chǎng)可以看出，工況3的汽流分離現(xiàn)象比工況2要嚴(yán)重。同時(shí)，從圖9可以看出：在出口參數(shù)一致時(shí)，整個(gè)低壓缸汽流的比體積在出口位置會(huì)逐漸趨于一致，在末兩級(jí)基本趨于相同，均接近出口排汽比體積。因此增大進(jìn)口比體積對(duì)于減緩低壓缸整個(gè)流場(chǎng)的脫流和回流現(xiàn)象沒有效果。

3.2.3 出口壓力對(duì)流場(chǎng)的影響

從圖7和圖8可以看出：對(duì)比工況4和工況5子午面流場(chǎng)，在進(jìn)口質(zhì)量流量相同的情況下，降低排汽壓力，有利于減緩小流量工況下流場(chǎng)汽流分離情況，對(duì)低壓缸寬負(fù)荷運(yùn)行的適應(yīng)性有一定好處。

3.2.4 進(jìn)口質(zhì)量流量和溫度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

相比圖4、圖5和圖6中流場(chǎng)區(qū)域的溫度場(chǎng)可知：在小流量工況下，由于流場(chǎng)出現(xiàn)脫流和回流等現(xiàn)象，使得低壓缸末三級(jí)葉片開始進(jìn)入鼓風(fēng)狀態(tài)，且質(zhì)量流量越小，鼓風(fēng)效應(yīng)越明顯。從圖6可知：由于末級(jí)葉片動(dòng)靜葉間隙頂部和出口區(qū)域回流較為嚴(yán)重，該兩處的流場(chǎng)溫度較高。

3.2.5 進(jìn)口溫度對(duì)溫度場(chǎng)的影響

從圖6、圖7和圖8可以看出：相比于工況3，工況4及工況5的整個(gè)流場(chǎng)溫度較低，因此進(jìn)口溫度降低時(shí)，整個(gè)流場(chǎng)的溫度會(huì)降低，包括末級(jí)葉片。

3.2.6 進(jìn)口質(zhì)量流量對(duì)末級(jí)葉片溫度的影響

從圖11～圖14可以看出：4種小流量工況下，末級(jí)葉片的最高溫度均出現(xiàn)在靜葉片葉頂出汽邊附近。結(jié)合上述流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知：在小流量工況下，出口區(qū)域流體在回流旋渦的影響下，末級(jí)葉片出汽邊出現(xiàn)較為嚴(yán)重的鼓風(fēng)效應(yīng)，回流漩渦將高溫流體擠進(jìn)靜葉片通道，使末級(jí)靜葉片葉頂出汽邊附近的溫度較高。

對(duì)比圖10、圖11和圖12可知：隨著質(zhì)量流量的減小，末級(jí)葉片的鼓風(fēng)情況越來越嚴(yán)重，葉片表面溫度逐漸升高。額定工況下，末級(jí)葉片最高溫度為90.92 ℃，當(dāng)質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時(shí)，末級(jí)葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，明顯高于額定工況下末級(jí)葉片表面溫度。由于計(jì)算中未考慮低壓缸出口區(qū)域的噴水情況，且葉片表面設(shè)定為絕熱條件，因此計(jì)算所得葉片表面溫度會(huì)略高于實(shí)際溫度。

3.2.7 進(jìn)口溫度對(duì)末級(jí)葉片溫度的影響

從圖13和圖14可以看出：雖然工況4和工況5的進(jìn)口質(zhì)量流量和工況3的進(jìn)口質(zhì)量流量相同，但是工況4和工況5的葉片表面溫度明顯低于工況3葉片表面溫度，這是因?yàn)楣r4和工況5進(jìn)口溫度低于工況3進(jìn)口溫度，由此可知，汽流進(jìn)口溫度對(duì)于末級(jí)葉片的表面溫度有一定的影響，進(jìn)口溫度降低，會(huì)使葉片表面溫度降低，可以減緩鼓風(fēng)效應(yīng)引起的高溫情況。

3.2.8 出口壓力對(duì)末級(jí)葉片溫度的影響

比較工況4和工況5的葉片表面溫度，可以認(rèn)為降低出口壓力，同樣可以降低鼓風(fēng)效應(yīng)，從而降低葉片表面溫度。

4 結(jié) 語

通過對(duì)小流量工況下低壓缸五級(jí)葉片的數(shù)值計(jì)算，可以得到以下結(jié)論：

(1) 在小流量工況下，低壓缸出口區(qū)域和末三級(jí)葉片開始出現(xiàn)脫流和回流，最早開始回流的區(qū)域?yàn)槟┘?jí)葉片出口區(qū)域靠近葉根的部位，且隨著進(jìn)口流量的減小，出口區(qū)域和末三級(jí)葉片周圍的脫流和回流分離現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

(2) 在出口參數(shù)一致的情況下，提高進(jìn)口比體積，對(duì)于改善末三級(jí)葉片脫流基本沒有效果。

(3) 在小流量工況下，低壓缸由于鼓風(fēng)效應(yīng)的影響，出口區(qū)域和末三級(jí)葉片周圍的流場(chǎng)溫度較高。同時(shí)，相比于額定工況，葉片表面溫度也升高，最高溫度出現(xiàn)在末級(jí)靜葉葉頂區(qū)域。

(4) 當(dāng)質(zhì)量流量僅為10 t/h和5 t/h時(shí)，末級(jí)葉片表面最高溫度分別為170.6 ℃和182.5 ℃，必須采用噴水來保證末級(jí)葉片的安全性。

(5) 進(jìn)口溫度較低的汽流對(duì)于末級(jí)葉片表面溫度的降低有一定的作用，可以減緩鼓風(fēng)狀態(tài)引起的葉片高溫的情況。

(6) 低壓缸切除后，排汽流量大幅度減少，降低低壓缸排汽壓力在工程上是可行的。降低排汽壓力，有利于減緩小流量下汽流分離情況，也可以降低鼓風(fēng)效應(yīng)引起的葉片溫度，對(duì)于拓寬低壓缸的小流量運(yùn)行范圍有一定作用。