汽轮机排汽通道优化技术发展现状及趋势

苏兰青，乔春珍，万逵芳

（1.北方工业大学，北京 100144；2.中国大唐集团科学技术研究院，北京 102206）

其它

汽轮机排汽通道优化技术发展现状及趋势

苏兰青1，乔春珍1，万逵芳2

（1.北方工业大学，北京 100144；2.中国大唐集团科学技术研究院，北京 102206）

介绍了目前国内外关于排汽通道优化技术的研究现状，总结了汽轮机排汽缸性能、凝汽器喉部出口流场以及整个排汽通道性能的优化问题，研究了低压通流与排汽缸耦合的数值计算及低压缸支撑板梁、喉部四壁加强筋板、减温减压器等的影响因素，可为相关电厂提供参考。

汽轮机；排汽通道优化；凝汽器喉部；排汽缸气动性能

大型汽轮机真空每提高1%，机组热耗率下降0.5%～1%，经济效益十分明显。在其它条件不变时，真空提高意味着排汽压力的降低，即排汽压力降低对机组经济性影响明显。在汽轮机初参数一定时，降低汽轮机排汽压力是提高汽轮机效率的有效措施［1］。除运行调节优化外，通过汽轮机排汽通道结构优化也可以有效降低汽轮机排汽压力。

汽轮机排汽通道是指自汽轮机末级排汽口至凝汽器冷却管束入口截面这一段通道空间，主要由排汽缸和凝汽器喉部组成。排汽缸主要包括汽轮机末级排汽内外导流环构成的扩压管、低压内外缸、低压抽汽管道以及中间的支撑部件等；排汽缸的主要作用是通过扩压管将排汽速度压头转变为静压，达到降低排汽压力的目的；凝汽器喉部连接排汽缸与凝汽器，内部有低压加热器、支撑管以及小汽机排汽接口、减温器等。凝汽器喉部结构影响出口蒸汽流场和凝汽器换热性能，也可能增加阻力损失。所以近年来围绕排汽缸、凝汽器喉部出口流场以及二者耦合的研究受到越来越多的关注。

1 国内外汽轮机排汽通道优化研究现状

1.1 研究对象

排汽缸是连接凝汽式汽轮机末级出口至凝汽器喉部的通道。其作用是将汽轮机通流部分与大气隔开，以形成蒸汽热能转换为机械能的封闭汽室。其内部复杂，有扩压管、导流板以及为了提高刚性而增加的加强筋等结构，因为位置的限制，一般采用环形进汽，向下排汽。排汽缸气动性能受多种因素的影响，如扩压器、排汽蜗壳的几何形状，导流板，加强筋的几何及布置方式，以及来流条件。其中排汽缸气动损失的主要来源是漩涡流动［2－3］。提高排汽缸气动性能是提高汽轮机效率的重要途径。在冷凝器真空度给定的条件下，通过末级叶栅出口截面处的静压的降低，可以提高汽轮机组的热效率。因此，对于汽轮机低压缸，如果能有效地回收、利用这部分余速动能，可提高机组热效率1%，收益可观［4］。凝汽器喉部即为凝汽器蒸汽入口处，凝汽器喉部作为凝汽器结构的一部分，其设计保证有足够好的气动性能和扩压性。凝汽器运行时的真空直接影响机组的热经济性，因此研究凝汽器喉部流场及低压加热器的布置形式和位置有重要意义。

目前文献提及的排汽通道优化主要是在凝汽器喉部布置导流装置，使其出口蒸汽流场与冷却管束布置方式匹配更加合理，提高凝汽器总体换热系数、降低传热端差，最终达到降低主机排汽压力、提高经济性的目的。在加装导流装置时，为了寻求最合理的安装位置，要统筹考虑流场分布均匀和能量损失增加的影响。

1.2 研究方法

通常排汽通道试验研究采用模型试验、数值模拟及二者结合的方法来考核其气动特性。模型试验在排汽通道研究中采用较为广泛。刘晖明［5］等人对300 MW汽轮机排汽通道进行模型吹风试验。以相似理论为原则，确保了模型和原型几何、边界条件及动力相似，模拟得出了排汽通道的优化方案。模型试验结果比较可靠，但需要加工模型，不够灵活且耗资较大。相比于模型试验，数值模拟的方法耗资少、周期短。因此发展数值模拟成为解决汽缸气动性能问题的有效途径之一。同时在凝汽器的研究上，为了清晰地展现凝汽器喉部流体流动，很多学者都开展了模型吹风试验的研究。通过加装导流装置的试验来模拟出口面的流动分布情况，但其弊端是无法呈现装置内部流场的发展变化和流场数据的采集，随着计算机的发展，数值模拟方法被广泛地应用于汽轮机内部流场的研究分析中［6］。但是数值模拟结果与实际不能很好吻合，因此多使用二者结合的方式进行研究。目前国内也逐渐发展了一些数值方法及相应的计算机程序，对设计优化方案起到了重要作用。

