汽轮机低压缸排汽通道优化改造分析

谷建

（山西国金电力有限公司，山西 太原 030000）

随着整个社会工业经济的发展，汽轮机结构的的创新对汽轮机行业的提升有充分的帮助，因此改进型的汽轮机结构设计在现代汽轮机行业中占有重要的地位，新型汽轮机结构设计方法可以极大地提高传热效率，减小排汽时的内部压力，提高汽轮机组的真空度，进而提高汽轮机组的整体经济行，加快行业的发展。

1 设备的发展状况和当前问题

某发电厂自身拥有2 台330MW 的机组，它们的汽轮机的信号是N330-17.75/540/540，这是我国的北重汽轮机厂在引进了发过汽轮机企业阿尔斯通的技术后，消化吸收国内外的先进科技方法而制造出的最先进的亚临界330MW 型号的改造型机型中的一种，它拥有单个主轴，两个排汽通道，3 个气缸，进行一次中间再热，属于冲动凝汽式汽轮机。汽轮机所使用的凝汽器是由北重汽轮机厂制造的，型号为N-18500型，属于单壳体凝汽器，它采用单流程模式以及对分的方式，是一种表面式的凝汽器。汽轮机的水冷系统采用封闭式的水循环进行冷却，使用的是水环式真空泵型的抽汽机。

该类汽轮机的整体结构比较紧凑，不过在它的汽轮机低压缸排气通道处有一些明显的瑕疵和缺陷，低压缸的缺陷主要是因为运用了径向的排汽结构，由于它的扩充填压部分没有使用导流环装置，所以使得汽轮机的排汽通道的流场紊乱，分布不正常。而排气通道的流场的不合理性分布就导致了汽轮机凝汽器中换热管的冷热失衡，热载荷分布不平均，使得整个凝汽器的热量分布不均匀，传热效果差，传热面积小，凝汽器中真空度下降，间接性地使汽轮机的工作效率减小、能量的利用率降低，这种现象在温度高的夏季尤为突出，由于夏季汽轮机的工作环境中散热条件差，所以，汽轮机效率就更低。因此，对这种类型的汽轮机低压缸排气通道的优化改造是毋庸置疑的，只有这样才能充分利用能量，达到高效、节能的技术水平。

2 问题产生的原因

导致低压缸排汽压力高的原因是其排汽通道的结构设计问题，首先是也由于低压缸使用了竖直方向的排汽结构，它的排汽端有一个10°左右的倾斜角，所以使得排气通道的能量损失系数达到了1.46，排汽口的蒸汽速度也出现异常，在这个区域热量分布出现了很大的回旋区，所以从热力学方面分析，它不仅是热传导面积减少，而且会导致未凝结的气体聚集于此，不利于热传导。随着冷却管的气体入口的蒸汽速度的增大，它自身的散热系数会增大，不利于散热。300MW型的汽轮机机组凝汽器的冷却管由于自身结构设计的问题导致其传热能力不强，导热系数还有待提高。一方面，在排汽通道的出口处较远的位置气流速度很高，而热传导系数没有明显性的变化，蒸汽量明显会增加。所以没有凝结的蒸汽气体进入到真空泵中，又使得真空泵中水温过高，真空泵的温度也直接上升，泵的工作效率下降。另一方面，凝汽器中真空度的降低也导致了排汽出口的压力值过高。这些所有的不利因素间接地降低了排汽通道、凝汽器以及冷却管的额定使用寿命。

3 优化改造的数据依据

由于我国的汽轮机低压缸排汽通道优化改造起步较晚，发展比较缓慢，所以可参考的数据较少，不足以分析出较为权威性的数据参数来作为指导。国外的汽轮机制造行业发展了很多年了，对于低压缸排汽通道的优化改造有了一定的实验数据和经验，所以值得借鉴。外国的实验数据显示，在汽轮机中凝汽器的冷却管的热传导系数会因为蒸汽气体的流速增加而上升，而且它会在气体流速达到一定值后趋于稳定，不再变化。所以可以这样说，蒸汽流速可以大致与热传导系数成正比，即两者的趋势相同，蒸汽流速大了则热传导系数就较大，蒸汽气体流速小了则热传导系数就偏小。如果进行相应的改造，使高速气流分布在低速流场中，那么整个冷却管中的气体流畅较为平均，热传导系数就会增加，散热能力会增强，利于凝汽器的散热。

