“二拖一”联合循环机组并汽和退汽的数值研究

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(1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045;2.哈尔滨电气股份有限公司,黑龙江 哈尔滨 150046；3.中国电力工程有限公司,北京 100048)

“二拖一”联合循环机组并汽和退汽的数值研究

王凯1，贾静2，吕雷3

(1.华北电力科学研究院有限责任公司，北京 100045;2.哈尔滨电气股份有限公司,黑龙江 哈尔滨 150046；3.中国电力工程有限公司,北京 100048)

对典型的“二拖一”联合循环机组的并汽管道进行数值建模，分别从高压和中压两种情况的并汽过程做了不同边界条件下的定常和非定常模拟，探究了并汽和退汽的机理，以及并汽的合理化顺序。数值模拟结果表明：当待并炉主蒸汽压力比运行炉主蒸汽压力稍大一些时，并汽后主蒸汽具有最大总压。随着待并炉主蒸汽压力上升，并汽后静压降低，能量损失系数上升。同时并汽的效果优越。随着主蒸汽流量的减小，并汽后主蒸汽或再热蒸汽静压和总压增大，能量损失系数减小。

非定常模拟；二拖一；联合循环；并汽；退汽

0 引言

近几年，联合循环机组在国内在建和已经投产的数量较多。作为一种较新的能源供应方式，与单一机组相比，能源利用率较高，排放和污染较轻[1-2]。联合循环机组要求配备的汽轮机有较好的变工况特性，并汽管道的损失尽可能的少[3-4]。“二拖一”燃气-蒸汽联合循环机组由一台燃气轮机，一台余热锅炉和一台汽轮机构成[5]。作为电网调峰的重要设备，其顺利并退汽对于电网安全稳定运行以及提高新能源接入调峰响应速率有着举足轻重的意义[6]。国内的王凯、司派友等人[2,7]对“二拖一”联合循环并退汽过程稳定性等进行了研究，但是没有对并退汽进行详细的数值模拟，没有给出并退汽后详细参数变化。

本文对国内典型的“二拖一”机组的并汽管道进行建模校核，分析并汽、退汽机理，提出较优的退并汽原则及特性分析方法。为今后“二拖一”机组的安全平稳经济运行提供可靠的理论以及实践可行的匹配参数。

1 并汽过程

1.1 物理模型和网格独立性验证

图1给出了高压并汽管道的几何模型。从图1中可知并汽管路有两个进口、两个出口。其中进口1是运行炉的主蒸汽管道，进口2是待并炉的主蒸汽管道。出口为三通式，出口1和出口2间夹角120°。中压并汽管道与之类似，其中进口1是运行炉的再热蒸汽管道，进口2是待并炉的再热蒸汽管道，三通出口在进口1一侧。

图1 高压并汽管道的几何模型

图2 并汽管道接口和出口的局部网格

整个并汽管道采用结构化网格划分。在接口处和三通出口，网格适当加密。图2给出了并汽管道接口和出口等部位的局部计算网格。

为了使并汽过程计算准确，需要对高压并汽进行网格独立性验证。给定进口1、进口2总压8 MPa、总温811 K，两个出口给定流量85 kg/s，湍流模型k-e模型。比较了不同计算网格数计算得到的并汽后的压力和温度。图3给出的是不同网格数，并汽之后的温度和压力比较，可以看出当网格为6万以上计算得到的出口温度已基本不再变化，具有网格独立性。

图3 计算模型取不同网格数并汽后的温度和压力

1.2 高压并汽过程

运行炉主蒸汽为总压5～12 MPa，总温811 K的高压条件，为使并汽能够顺利进行，选取了和运行炉主蒸汽压力相差不大的待并炉蒸汽进口总压进行计算。在不同的进口2工况下，保持进口1总温、总压和流量不变。

并汽过程存在蒸汽的掺混，存在能量损失，为了衡量并汽过程中能量损失，定义能量损失系数η

(1)

图4为主蒸汽压力小于7.5 MPa时，采用线性外插的方式获得的相应压力下流量。以运行炉主蒸汽总压8 MPa为例说明高压并汽过程。

图4 主蒸汽参数和流量之间关系

图5给出了出口总压、静压和能量损失系数随进口总压变化曲线。可以看到，进口2总压在8 MPa附近增长，使出口静压从7.9 MPa降低至7.775 MPa，出口总压在后段维持在7.9 MPa左右。而能量损失系数η在进口2总压小于7.99 MPa之前就低于0.01，随着进口压力升高，并汽过程掺混损失快速增加，η值一直增大到0.031。

图5 出口总压、静压和能量损失系数随进口总压变化

图6 出口总压、静压和能量损失系数随入口总温变化

图6给出的是出口总压、静压和能量损失系数随入口总温变化曲线。进口2总压保持与进口1相同，在进口2总温723 K，753 K和811 K时计算出口参数。能量损失系数η以入口总温752 K时为分割点，前段增速快，后段增速慢，至811 K时的最大η值为0.008 3。