1.3 排汽缸性能研究现状

排汽缸性能是早期研究的重点。国际上对排汽缸气动性能好坏的指标评价通常用它的能量损失系数ξ和静压恢复系数ψ来衡量，国外一些公司发现通过在排汽缸内部增加各种形式的导流环，可以优化排汽缸性能。ALSTOM、日本日立公司、GE等通过改进设计排汽缸内的扩压器，使单机出功率增加，压力恢复系数提高，总压损失降低。

在国内，上海汽轮厂搭建排汽缸优化系统，并对导流环和导流锥进行优化，目前这套优化系统正在工程热物理研究所的单级透平＋排汽缸实验台上进行验证和进一步完善。张荻［7］分析了3种不同进口速度条件对汽轮机排汽缸气动性能的影响，研究发现直流工况的排汽损失系数为最大，强旋工况的排汽损失系数最小，排汽损失的大小受气流能量在不同涡中分配的影响。因此，排汽缸的优化设计过程中避免直流这种耗散性涡的出现。江生科［8］对低压末级整圈和排汽缸耦合进行数值分析，从排汽缸的总损失系数总体特性、静压恢复系数和流场分析的角度来说，扩压管的扩压能力减弱的关键就是进口流场的不均匀和汽流周向预旋的存在。并提出了在排汽通道的设计中开展末级与低压缸耦合，以及整个低压通流与排汽缸耦合的数值计算分析的观点。但由于很多文献都没有分析湿蒸汽的影响，流场的复杂性和真实的流动情况无法展现，为了了解湿蒸汽在汽轮机排汽缸内的真实流动情况，曹丽华［9］考虑了湿蒸汽自发凝结过程的影响，通过density－based耦合求解的方法，对排汽通道内不同的进汽条件进行三维数值模拟，研究发现随着旋流强度、进汽角度和进汽湿度的增加，排汽通道内流动的能量损失系数在逐渐降低，排汽通道出口流场的均匀性有一定的提高。由此可见，改善进汽条件可以降低排汽通道流动的能量损失，优化排汽通道的性能。研究获得了更加详细的排汽缸三维可压缩湿蒸汽湍流流动的流场情况，为排汽缸的优化设计提供更全面的数值依据。但论文并未对导致流场变化的原因进行深入分析。

在排汽缸的设计中，提高其气动性能不仅要分析其内部流动状态，还要从优化其结构和几何参数两方面来研究。王平子［1］对大功率汽轮机排汽缸的气动性能进行了研究，发现当缸的进口马赫数达到一定值时，缸的损失系数呈转折性增长的趋势，但由于模型试验的局限性，不能模拟实际的汽流进口情况，使得实物缸损失系数大大高于模型试验数据；缸发生阻塞时的极限马赫数取决于其损失值的大小。沈国平［10］等对300 MW低压排汽缸进行了模型试验，分析了影响排汽缸气动性能的关键几何参数。研究结果表明：当排汽缸轴向尺寸一定时，为了降低低压排汽缸的损失，可以通过增加扩压器直径、优化扩压器内壁型线等方法。陈洪溪［11］等对排汽缸的轴向长度、扩压器出口宽度及蜗壳上半缸高度、导流环几何形状等参数进行吹风试验研究。结果表明：增加排汽缸的轴向长度、增加环形扩压管出口直径，对排汽缸性能的改善是有利的。张荻［12］对影响低压排汽缸气动性能的三个主要形状因素（导流环倾角θ、导流环轴向长度S、导流环弧形外沿半径R）进行了正交试验，结果显示导流环倾角对排汽损失系数的影响最为明显，导流环轴向长度较显著，导流环弧形外沿半径的影响因素不显著。由此提出排汽缸优化设计方向：应对θ和S加以变化从而保证前期翻转的顺利进行。

还有人通过在排汽缸内部安装扰流部件以改变内部旋涡来提高其性能的研究。谢伟亮［13］分析了在不同位置导流挡板对排汽缸压力恢复系数和压力损失系数的影响，研究表明：横向单导流挡板的效果优于纵向双导流挡板，并且安放导流挡板的位置为两侧的流量之比约为1∶1时性能达到最优，因此在此处安装横向导流挡板的效果较佳。

