范誼章，康 明，吳仕芳

(1.上海電氣集團(tuán)，上海 200002;2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240;3.上海汽輪機(jī)廠有限公司，上海 200240)

補(bǔ)汽技術(shù)可以提高汽輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性，目前在高參數(shù)大功率汽輪機(jī)機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。補(bǔ)汽技術(shù)是為實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻或負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求而從某工況開始從主汽閥后、調(diào)節(jié)汽閥前引出一股新蒸汽，經(jīng)補(bǔ)汽閥節(jié)流，以較低參數(shù)的新蒸汽進(jìn)入高壓缸某級(jí)動(dòng)葉后，與主流蒸汽混合，在以后各級(jí)繼續(xù)膨脹做功的一種措施。但是補(bǔ)汽會(huì)影響主通道蒸汽的流動(dòng)，如何減少補(bǔ)汽系統(tǒng)對(duì)主流流場(chǎng)和軸系穩(wěn)定性的影響，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。王世柱等[5]采用數(shù)值方法研究了補(bǔ)汽對(duì)上下游透平級(jí)氣動(dòng)性能的影響，以及非定常氣流激振對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性系數(shù)的影響規(guī)律。余松等[6]采用數(shù)值方法研究了2種不同的補(bǔ)汽進(jìn)汽結(jié)構(gòu)對(duì)汽缸內(nèi)部汽流的影響。更進(jìn)一步，韓豐勝等[7]研究了2種不同補(bǔ)汽進(jìn)汽結(jié)構(gòu)方式下的氣動(dòng)力對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和軸系穩(wěn)定性的影響。以上學(xué)者均采用數(shù)值模擬方法，研究了補(bǔ)汽對(duì)汽缸內(nèi)部汽流及軸系穩(wěn)定性的影響，但目前還少有文獻(xiàn)從補(bǔ)汽閥結(jié)構(gòu)及補(bǔ)汽管路系統(tǒng)的角度進(jìn)行優(yōu)化研究分析。

本文針對(duì)2種不同的補(bǔ)汽系統(tǒng)，采用數(shù)值模擬、氣動(dòng)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法進(jìn)行對(duì)比分析，旨在探究如何最大程度降低補(bǔ)汽閥開啟對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響。研究成果可直接指導(dǎo)后續(xù)的汽輪機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)。

1 研究對(duì)象

1.1 單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)

單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主閥調(diào)閥組件布置在高壓缸兩側(cè)，補(bǔ)汽閥布置在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)層下面，補(bǔ)汽蒸汽從主閥、調(diào)閥之間引出，經(jīng)過補(bǔ)汽進(jìn)汽管道從兩側(cè)進(jìn)入補(bǔ)汽閥，經(jīng)過節(jié)流后，從兩側(cè)的補(bǔ)汽出汽管道進(jìn)入高壓缸做功。

圖1 單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在機(jī)組開發(fā)及運(yùn)行中，現(xiàn)有單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)存在如下不足：

1)因補(bǔ)汽參數(shù)一般為17 MPa、520 ℃左右，補(bǔ)汽管道采用P91耐高溫合金材料，管路冗長(zhǎng)，單臺(tái)機(jī)組的管路系統(tǒng)成本達(dá)100萬(wàn)元以上，而且復(fù)雜管路系統(tǒng)導(dǎo)致蒸汽流動(dòng)阻力損失較大，因此補(bǔ)汽系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性有待提高。

2)因補(bǔ)汽閥布置在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)層下面，且補(bǔ)汽管路需穿過基礎(chǔ)，需與機(jī)組其他管路系統(tǒng)避開，故每個(gè)項(xiàng)目的補(bǔ)汽管路布置均有差異。這造成每個(gè)項(xiàng)目在與設(shè)計(jì)院協(xié)調(diào)管路布置過程中，一般需2個(gè)月的技術(shù)配合周期。而且補(bǔ)汽管路通用性較差，其設(shè)計(jì)、采購(gòu)均受很大影響。