图7给出了入口总温为811 K时并汽管道的温度分布情况。由于接口左边气流与上方管道来流冲撞壅聚，高能流体集中，左边肩点附近有明显温度升高区域。并汽后段管道底层气流剧烈掺混，消耗动能，温度比汇合前降低一些，低温区自右肩点蔓延至管道底层，随流动的湍动程度降低，温度回升。

图7 并汽接口处温度分布云图

非定常模拟并汽过程时在不同进口1总压下得到能量损失系数随进口2流量的变化。图8给出了高压并汽时能量损失系数随流量的变化。

图8 高压并汽时能量损失系数随流量的变化

随着进口2流量的增大，并汽过程掺混损失增加，能量损失系数η不断增长。从图中可知5～8 MPa时的η值曲线与9～12 MPa的曲线差别明显。表现在低流量时前面一组η值起点低(0.005附近)，增速快，后面一组的η值起点较高(0.006)，增速较慢。前面一组中，5～7 MPa相同流量时，总压大者损失较小，即随流量增大η值增速慢。5 MPa最大流量50 kg/s对应的损失系数接近0.009。8 MPa时介于前后两组之间，流量达到85 kg/s时η值以渐快趋势增至0.009 7。后面一组中，总压越高，则后段近似直线增长的速率越慢，曲线随流量值依次往后延，并且至最高流量时，η值都到达0.011 4。

1.3 中压并汽过程

中压并汽过程指再热段的蒸汽并汽。在进口1主蒸汽总压为0.7～2.8 MPa的边界条件下，依旧先分析不同进口2总压对于并汽的影响。

以1.9 MPa为例说明中压条件下的并汽。图9为出口总压、静压和能量损失系数随进口总压的变化。

进口主蒸汽总压为1.9 MPa时，随进口2总压从1.893增大到2.058 MPa，出口总压基本沿直线从1.887 MPa降低到1.857 MPa，而静压沿近似直线从1.879 MPa降至1.798 MPa，降幅4.31%。总压和静压曲线在起始段降速较快。随着进口总压增大，并汽过程掺混损失增大，能量损失系数η基本沿直线从0.006增长到0.076。相比高压条件，中压并汽损失增大数倍，可见再热蒸汽流通速度慢，阻力大。

图9 出口总压、静压和能量损失系数随进口总压的变化

图10给出了进口2总压保持与进口1相同，在进口2总温723 K，753 K和811 K时的出口参数。可以看到进口2总压1.9 MPa时，随总温升高出口总压从1.882 5 MPa降低到1.881 6 MPa，出口静压从1.868 8 MPa降至1.867 5 MPa，降幅0.069%。总压曲线和静压曲线基本以非常平缓的直线下降。能量损失系数η从0.011 75增大到0.012 15，损失有所回升，753 K前后增速先快后慢。

图10 出口总压、静压和能量损失系数随入口总温的变化

同样地，进行了并汽流量变化的非定常模拟，图11给出了高压并汽时能量损失系数随流量的变化。随着进口2流量的增大，并汽过程掺混损失增大，能量损失系数都在不断地增长。相比高压并汽，中压并汽的η值的起点低(0.002)，但增长速度快，尤其是总压越小，低流量时损失系数增长越快，从图中可以看到，随总压的增大，曲线依次向后延展。0.7～1.6 MPa时，至各自最大流量时，η值达到0.012附近，2.2～2.8 MPa时，至各自流量最大值时，η值都达到0.014 6。1.9 MPa时最大η值为0.013。

图11 高压并汽时能量损失系数随流量的变化

2 并汽顺序合理化研究

以高压并汽时的总压8 MPa的工况为例说明同时并汽、先并中压缸或先并高压缸对轴系稳定性、汽轮机负荷的影响。图12给出了不同并汽方式下轴受到的应力曲线。

管道并汽后压力直接影响汽轮机高中压缸轴的受力，不同的并汽方式轴的受力情况不同，受到的应力不同[7]。同时并汽轴受到的力是拉力，拉力先减小后增大；先并高压缸随着高压管道进口流量增大，轴受到的力减小，当高压缸并汽后，中压缸并汽使轴受到力突然减小，应力突然下降，会减小汽轮机轴的寿命，对汽轮机稳定运行不利。先并中压缸，随着入口流量增加，中压缸压力逐渐降低，中压缸并汽完成后，高压缸并汽汽轮机轴突然受到相反作用力，轴受到的应力突然反向，长期如此汽轮机的轴会疲劳损伤。综上，同时并汽较先并高压和先并中压好。

