小流量工况下低压缸进排汽参数对流场和叶片温度的影响

2020-02-12徐佳敏刘网扣林润达

发电设备 2020年1期

徐佳敏，刘网扣，林润达

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司，上海 200240)

近年来，我国风电、光伏、水电等新能源电力装机容量持续快速增长，我国电力系统调峰能力难以完全适应新能源大规模发展和消纳的要求，部分地区出现了较为严重的弃风(光、水)问题[1]。因此，提高对新能源的消纳能力，提高火电机组的运行灵活性迫在眉睫[2]。近年来，国内很多电厂进行低压缸切除改造，让低压缸在小流量工况下运行，以提高火电机组的运行灵活性。

低压缸在小流量工况下，会出现两个主要问题：一是末几级叶片区域流场会产生脱流和回流等现象；二是末级叶片进入鼓风状态，叶片温度升高，影响汽轮机安全运行[3-5]。为了确保汽轮机能在小流量下安全运行，须要对低压缸进行数值计算。

1 计算模型与网格设置

1.1 计算模型

以国内某电厂汽轮机的低压缸五级叶片为研究对象，采用数值模拟的方法，完成了额定工况和4种小流量工况下的计算。计算模型见图1，采用单通道五级联算，末级叶片高度为520 mm。

图1 五级联算模型

1.2 网格划分

采用专业网格软件生成六面体结构化网格，叶片网格见图2。

图2 计算网格

为了准确捕捉流场中的复杂流动特性，须要对当地网格的疏密程度进行控制。当网格过于稀疏，细节流动特征的捕捉会失真；而当网格过于密集，会造成计算资源的浪费。因此，在正式计算开始之前，须要对网格无关性进行研究，从而找出一套合适的网格尺寸。分别计算了4组不同网格下的数据，以次末级出口压力为依据，将数值与上一网格数量下的结果计算出相对误差(见图3)。

图3 网格无关性验证

从图3可以看出：网格在523万时的相对误差已经非常小，满足要求，因此最终确定网格总数为523万。各级叶片网格数量见表1，整个计算模型的网格数约为523.85万。所有网格经过优化处理，贴近叶片壁面处的网格较密。

表1 各级网格数量

2 边界条件

叶片流场计算采用专业软件进行稳态求解，动静叶片交界面采用冻结转子模型。湍流模型采用剪切应力传输(SST)模型，该模型对于有流动分离的情况具有较好的适应性[6]。由于低压缸末几级的蒸汽已进入饱和状态，计算工质设为汽水二元混合物。

计算了额定工况(质量流量为183.12 t/h)和4种不同进出口参数小流量工况(质量流量为10 t/h和5 t/h)，具体进出口参数见表2。

表2 5种工况进出口参数

3 结果与分析

3.1 计算结果

研究分析了小流量工况下低压缸内部的流动情况和末级叶片温度变化情况，通过有限元计算分析可以得到各个工况下低压缸内部的流动情况及低压缸末级叶片表面温度。图4～图8分别为五级叶片的子午面流场。图9为工况2和工况3的比体积变化。5种不同工况下末级叶片压力面和吸力面温度场的变化见图10～图14，图中SS表示末级叶片的吸力面，PS表示压力面。

图4 工况1的子午面流场

图5 工况2的子午面流场

图6 工况3的子午面流场

图7 工况4的子午面流场

图8 工况5的子午面流场

图9 工况2和工况3的比体积变化

图10 工况1的末级叶片表面温度

图11 工况2的末级叶片表面温度

图12 工况3的末级叶片表面温度

图13 工况4的末级叶片表面温度

图14 工况5的末级叶片表面温度

3.2 结果分析

3.2.1 进口质量流量对流场的影响

从图4可以看出：在额定工况下，整个低压缸的流场均匀，未出现回流现象。从图5和图6可以看出：当质量流量仅为10 t/h和5 t/h时，低压缸出口区域和末三级叶片开始出现脱流和回流，最早开始回流的区域为出口区域靠近叶根的部位，且随着进口质量流量的减小，出口区域和末三级叶片周围的脱流和回流分离现象越来越严重。从图6可以看出：在进口质量流量只有5 t/h时，末三级叶片均出现了汽流分离现象，末级叶片的动静叶间隙的顶部以及末级叶片出口靠近叶根部位的脱流最为严重。

3.2.2 进口比体积对流场的影响

对比工况2和工况3可知：虽然工况3进口比体积高于工况2的进口比体积，但是由于工况3的进口比体积增大会使质量流量减小，使得它的体积流量并没有高于工况2，因此从图5和图6的子午面流场可以看出，工况3的汽流分离现象比工况2要严重。同时，从图9可以看出：在出口参数一致时，整个低压缸汽流的比体积在出口位置会逐渐趋于一致，在末两级基本趋于相同，均接近出口排汽比体积。因此增大进口比体积对于减缓低压缸整个流场的脱流和回流现象没有效果。

3.2.3 出口压力对流场的影响

从图7和图8可以看出：对比工况4和工况5子午面流场，在进口质量流量相同的情况下，降低排汽压力，有利于减缓小流量工况下流场汽流分离情况，对低压缸宽负荷运行的适应性有一定好处。

3.2.4 进口质量流量和温度对温度场的影响

相比图4、图5和图6中流场区域的温度场可知：在小流量工况下，由于流场出现脱流和回流等现象，使得低压缸末三级叶片开始进入鼓风状态，且质量流量越小，鼓风效应越明显。从图6可知：由于末级叶片动静叶间隙顶部和出口区域回流较为严重，该两处的流场温度较高。

3.2.5 进口温度对温度场的影响

从图6、图7和图8可以看出：相比于工况3，工况4及工况5的整个流场温度较低，因此进口温度降低时，整个流场的温度会降低，包括末级叶片。

3.2.6 进口质量流量对末级叶片温度的影响

从图11～图14可以看出：4种小流量工况下，末级叶片的最高温度均出现在静叶片叶顶出汽边附近。结合上述流场计算结果可知：在小流量工况下，出口区域流体在回流旋涡的影响下，末级叶片出汽边出现较为严重的鼓风效应，回流漩涡将高温流体挤进静叶片通道，使末级静叶片叶顶出汽边附近的温度较高。

对比图10、图11和图12可知：随着质量流量的减小，末级叶片的鼓风情况越来越严重，叶片表面温度逐渐升高。额定工况下，末级叶片最高温度为90.92 ℃，当质量流量仅为10 t/h和5 t/h时，末级叶片表面最高温度分别为170.6 ℃和182.5 ℃，明显高于额定工况下末级叶片表面温度。由于计算中未考虑低压缸出口区域的喷水情况，且叶片表面设定为绝热条件，因此计算所得叶片表面温度会略高于实际温度。

3.2.7 进口温度对末级叶片温度的影响

从图13和图14可以看出：虽然工况4和工况5的进口质量流量和工况3的进口质量流量相同，但是工况4和工况5的叶片表面温度明显低于工况3叶片表面温度，这是因为工况4和工况5进口温度低于工况3进口温度，由此可知，汽流进口温度对于末级叶片的表面温度有一定的影响，进口温度降低，会使叶片表面温度降低，可以减缓鼓风效应引起的高温情况。

3.2.8 出口压力对末级叶片温度的影响

比较工况4和工况5的叶片表面温度，可以认为降低出口压力，同样可以降低鼓风效应，从而降低叶片表面温度。