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基于SPE的660 MW超临界汽轮机阀控方案数值模拟研究

更新时间:2016-07-05

新能源、可再生能源的快速发展,对包括超(超)临界参数机组在内的火电机组运行灵活性提出了更高的要求,火电机组参与调峰的频率越来越高,调峰深度越来越深,业已成为火电行业的新常态。当机组负荷频繁波动时,更易造成锅炉机组管道内壁的氧化层脱落,脱落的氧化物随蒸汽一起进入汽轮机,对汽轮机通流部分[1],尤其是调节级叶片产生严重的侵蚀,影响汽轮机运行的安全性和经济性,此即所谓固体颗粒侵蚀(solid particle erosion,SPE)。降低超(超)临界汽轮机叶片的侵蚀一直是制造商和运行部门致力解决的问题,也是业界研究的热点。

戴丽萍[2]等人对超临界机组设计工况下喷嘴与动叶的固体颗粒冲蚀进行了研究并分析了主要的冲蚀部位。张莉[3]研究了汽轮机调节级喷嘴、动叶通道内固体颗粒的运动特性,分析了调节级的冲蚀情况以及不同粒径的颗粒对叶片的侵蚀影响。李勇[4]等人研究了汽轮机再热后级内的颗粒冲蚀情况,分析了不同粒径的颗粒以及不同负荷下颗粒子在动静叶之间的反弹情况。

4类结节的检查者均建议进行肺穿刺活检。发现恶性结节16例,占总体检查人数的0.85%,占4类结节36%,其中男性13例,女性3例,平均年龄60岁。4类结节有短毛刺、胸膜凹陷征共15例,其中11例病理为恶性,占73%。

本文以贵州电网一台已投运的超临界660 MW汽轮机为对象,通过数值模拟研究,进行了机组变负荷运行时,减少SPE 影响的阀控方案的探索。

根据项目技术方案,该项目实施地点为丘北县双龙营镇麻栗树村,该村交通便利、水资源丰富,稻田平整集中,年平均气温为18-20℃,年均降雨量900-1200毫米,主要居住着汉族和彝族。通过土地集中流转到合作社统一实施,项目实施面积为120亩。

(2)传说中的牛郎织女最后被王母娘娘用天河阻断了相聚之路,天各一方,每年只能相聚一次。可本诗中,诗人却赋予牛郎织女崭新的幸福生活,诗人为什么这样写?(可结合诗歌的创作背景来思考。)

从图6可以看出,动叶通道侵蚀率密度大于静叶通道,主要是由于喷嘴通道内汽流处于不断的加速状态,平均速度小,而在动叶通道内速度是基本保持在最大值,所以平均冲蚀率密度较大。并且侵蚀最严重的部位是在动叶吸力面的尾部。

1 阀控方案的确定

入口边界条件为压力入口,出口边界条件为压力出口,滑压运行时的数据由设备说明书取得,见表3;定压运行时每个阀控方案的入口和出口压力经调节级变工况而得见表4所示,入口温度566 ℃。采用无滑移绝热壁面条件进行模拟。固体颗粒粒径等参数参照文献[6]选取,颗粒密度为5 240 kg/m3,如表5中所示。

四点式光靶采用新的定位方法,允许组成光靶的4个特征光源设置在机身上表面4个角点,实现光靶分布范围最大化,与此同时抑制了多个特征光源集中在小范围时互相干扰的缺点,一定意义上改善了系统的环境适应性,此外,选择近红外光源作特征光源,单频特性抑制了背景光的影响,长波特性增强了粉尘穿透性[21]。

1 汽轮机调节阀配置图 Fig.1 Configuration diagram of the turbine control valves

1.1 滑压运行时阀控方案

当机组采用滑压运行时,主汽阀门全开,高压调节汽阀门也全开或接近全开,所以阀控方案单一。选取滑压运行时80%、75%、50%、40%和30%负荷作为研究点。

1.2 定压运行时阀控方案

当机组采用定压运行方式时,此时可以有多种不同的阀控方案。为便于对比,本文选取了对应于滑压运行的5个负荷点,做为定压运行方式的研究点,每个负荷点设计了3种配汽方案,具体方案如表1所示。其中方案A是该机制造厂技术说明书推荐的阀控方案,方案B采用喷嘴调节与节流调节组合的方式,方案C采用三阀同步节流调节。