图12 不同并汽方式轴受到的应力

图13 出口总压、静压和能量损失系数随进口流量的变化

图14 出口静压、总压和能量损失系数随进口流量变化

3 单台锅炉退汽速度对相关参数的影响

3.1 高压退汽非定常数值模拟

进口1分别给定5～12 MPa，总温811 K；进口2从额定流量逐渐减小到0，模拟时间600 s，得到出口静压、总压和能量损失系数随着进口2流量的变化(图13)。

高压退汽从进口流出，即进口流量为负值。以8 MPa时为例，随进口流量从-85 kg/s到0，出口总压基本沿直线从7.907 MPa增大至7.926 8 MPa，出口静压从7.876 MPa增大至7.919 MPa，曲线一开始以近似直线上升，到后段增速渐渐放缓。能量损失系数η随着流量变化到0，从0.009 7降至0.005 02，较高流量时损失增大，曲线一开始以近似直线下降，到后段降速趋缓。

3.2 中压退汽非定常数值模拟

进口1分别给定0.7～2.8 MPa，总温811 K；进口2从额定流量逐渐减小到0，时间同高压并汽时一样，总温811 K。计算得到出口静压、总压和能量损失系数随着进口2流量的变化。

以1.9 MPa时为例说明中压退汽过程(图14)。退汽压力为1.9 MPa时，随进口流量从-101 kg/s到0，出口总压从1.883 1 MPa增长到1.889 MPa，前段以直线上升，到后段增速越来越慢，渐趋平缓。出口静压从1.869 2 MPa增大至1.885 5 MPa，曲线一开始以近似直线上升，到后段增速变慢。能量损失系数η随着流量变化到0，从0.013降至0.001 95，较高流量时损失增大，曲线一开始以近似直线下降，到后段降速变缓。

4 结论

(1)高中压并汽过程，不同运行炉主蒸汽压力下，提高待并炉主蒸汽的压力，并汽后总压先下降后上升，当待并炉主蒸汽压力比运行炉主蒸汽压力稍大一些时，并汽后主蒸汽具有最大总压。随着待并炉主蒸汽压力上升，并汽后静压降低，能量损失系数上升;

(2)相比先并中压缸或者先并高压缸，同时并汽时汽轮机转轴不会受到应力突变，且应力幅值较小，优势明显;

(3)保持一个运行炉主蒸汽或再热蒸汽进口温度不变，另外一个运行炉的主蒸汽流量从100%减小到0，随着主蒸汽流量的减小，并汽后主蒸汽或再热蒸汽静压和总压增大，能量损失系数减小。

[1]张新宇，李斌，姚远，风电供暖技术方法研究[J].电网与清洁能源，2014，30(1)：94-96，108.

[2]王凯,田昊明,贾静.采用蓄热技术扩大供热机组调峰裕度的研究[J].节能技术,2012,30(4):339-341.

[3]渠福来.300 MW联合循环机组变工况优化运行研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[4]安宗武,辛军放,陈浩.M701F4型燃机“二拖一”机组的并汽和解汽[J].热力发电,2012,41(8):65-68.

[5]司派友,左川.“二拖一”燃气蒸汽联合循环机组的并汽与退汽[J].热力发电,2010,39(12):61-64.

[6]张艳霞，董永平，张桂平，等.河西地区新能源与电网发展之间的问题分析[J].电网与清洁能源，2013,29(11):11-14.

[7]司派友.超临界汽轮机高中压缸联合启动[J].华北电力技术,2007(6):4-6.

NumericalStudyonSteamConvergingandWithdrawingof“TwoPullOne”CombinedCycleUnit

WANG Kai1, JIA Jing2, LV Lei3

(1.North China Electric Power Research Institute Co. Ltd, Beijing 100045,China；2.Harbin Electric Company Limited, Harbin 150046, China；3.China Nation Electric Engineering Co., Ltd, Beijing 100048, China)

The numerical modeling of stream converge pipeline of a typical 2GTs+1ST combined cycle unit was established in this paper. The steady and unsteady simulations of stream converging process with high and medium pressure boundary conditions were performed. It explored the reasonable order of stream converge, the principle of stream converging and stream withdrawing. The numerical simulations suggest that when the main vapor pressure of the boiler prepared for merge is higher than the main vapor pressure of the running boiler, the combined main vapor has the highest pressure. With the increase of the main vapor pressure in the boiler prepared for merge, the static pressure of the combined steam will decrease，the coefficient of energy loss will rise, and the effect of steam combined is dominant. With the decrease of the main steam flow, the static pressure and total pressure of combined main vapor or reheat steam will rise, and the coefficient of energy loss will decrease.

unsteady simulation;two pull one;stream combined cycle;steam converging;stream withdrawing

2014-05-08修订稿日期2014-06-17

王凯(1981～)，男，博士，高级工程师，研究方向为发电设备节能优化及故障诊断技术。

TM611.31

A

1002-6339 (2014) 04-0327-06