根据以上的分析可以得出，我们可以利用建模软件对汽轮机低压缸排汽通道优化改造，建立相关模型和网格的划分，利用分析软件ANSYS 中的fluent 进行有限元分析，主要就是流体力学的流场分析。整个过程中需要模拟凝汽器的冷却管处的蒸汽气体流速分布环境，对低压缸的排汽通道出进行针对性的设计分析，在此处改变它的放置姿态以及内部辅助装置，将通道内的气流合理疏散分离进而是蒸汽气体流场合理化分布。进行优化设计后的汽轮机低压缸排汽通道内部的蒸汽流场趋于平稳，所以内部的热量传导和消散就比较合理，从根本上增大了冷却管的传热和换热面积，间接性地增大了凝汽器的散热系数，改善了凝汽器的热传导能力，有效地避免了排汽口的气体压力过大，延长了机器的使用寿命，节约了机组运行成本。

一方面，通过有限元分析，优化前后的排汽通道出口处的蒸汽速度分布完全不同，优化前的气流分布图不合理，这种情况导致了排汽时阻力的增大；另一方面，流场分布不均导致凝汽器的热量分布不均匀，间接性地缩减了热传导面积，降低了热传导效率，降低了汽轮机机组的运行效率。

4 进行优化改造的方案措施

对于分析出的汽轮机低压缸排汽通道问题，给出了对应性的改造优化，首先在导流管的布置方面，将导流板全部分布在汽轮机凝汽器的上半部分的长方体接颈里，对它们的分布进行安排，一排放置在和汽轮机的轴心线垂直的位置上，处于倾斜状态。另外四排放置在与汽轮机轴心线平行的位置上，处于竖立状态，电调的两端应进行对称式布置。

具体的斜板布局应遵循以下原则：在凝汽器的进口处进行垂直放置，出口处的放置方向与垂直方向保持30°的夹角。斜板的边缘和接颈的截面处于同一平面内，并且成对称性分布布置。立板的布局遵循以下这些原则：立板一共有4 块，它们分布在接颈的上下排撑管的中间处，在有抽汽横管的地方，两两立板之间的中心线相距1500mm，在没有抽汽横管的地方，两两立板之间的中心线相距2800mm。一个出口处的立板布置是这种样子，两个排汽口的布置也是如此，呈对称布置。

材料的选择上，采用不锈钢的材质来制作导流装置，因为不锈钢的耐冲击性，耐用性等特点才被广泛使用。所用的配件材料都使用耐磨型高强度材料，保证零部件的强度和可靠性，以免在使用中零件的断裂和松动损坏。

在进行汽轮机低压缸排汽通道优化改造时，需要配合着汽轮机机组的整体检修过程，这个时候进行施工可以减少企业的运行损失。在实施改造方案之前需要将不改进的部位进行安全性防护，避免在优化改造过程中误伤到关键部位，所涉及的所有部件都应该尽量少的使用电焊，以避免局部的结构强度异常。所用部位的施工物品都应该满足入孔门的尺寸要求，保证能够通过入孔门进行相关操作。在施工改造后，需要对凝汽器进行全面性的清洗。

5 改造的总体效果

通过某发电厂的汽轮机机组的低压缸排汽通道的导流板优化改造，得到了以下的对比性实验数据。试验的数据显示，当水循环系统的进口处的水温在30℃时，汽轮机的蒸汽载荷使用率达到了100%，凝汽器的真空压力值提高了些许，达到了0.68kPa。将2 组机组的试验时间、试验载荷、水循环系统的试验水温控制在相同条件下，在一段时间的对比试验后发现改进后的汽轮机机组的真空压力值提高了，对应的等效煤用量每千瓦降低了0.75g，照这样计算整个机组的成本，每年可为企业减少约1227t 煤炭用量，节约几百万元的经济费用。

6 结语

在实行了汽轮机低压缸排汽通道优化改造后，汽轮机机组的排汽压力大大减小，散热效果明显提高，提高了机组的运行效率，为企业节约了经济成本，有利于企业的高效节能、可持续发展。企业的产能提高，机组使用寿命延长，减少了汽轮机的维护成本，对于整个行业来说无疑是一个值得对光的方法。汽轮机低压缸排汽通道优化改造随着我国“科学发展”的国家战略的不断深入必将给汽轮机行业带来更丰厚的回报，在实际应用中会愈来愈受欢迎。