依据阀门升程曲线和调试数据,经计算得到表1所示的各负荷点不同方案下的阀门开度百分比。

1 定压运行不同负荷阀门开度(%) Tab.1 Different load valve opening of constant pressure running mode(%)

负荷方案GV1GV2GV3GV480%A100100200B100100200C575757075%A9090180B100100130C383838050%A353500B1001900C191919040%A272700B1001000C151515030%A222200B100000C1010100

2 数值模拟

2.1 调节级几何模型和网格划分

依据设备说明书数据(见表2)建立了该660WM汽轮机调节级几何模型,采用四面体非结构化网格,并进行网格无关性验证。几何模型和网格模型如图2和图3所示。

2 调节级的几何参数 Tab.2 Geometrical parameters of governing stage blades

类型弦长/mm叶高/mm相对节距/mm轴向间距/mm静叶50453014338动叶4418301429643

2 叶片几何模型 Fig.2 Geometry model of blades

3 叶片网格模型 Fig.3 Model of blades mesh

2.2 侵蚀模型

Re为冲蚀速率;N为单元面积上发生碰撞的数目;C(dp)为颗粒直径函数为颗粒平均质量流量;α为颗粒对壁面的侵入角;f(α)为侵入角函数,f(α)=0.441 22+0.364 09×α-0.010 6×α2+1.08×10-4×α3-3.688 06×10-7×α4V为颗粒对于壁面的速度;b(v)为相对速度的函数,取3.16[5]

(1)

仿真计算采用的侵蚀模型如下,它是Finnie模型与固体入射速度函数、颗粒直径函数、侵入角函数的集合,其冲蚀速率为:

2.3 边界条件

火电机组在其所承担的负荷范围内,运行方式分为两种,一种是定压运行,另一种是滑压运行。从阀控方案的角度,定压运行方式下有喷嘴调节(又称顺阀调节)、节流调节(又称单阀调节)以及二者的组合调节,特点是负荷变动时,维持主汽阀前过热蒸汽压力为额定压力不变。滑压运行方式下,则是将所有调节阀设置于接近全开,主汽压力随负荷滑变。大容量机组普遍采用复合滑压方式运行,即当负荷较高或较低时采用定压运行,中间段采用滑压运行,但也有部分机组采用定压运行。本机调节阀如图1所示。

3 滑压运行边界条件 Tab.3 Boundary conditions of sliding pressurerunning modes

负荷调节级入口压力/MPa调节级出口压力/MPa80%196911404775%185271313250%12319862840%9884696830%86525356

4 定压运行边界条件 Tab.4 Boundary conditions of constant pressurerunning modes

负荷方案喷嘴组调节级入口压力/MPa调节级出口压力/MPa80%ABC1/22347413914322826139141/22347413914322826139141/2/323141391475%ABC1/2232412976320318129761/22347412976320044129761/2/3216291297650%ABC1/220808843512347484352194384351/2/31387843540%ABC1/216802677912347467792135767791/2/3115677930%A1/2126975147B1234745147C1/2/38835147

注:1/2/3表示一号、二号、三号喷嘴组

5 固体颗粒直径分布 Tab.5 Diameter distribution of solid particles

序号平均直径/μm质量流量/(kg/s)175000024215000248325000646440002332575006751

3 计算结果及分析

3.1 调节级固体颗粒侵蚀分析[7-10]

通过fluent仿真计算,得出了调节级固体颗粒冲蚀结果。图4是固体颗粒对调节级静叶的侵蚀情况,图5是动叶的侵蚀情况。

滑压运行时不同负荷下的侵蚀结果,如图6所示。

(a) 压力面

(b) 吸力面

4 静叶冲蚀率密度 Fig.4 Erosion rate density of static blades

图7可以看出随着负荷的降低,固体颗粒侵蚀越来越严重。主要是因为蒸汽压力降低,使得通道内汽流速度降低,蒸汽的携带能力减弱,更多的固体颗粒会撞击到叶片上面。

(a) 压力面

(b) 吸力面

5 动叶侵蚀率密度 Fig.5 Erosion rate density of moving blades

3.2 滑压运行不同负荷下侵蚀率密度分析[11-13]