3)因單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)采用雙進(jìn)雙出形式，只通過1個(gè)補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)補(bǔ)汽流量，而進(jìn)入汽缸的上、下補(bǔ)汽流量不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，故個(gè)別機(jī)組在補(bǔ)汽量較大的情況下，軸系振動(dòng)受到不利影響。

1.2 雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)

雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，將原布置在中間層的1個(gè)補(bǔ)汽閥優(yōu)化設(shè)計(jì)為2個(gè)補(bǔ)汽閥，補(bǔ)汽閥與主汽閥調(diào)閥組合為一體，布置在運(yùn)轉(zhuǎn)層上。由此可以精簡(jiǎn)補(bǔ)汽管路設(shè)計(jì)，并且2個(gè)補(bǔ)汽閥可以單獨(dú)調(diào)節(jié)進(jìn)入高壓缸上、下側(cè)的補(bǔ)汽流量。

圖2 雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)補(bǔ)汽管路大大簡(jiǎn)化，新補(bǔ)汽系統(tǒng)僅有補(bǔ)汽出汽管道，補(bǔ)汽管路成本降低80%；單個(gè)補(bǔ)汽閥改為雙補(bǔ)汽閥后，雖閥門成本有所增加，但補(bǔ)汽系統(tǒng)的總成本可降低約50%。

2)管路布置簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)每個(gè)項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，大大縮短了管路的設(shè)計(jì)、采購(gòu)周期。

3)可對(duì)單側(cè)的補(bǔ)汽閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，針對(duì)不同的補(bǔ)汽量，可根據(jù)機(jī)組軸系的振動(dòng)情況調(diào)節(jié)每側(cè)閥門的開度。并且可實(shí)現(xiàn)更大的補(bǔ)汽流量，適應(yīng)當(dāng)今機(jī)組在寬負(fù)荷高效率方面的要求。

2 對(duì)比分析

2.1 數(shù)值模擬

文獻(xiàn)[8]對(duì)2種補(bǔ)汽系統(tǒng)進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算，計(jì)算對(duì)象包括主閥調(diào)閥補(bǔ)汽閥組件的流道、補(bǔ)汽管道的流道、汽缸補(bǔ)汽腔室的流道。采用網(wǎng)格變形技術(shù)和網(wǎng)格自動(dòng)重構(gòu)技術(shù)，對(duì)閥門從0開度慢慢打開的過程進(jìn)行了非定常模擬。

本文以采用單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的某超超臨界1 000 MW補(bǔ)汽閥為例進(jìn)行了氣動(dòng)計(jì)算，單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的兩側(cè)出口流量波動(dòng)如圖3所示。圖3中顯示了單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的補(bǔ)汽閥開度從0%到44%的過程中，補(bǔ)汽閥門左、右兩側(cè)出口的流量大小是波動(dòng)變化的，在開度為26%時(shí)，最大流量差為40 kg/s。補(bǔ)汽閥在26%和44%開度下的壓力分布如圖4所示，從圖4可以看出，不同開度下的流量波動(dòng)是由補(bǔ)汽閥的2個(gè)出口前面的球形區(qū)域中的不穩(wěn)定旋渦引起的。由于流量波動(dòng)幅度大，蒸汽密度大，蒸汽波動(dòng)能量?jī)H在補(bǔ)汽出口管道中耗散了一小部分，剩余的能量轉(zhuǎn)移到高壓級(jí)透平中，這正是個(gè)別機(jī)組的補(bǔ)汽閥在某些開度下影響軸系振動(dòng)的關(guān)鍵原因。

圖3 單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的兩側(cè)出口流量波動(dòng)