1.4 凝汽器喉部出口流场研究现状

通过凝汽器喉部结构优化，改善凝汽器冷却管束入口蒸汽流场和凝汽器换热性能，降低排汽压力，是近年来关注的一个重点。

万逵芳［14－15］研究了凝汽器入口蒸汽流场及其对汽轮机排汽压力的影响，其模型将排汽缸与喉部统筹考虑，内部只考虑了支撑管架和加热器圆筒，其它附件如低压各段抽汽管道、小汽轮机排汽等均未考虑。研究发现在凝汽器设计、改造或对其工作性能进行研究时应该以管束布置与入口蒸汽流场搭配是否合理为标准；在二者搭配不合理时要考虑改变管束布置和改变蒸汽流场，并且改变蒸汽流场要比改变管束布置操作更容易，效果更好。在排汽缸内或凝汽器喉部内加装合适的导流装置，可以明显地改善其出口流场，流场均匀后，机组的经济性提高。并且通过在300 MW机组排汽通道加装均流装置，得出排汽通道压力损失不变，传热系数增加，蒸汽阻力减小，真空泵性能变好，这些因素的共同作用使排汽压力明显降低的结论。并通过在电厂的实际应用验证此方法可有效降低汽轮机组排汽压力。

崔国民［16］采用的方法是直接模拟蒙特卡罗数值模拟，分析了凝汽器喉部扩散角度对其流场稳定性和均匀性及汽阻的影响。他的模型中主要包括壳体和低压加热器2个主要部分，并认为整个流场温度不变。郭玉双［17］总结了喉部压力损失随喉部扩散角的变化关系，在此基础上提出了临界扩散角的概念，研究表明：喉部的扩散角在较小范围内的适当增大有利于减小喉部的汽阻；一定的工况对应一个临界扩散角度，在此临界值以上的扩散角度增加对减小汽阻是无用的；为了流场的稳定性和均匀性，扩散角度越小越好。发现两侧壁处汽流速度高，而汽流中心的速度低，从而产生压差阻力。因此，凝汽器喉部出口流场存在着一些不合理的地方，通过在在喉部排汽通道合适的位置增加旁路挡板，改善了凝汽器的传热效果，其中机组排汽压力降低、真空提高，凝汽器传热端差减小。曹丽华［18－19］等人对有小汽轮机排汽的凝汽器喉部流场进行三维数值模拟研究。由于小机排汽和低压加热器对喉部汽流有很大的影响，可以近似忽略其它装置对其产生的影响。因此假设喉部内只有低压加热器和小机排汽，并且考虑流场分布的对称性及该模型的结构。对于配备双背压凝汽器的汽轮机，排汽通道内的流动状况与单背压有很大区别，利用Fluent软件，结合Simplec算法，对加装了导流装置的凝汽器喉部内的蒸汽流动进行了数值模拟。分析喉部流场速度分布图得出未加导流装置前，低加两侧的高速区、喉部斜壁下方的低速回流区、小机排汽局部低速区是影响流场分布不均匀的因素，其中影响最大的是小机排汽引起的低速区，加装导流装置后，改善了出口流场速度分布的均匀性并且大大提高了喉部出口流场均匀性系数，因此认为可以把小机侧导流装置的加装作为重点。

崔国明［20］等人又从凝汽器喉部内置低压加热器的不同布置高度对喉部汽阻和流动均匀性的影响进行了研究。研究表明：每一套固定的低压加热器与喉部的配合时，低压加热器布置会有一个最佳的位置，并且最佳位置要随着壳体的尺寸及低压加热器的直径而变化；在低压加热器的设计高度时，将减小喉部汽阻作为原则，其研究对凝汽器的喉部设计具有指导意义。

