1000MW超临界机组给水泵汽轮机高压进汽部分数值模拟 胡李鹏 巫志华 张晓 段捷 胡哺松 （中国长江动力公司， 武汉 430000） 摘要 本文对1000MW机组给水泵汽轮机的高压进汽部分（主要包括高压调节阀、蒸汽连接管道以及钻孔喷嘴组）进行了数值模拟计算，研究了不同阀门开度工况下的高压配汽性能、蒸汽流动特征，以及验证高压进汽机构的减温减压能力。 关键词 1000MW给水泵小汽轮机 蒸汽内切换 高压喷嘴 调节阀 Numerical Simulation of high-pressure steam inlet region of 1000MW Boil Feedwater Pump Turbine Lipeng Hu,Zhihua Wu,Xiao Zhang,Jie Duan,Busong Hu China Chang jiang Energy Corporation, wuhan 430000 Abstract: In this paper, The high-perssure steam inlet region (including control valve、steam tube and high pressue nozzles) of 1000MW BFPT are simulated. The function between valve lift and flux、pressure etc, steam flow property are investigated In different position of the valve. Otherwise, validating the modulating ability in temperature and pressure. Key words:BFPT of 1000MW ;high pressure nozzles;control valve;inner switch of steam 0 前 言 1000MW火电机组所配半容量锅炉给水泵汽轮机，目前世界上流行的汽源切换方式一般有2种：高压新蒸汽内切换和再热器冷端蒸汽外切换。切换汽源一般用于40%主机负荷以下工况（锅炉定压）或25%主机负荷以下工况（锅炉滑压）。由于内切换启动灵活，切换过程平稳，容易控制等优点，东芝公司1000MW机组给水泵汽轮机采用了这种进汽方式见图1，允许两种不同参数的汽源进入，在汽缸前部的上、下半缸上有两个独立的蒸汽室（高压蒸汽室和低压蒸汽室）。对应于各自的喷嘴组，上部为低压蒸汽室，占一半圆周，分4个腔室和4个调节阀，并通过依次打开调节阀来实现流量控制。下部为高压蒸汽室，内装一组高压钻孔喷嘴，由高压调节阀来控制高压进汽。国内有不少工程师对给水泵汽轮机的切换方式进行了研究：杭州汽轮机厂的沙曾炘对300MW火电给水泵小汽轮机切换方式进行了探讨[1],哈尔滨汽轮机厂的王富美等对给水泵汽轮机汽源切换方式进行了比较[2]，上海汽轮机厂的张岚，仇前峰采用辅助蒸汽切换给水泵汽轮机[3]。这些公开研究都停留在汽源切换方式的选型比较上，对单个进汽模式的深入研究的甚少，尤其是内切换高压进汽数值模拟的尚未发现。 低压蒸汽 低压进汽阀室 泵主汽阀 调节阀 汽机 高压蒸汽 高压进汽阀室 进汽 出汽 图1 汽轮机进汽部分切换图 图2 进汽机构及阀门开度示意图 1 高压进汽部分结构介绍 高压进汽部分布置在汽轮机的下半缸，由主汽阀、调节阀、蒸汽管道、7个高压钻孔喷嘴组成，见图2、图3。来自于锅炉的高压蒸汽538℃、24.1MPa，先进入高压主汽阀，此阀在汽轮机运行时，阀门全开，对高压蒸汽的节流影响很小；然后进入调节阀，控制系统操纵调节阀阀杆升程控制蒸汽流量，在调节阀内高压蒸汽通过渐扩喷管节流降压，降压后的汽流被导入蒸汽管道；最后从7个绕圆周的环形钻孔渐扩喷嘴中射出，冲击调节级动叶片做功。