(a)26%開度

而在雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)中，原先1個(gè)補(bǔ)汽閥優(yōu)化為左、右側(cè)的2個(gè)補(bǔ)汽閥，每個(gè)補(bǔ)汽閥單出口，取消了原補(bǔ)汽閥的球形腔室。雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)流線圖如圖5所示，從中可見其氣動(dòng)流動(dòng)均勻。因此，雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)從根本上解決了原補(bǔ)汽閥兩側(cè)出口的流量波動(dòng)問題。

圖5 雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)流線圖

2.2 氣動(dòng)試驗(yàn)

針對(duì)氣動(dòng)計(jì)算模擬的單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)開啟過程中出現(xiàn)補(bǔ)汽閥內(nèi)蒸汽流場(chǎng)波動(dòng)較強(qiáng)情況，搭建如圖6所示的補(bǔ)汽閥空氣試驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)，對(duì)補(bǔ)汽閥開啟過程進(jìn)行?；囼?yàn)，用于研究補(bǔ)汽閥內(nèi)的壓力波動(dòng)信息。在補(bǔ)汽閥空氣試驗(yàn)中，維持閥門進(jìn)出口壓力一定，逐漸增大閥門開度，采集不同開度下的傳感器壓力信號(hào)，并進(jìn)行快遞傅里葉變換(Fast Fourier Fransform，F(xiàn)FT)分析，獲得其頻譜特征，獲取壓力波動(dòng)典型峰值頻率與閥門開度變化的關(guān)系。在進(jìn)行多組氣動(dòng)試驗(yàn)后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，閥座后的球形腔室內(nèi)核心區(qū)域存在著不穩(wěn)定旋渦結(jié)構(gòu)，該旋渦結(jié)構(gòu)的頻率在40～65 Hz之間，隨著閥門開度的變化，峰值出現(xiàn)的具體頻率不同。這進(jìn)一步論證了補(bǔ)汽閥閥座后的球形腔室在不同開度下產(chǎn)生的不穩(wěn)定旋渦結(jié)構(gòu)是補(bǔ)汽閥兩側(cè)出口流量波動(dòng)的關(guān)鍵原因。

圖6 單閥補(bǔ)汽閥氣動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)裝置

2.3 現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)汽試驗(yàn)

選取某1 000 MW電廠中采用單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的相同設(shè)計(jì)的X機(jī)組和Y機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)汽試驗(yàn)，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定在950 MW時(shí)，補(bǔ)汽閥逐漸開啟，進(jìn)行開度從0%至44%各開度下的1號(hào)軸承振動(dòng)試驗(yàn)。各閥門開度下的1號(hào)軸承軸振變化情況如圖7所示，X機(jī)組補(bǔ)汽閥試驗(yàn)結(jié)果表明，在約26%開度時(shí)，1號(hào)軸承振動(dòng)最為劇烈，軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)超過保證值76 μm；Y機(jī)組的補(bǔ)汽閥試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個(gè)補(bǔ)汽閥開度試驗(yàn)過程中，1號(hào)軸承振動(dòng)非常平穩(wěn)。X機(jī)組和Y機(jī)組的補(bǔ)汽閥試驗(yàn)結(jié)果表明，即使相同設(shè)計(jì)的2臺(tái)機(jī)型，補(bǔ)汽閥在某一開度下引起的1號(hào)軸承振動(dòng)也有一定的隨機(jī)性。

圖7 各閥門開度下的1號(hào)軸承軸振

為改善X機(jī)組補(bǔ)汽閥試驗(yàn)中產(chǎn)生的問題，在原單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的雙側(cè)閥門出口增加整流裝置，如圖8所示。加裝整流裝置后，1號(hào)軸承軸振情況如圖7中的“X機(jī)組1號(hào)軸承軸振-整流裝置”曲線所示，1號(hào)軸承軸振隨著補(bǔ)汽閥的開啟會(huì)逐漸增大，且振動(dòng)的峰值仍然出現(xiàn)在開度26%左右；當(dāng)補(bǔ)汽閥關(guān)閉后，相對(duì)振動(dòng)瞬時(shí)減小，和補(bǔ)汽閥的開啟關(guān)聯(lián)性密切；加裝整流裝置后，與原單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)相比，最高的振動(dòng)值從85 μm降低到35 μm。以上說明在補(bǔ)汽閥出口兩側(cè)增加整流裝置后，1號(hào)軸承振動(dòng)的性能有很大的改善，上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案能夠滿足機(jī)組軸系穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

