大功率核电汽轮机低压缸喷水系统设计

李进

（东方汽轮机有限公司，四川 德阳 618000）

汽轮机在低负荷及空负荷运行过程中，蒸汽流量不足以带走末几级动叶鼓风产生的热量，从而引起排汽缸温度升高。在汽轮机事故状态时，也会有大量高温蒸汽排入排气缸，使排气缸温度上升。排气缸温度过高，易引起低压缸较大变形，导致动静间隙改变增大，严重时会引起机组振动、动静碰磨等。同时，排汽温度过高，会引起低压末级动叶温度过高，温差加大，热应力加大，增加末级动叶寿命损耗。因此在排汽缸设置低压缸喷水系统，在低压排汽缸温度升高时喷水降温，防止低压缸内发生超温现象，保证汽轮机的安全运行。

1 低压缸喷水系统及参数设计

低压缸喷水系统需要在机组启动、停机过程中，空负荷及低负荷运行时，能自动或手动控制系统投入运行，以降低低压缸排汽温度。

1.1 低压缸喷水系统设计

低压缸喷水系统通过在现场布置喷水管道，以冷凝水作为水源，通过凝结水增压泵将水压升至设计压力值后，经喷头进行喷淋。

图1为简化后的低压缸喷水系统图。

图1 低压缸喷水系统图

1.2 低压缸喷水流量设计

喷水流量的确定可参照参考文献选取低压缸在TMCR工况下每个汽缸排汽量的1.16% 设计，鼓风功率计算所得结果比该数值略大。

鼓风功率：

将公式 (4)、(3)、(2)带入

根据鼓风功率P，得喷水管喷水质量流量Q=3P。式中：P：鼓风功率（kW）；Dm：末级动叶中径（m）；H：末级动叶叶高（m）；N：机组转速（r/min）；Q：质量流量（kg/h）。

1.3 低压缸喷水压力设计

根据上节计算所得喷水流量，管道流速取1～2m/s范围，设计喷水管道管径。根据喷水流量及喷头的布置，计算所需喷水压力需求。

1.4 低压缸喷水结构设计

低压缸喷水管依据现场油管道布置方式，应优先布置于非油管道侧。为防止管道内锈蚀堵塞喷嘴，低压缸喷头管道材料采用TP304L不锈钢无缝管。

在设计过程中，采用有限元分析软件，对管道的不同布置进行应力校核。

2 某项目低压缸喷水设计

2.1 低压缸喷水系统设计

系统启动条件：当机组升/降负荷在20%额定负荷以下时，确保低压缸喷水阀处于自动开启状态；机组排汽温度达到70℃。

2.2 低压缸喷水流量设计

针对某核电项目，低压末级动叶高度H=1828.8mm， 中 径 Dm=4828.8mm， 汽 轮 机 额 定 转速N=1500r/min，计算压力下的干饱和蒸汽的比容v=17.28678 m3/kg。

代入式（5）计算，得鼓风功率=5472kW。

根据流量计算结果G=0.00459m³/s，选择喷水管道流速1～2m/s，根据截面面积计算结果，选取喷水管径为 Φ73.0×7.01。

2.3 低压缸喷水压力设计

根据上节计算结果，取水的密度为1kg/L。

喷头单缸汽侧和电侧共布置58个喷头，每个喷头流量 G0=9.48L/min。

根据喷头参数，满足喷头喷水流量前提下，选择喷头工作压力为 8.54bar，设计流量 9.82L/min。

根据式（6），选择节流孔板的孔径Φ24mm，孔板前后压差 ΔP=1.46bar。

根据系统设置，则要求低压缸喷水系统进入低压缸喷水支管喷水压力P1=P0+ΔP=10bar。

2.4 低压缸喷水结构设计

项目低压缸喷水管利用整圈布置的管夹，固定于低压内缸导流环内侧筋板，以防止气流的冲击；喷水喷头穿过导流环上的开孔，对低压缸排汽进行喷水冷却，见图2。

图2 低压缸喷水管连接结构设计

由于项目低压内、外缸之间相对位移值较大，设计了方案1和方案2两种管道走向，并对管道膨胀应力进行有限元分析，见图3。

计算过程中，在喷水管与外缸连接处，根据机组低压外缸有限元分析计算结果，对管道施加三个方向的位移量。管夹与喷水管之间定义为刚性约束，同时输入喷水温度、压力参数。

其中，正常运行时排汽温度取27℃，极限工况排汽温度取100℃（停机值）；喷水管内冷却水温度为20℃，压力为10bar。

根据计算应力结果，方案1管道膨胀应力比方案2管道膨胀应力大近9倍，且超出管道应力允许值4倍，见图4。考虑系统安全性，喷水管与低压外缸接口位置和管道走向选择了应力值较低的低压外缸端面方案（方案2）。

图3 低压缸喷水管布置方案

图4 方案1和方案2应力分析结果

对每个喷头的位置和角度进行了二维和三维设计，以得到最佳喷水角度。同时，根据喷头试验数据，对喷头最小设计雾化角度进行限定，以保证喷雾面积与换热效率，见图5。

图5 喷头布置设计与校核

3 结语

低压缸喷水系统的设计作为保护排汽缸参数的重要组成部分，对汽轮机整个系统的安全稳定运行起到了至关重要的作用。近年大功率核电汽轮机的自主研发设计发展突飞猛进，文章对低压缸喷水系统的系统设计，流量设计，管线布置及校核，结构设计均进行了较为详尽的描述，为大功率核电自主项目低压缸喷水系统的设计提供了重要参考依据。

[1] 曲滨荣.150MW等级汽轮机的低压缸喷水系统总体设计.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司研究员 机械工程师.2013年第9期.

[2] 任家富,潘家成.大型汽轮机排汽缸喷水系统分析.东方汽轮机厂.东方电气评论.1995年6月第9卷第2期.