1.5 排汽通道耦合流动研究现状

近些年，汽轮机末级排汽旋转运动、排汽缸和喉部的相互影响等因素对排汽通道流场的影响研究，其适用性受到一定程度的限制。国内外已经加强了对由排汽缸、凝汽器喉部以及汽轮机末级构成的排汽通道整体研究，并关注汽轮机末级排汽旋转运动对排汽通道流场的影响［21－22］。在国内，曹丽华、付文峰［23－24］等人分别对国产300 MW、600 MW汽轮机组的排汽缸和喉部的流场进行耦合计算，得出在排汽缸拱顶处加装导流挡板和在扩压管处加装分流板，能有效改善通道内流场的结论。采用排汽缸和喉部的耦合模型进行研究，可以使喉部进口参数分布与模型情况接近。周兰欣［25］等人用数值计算机软件模拟了排汽缸和凝汽器喉部耦合流动，研究表明：进口汽流不管直流还是旋流，占总压损比例的最大的是上游段压损，其次是中游段，下游段最小。同时，直流进汽比旋流进汽的改造效果明显。宋震［26］采用数值模拟方法对汽轮机末级—排汽缸—凝汽器喉部的三维耦合流动规律进行了研究，认为末级耦合时沿叶高方向扩压管入口速度逐渐变化，使扩压管内分离涡变小；耦合凝汽器喉部时除引入喉部的能量损失外，还会增加上游各部分的能量损失，并增加出口流场不均匀度。

2 汽轮机排汽通道优化技术发展趋势

2.1 内部元件影响研究

已有研究中，无论是针对单独的排汽缸、凝汽器喉部，还是针对耦合汽轮机末级在内的排汽缸及凝汽器喉部为一体的整个汽轮机排汽通道，模型对内部元件的考虑仅限于低压加热器、抽汽管道、支撑管、小机排汽等，而且大多仅考虑其中一二种元件影响，同时考虑诸如汽轮机末级、排汽缸、喉部及其支撑管等4种元件影响的研究［15］并不多见。在已考虑的元件中，对排汽通道性能和出口流场影响的重要程度结论并不明显。

除上述内部元件外，排汽通道内部还存在减温减压器、轴封管道、凝汽器壁面筋板等部件，支撑管又分为横向支撑和斜向支撑方式，对于上述元件的独立影响、尤其是综合考虑所有内部元件对排汽通道性能和出口流场的影响尚未见文献报道，有待于进一步研究。

2.2 汽流边界条件影响研究

以往研究表明，除排汽通道结构及其内部构件以外，进口汽流参数、分布、旋度以及蒸汽湿度等边界条件对排汽缸性能有明显影响［26－27］，但对排汽通道性能的研究中，通常只考虑一二个影响，将上述边界条件统筹考虑后的排汽缸（通道）性能（压力恢复系数、压力损失系数、出口流场等），尚无文献报道。同时有必要对速度分布、湿度综合考虑后，结合内部元件影响的复杂模型深入研究。

另外汽轮机变工况下排汽流场的变化对排汽通道性能和流场的影响，应进一步分析。

2.3 喉部出口流场与冷却管布置方式耦合研究

汽轮机排汽通道优化研究的一个重要目的是获得较为合理的凝汽器出口蒸汽流场，提高凝汽器冷却管束的换热性能，最终得到较低的排汽压力和较高的机组经济性，因此，喉部出口流场与管束布置方式耦合以提高换热性能，也是未来需要研究的重点之一。

3 结束语

本文介绍了汽轮机排汽通道的方法，从排汽缸气动性能、凝汽器喉部及汽轮机末级—排汽缸—喉部的优化进行分析。对于我国目前的研究现状，改造排汽通道时，应综合考虑汽轮机末级、排汽缸及喉部三部分的相互影响，开展整个低压通流与排汽缸耦合的数值计算分析，同时，考虑流动的相变影响。同时应将喉部出口流场与管束布置方式耦合作为一个新的方向。另一方面除了现有影响因素的研究，未来应该更加细化的考虑低压缸支撑板梁、喉部四壁加强筋板、减温减压器等的影响，并做重点研究。

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Development and Trend on Optimization Technology of Steam Turbine Exhaust Channel

SU Lanqing1，QIAO Chunzhen1，WAN Kuifang2
（1.North China University of Technology，Beijing 100144，China；2.China Datang Corporation Science and Technology Research Institute，Beijing 102206，China）

The research methods of steam turbine exhaust passage optimization are summarized，the status of aerodynamic performance of exhaust cylinder，velocity field of condenser's throat outlet and optimize performance of the whole exhaust passage are reviewed and analyzed.Analysis results show that the numerical methods of low pressure flow passage and exhaust cylinder coupling as well as the in⁃fluence of low－pressure cylinder support plate girder，throat strengthen ligament and temperature－decreased pressure reducer should be emphasized in the research.

steam turbine；exhaust channel optimization；condenser throat；pneumatic performance

TK263

A

1004－7913（2016）10－0056－04

北方工业大学优秀青年教师培养计划项目（XN072－029）

苏兰青（1993），女，硕士在读，主要从事清洁能源与环境方面研究。

2016－07－25）