圖8 增加整流裝置的單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)

應(yīng)用雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的某汽輪機(jī)產(chǎn)品如圖9所示。在電廠進(jìn)行兩側(cè)補(bǔ)汽閥單獨(dú)開啟與同時(shí)開啟的試驗(yàn)，結(jié)果表明，單側(cè)左上補(bǔ)汽閥開啟最大至17%，振動(dòng)增加，振動(dòng)幅值平均增加15～20 μm，最大峰值總值不到70 μm；單側(cè)右下補(bǔ)汽閥開啟至34%時(shí)，振動(dòng)下降，振動(dòng)幅值平均降低約10～15 μm，效果基本穩(wěn)定。兩側(cè)補(bǔ)汽閥同時(shí)開啟至40%時(shí)，1號(hào)軸承軸振增加不明顯。此試驗(yàn)充分論證了補(bǔ)汽閥開度對(duì)1號(hào)軸承軸振動(dòng)的影響，通過調(diào)節(jié)雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的2個(gè)補(bǔ)汽閥開度，可以使機(jī)組軸系良好運(yùn)行，并可以實(shí)現(xiàn)更大比例的補(bǔ)汽流量，以適應(yīng)當(dāng)今機(jī)組寬負(fù)荷高效率的要求。

圖9 應(yīng)用雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的汽輪機(jī)產(chǎn)品

3 結(jié) 論

本文針對(duì)補(bǔ)汽閥的開啟過程引起軸系穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致1號(hào)軸振增大等問題，通過數(shù)值模擬、氣動(dòng)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，研究了單閥補(bǔ)汽及雙閥補(bǔ)汽2種不同結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)下的補(bǔ)汽系統(tǒng)，得出如下結(jié)論：

1)單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)成本較高，設(shè)計(jì)配合、采購(gòu)交貨周期長(zhǎng)，在個(gè)別機(jī)組補(bǔ)汽量較大的情況下，單閥系統(tǒng)補(bǔ)汽閥大開度對(duì)軸系穩(wěn)定運(yùn)行有不利影響。

2)在不同的補(bǔ)汽閥開度下，單閥系統(tǒng)補(bǔ)汽閥左、右兩側(cè)出口流量是波動(dòng)變化的；不同開度下的流量波動(dòng)是由補(bǔ)汽閥2個(gè)出口前面的球形區(qū)域中的不穩(wěn)定旋渦引起的。

3)在單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的補(bǔ)汽閥出口兩側(cè)增加整流裝置后，補(bǔ)汽閥投入時(shí)，1號(hào)軸承振動(dòng)的性能有很大的改善，能夠滿足機(jī)組軸系良好運(yùn)行的要求。

4)雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)與單閥補(bǔ)汽系統(tǒng)比較，由于結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)簡(jiǎn)化，管路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其總成本、設(shè)計(jì)配合及生產(chǎn)周期大幅降低。

5)調(diào)節(jié)雙閥補(bǔ)汽系統(tǒng)的2個(gè)補(bǔ)汽閥開度可以使機(jī)組軸系穩(wěn)定運(yùn)行，并可以實(shí)現(xiàn)更大的補(bǔ)汽流量，適應(yīng)當(dāng)今機(jī)組寬負(fù)荷高效率的要求。

今后將進(jìn)一步采取相同的方法進(jìn)行補(bǔ)汽閥最大容量設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)更大的補(bǔ)汽流量，為寬負(fù)荷高效率機(jī)組的優(yōu)化研究提供參考。