从图4可以看出,固体颗粒对静叶的冲蚀主要是在静叶压力面的尾部和吸力面的中部,在吸力面的尾部也存在一定的侵蚀,并且压力面所受到的侵蚀要高于吸力面。主要是因为喷嘴入口汽流速度较小,汽流在喷嘴中不断加速,固体颗粒由于汽流的带动也不断加速,当到达喷嘴出口时,固体颗粒速度基本达到最大值,此时对静叶片的侵蚀应该最大。又由于固体颗粒本身具有一定质量,所以在蒸汽速度发生偏转时存在一定的惯性,大部分颗粒会撞击到静叶压力面尾部。这与文献[2]里所得的结果相符合 。

林光元提出,传教士所传天主教可以拯救世人,更愿意将“点化之术”传授给世人,然而世人却不受教,他描绘了世间中七种需要点化的人:

1.4 统计学分析 所以数据的录入及分析采用SPSS 13.0软件进行,计量资料采用均数±标准差表示,组间及组内的比较采用t检验,P<0.05为差异具有统计学意义。

(a) 80%

(b) 75%

(c) 50%

(d) 40%

(e) 30%

6 滑压运行时不同负荷下侵蚀率密度 Fig.6 Erosion rate density of different load for sliding pressure running modes

从图5可以看出,固体颗粒对调节级动叶的冲蚀主要发生在动叶压力面的中部和吸力面的尾部。并且叶片上部的侵蚀比下部的侵蚀更加严重。在动叶的前缘部分也遭受了一定的侵蚀。主要是因为汽流经过喷嘴加速后有一个很大的速度,并且在动叶通道里速度变化不大,所以此时汽流的方向是影响固体对叶片侵蚀的主要因素,随着汽流运动方向的偏转汽流首先是撞击到动叶压力面,此时固体颗粒由于和动叶表里面碰撞而使得速度方向发生偏转,然后撞击到吸力面的尾部。并且由于喷嘴和动叶结构特点,使得汽流在动叶里面会发生径向移动,所以在通道上端固体颗粒数量较多,从而冲蚀比较严重。

7 滑压时不同负荷侵蚀率密度曲线 Fig.7 Erosion rate density curve of different load for sliding pressure running modes

3.3 定压运行下侵蚀率密度分析

定压运行时不同负荷下侵蚀结果如下。本文对三种阀控方案下的每一组喷嘴都进行了仿真计算。由于阀控方案主要是对调节级静叶的固体颗粒冲蚀有影响。所以重点分析不同阀控方案下喷嘴的冲蚀情况。图8 是定压运行时不同方案不同负荷下喷嘴组侵蚀率密度最大的情况。

从图8可以看出在定压运行方式下,不同的阀控方案下喷嘴的最大冲蚀率密度不同,实际方案和顺阀控制下喷嘴的最大侵蚀率密度随负荷的降低而增大,三阀节流方式下喷嘴的最大冲蚀率密度变化不大。并且顺阀控制冲蚀率密度最大,三阀节流控制冲蚀率密度最低。所以当机组定压运行时,如果是高负荷时候,三种方案对固体颗粒冲蚀的差异不是很大,但是当机组在低负荷运行时长期采用顺阀控制,调节级喷嘴的侵蚀会很严重,此时应采用节流控制方式[14-15]

8 不同方案喷嘴组最大侵蚀率密度曲线 Fig.8 Maximum erosion rate density curve of differentvalve control schemes

4 结论

(1)超临界660 MW汽轮机调节级的固体颗粒侵蚀主要发生在动叶部分,且主要在动叶动叶吸力面的尾部和压力面的中部。静叶部分的侵蚀主要在压力面的尾部

(2)滑压运行时随着负荷的降低,调节级的固体颗粒侵蚀逐渐增大。

(3)定压运行方式下,高负荷时阀控方案对固体颗粒侵蚀的影响较小,低负荷时较大。当机组低负荷运行时应尽量采用节流控制方式。

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王文强,钱进,覃海波,钟晶亮,龚德鸿
《电力大数据》 2018年第03期
《电力大数据》2018年第03期文献

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