由于主汽阀节流影响很小，本次数值模拟未考虑主汽阀。调节阀阀杆在不同的位置，对应不同的阀门开度，蒸汽在高压进汽流道中的流动状态特征是不一样的，本文采用了六个阀门开度h=4.2, 6.2, 8.2, 11.2, 14.2分别进行数值模拟并进行了比较。 调 节阀 5 主 蒸汽管道 1 进汽 2 3 4 7 6 图3 七个钻孔喷嘴位置示意图 2 物理边界与数学模型 2.1 数学模型 采用相对简单的Spalart-Allmaras一方程湍流模型，SA模型计算所需要的内存及时间比两方程模型要少很多，且容易收敛。具体方程模型与能量方程如下： ???????(??)?(??ui)?G??{(????)}?Cb2?()2?Y??S? (1) ??t?xi?xj?xj?xj?????cp?t?T???(?E)?(ui(?E?p))?[(k?)?ui(?ij)eff]?Sh （2） ?t?xi?xjPrt?xj?湍流运动粘性；G?湍流粘性生成项；Y?湍流粘性消失项； 在对N-S方程及湍流模型方程进行离散时，对流项采用三阶精度的MUSCL格式，压力项采用中心差分格式，最后采用SIMPLEC算法[4]求解压力与速度的耦合。靠近壁面的粘性底层，采用常用的壁面函数法，直接计算湍流区域，粘性底层内不设置网格节点，把与壁面相邻的第一个节点布置在充分发展的湍流区域。 2.2 边界条件 调节阀入口直接采用锅炉过热新蒸汽538℃、24.1MPa，湍流强度5%；七个高压钻孔喷嘴出口给定背压1MPa(以略高于低压汽源进汽压力确定)；固壁采用无滑移绝热边界。 ?水蒸气的比定压热熔按经验公式[5] cp?1.79?0.107??0.586??0.2?粘性系数给定值 ?＝2.5?10－523(3)
其中???T?K/1000
kg/(m.s)
3 计算结果分析
图4～图7分别显示了阀杆行程h=16.2、h=11.2、h=8.2、h=6.2四个计算工况下的表面压力分布云图。从图上可以看出压力从24.1Mpa下降到1Mpa左右（给定的背压）；压力在调节阀喷嘴段和7个钻孔喷嘴两个位置急剧降低。调节阀所承担的压降与阀门开度成反比，见图4 阀门开度h=16.2调节阀后压力为11Mpa左右，而图6 阀门开度h=8.2调节阀后压力为6.5Mpa左右。后面的蒸汽管道（钻孔喷嘴前）压力比调节阀喷嘴出口压力高，说明调节
阀渐扩喷嘴中存在激波，后面的调节阀切片压力云图进行了详细的分析。
图4 h=16.2 壁面压力分布 图5 h=11.2 壁面压力分布
图6 h=8.2 壁面压力分布 图7 h=6.2 壁面压力分布
采用一阶迎风格式进行初场计算时，流场显示钻孔喷嘴前的蒸汽管道压力比调节阀喷嘴出口的压力要高，调节阀中存在激波。随后对流项采用三阶精度的MUSCL格式，计算收敛精度达到10-4。观察发现，钻孔喷嘴和调节阀渐扩喷嘴汽流都达到超音速，钻孔喷嘴中无激波，但调节阀喷嘴中存在激波，于是对调节阀进行了压力云图切片显示，见图8～13。图8阀杆行程h=16.2喷嘴出口处有不明显的激波，图9～13喷嘴出口处存在明显的激波，越过激波线，压力突跃上升。在阀门开度比较小的时候见图11～13，切片云图显示多处激波的存在，喷嘴的喉部两边存在八字形激波系，这是由于阀门开度减小，调节级的最小面积位置上移（阀芯与扩压管最近处），整个调节阀内形成2节拉阀尔喷管，比较大的面积比导致喷嘴过度膨胀，遇到出口高背压形成多个激波系的存在。由于计算机性能的限制，没有对阀门开度更小的工况进行模拟研究。
图8 h=16.2 调节阀切片压力分布 图9 h=14.2 调节阀切片压力分布
图10 h=11.2 调节阀切片压力分布 图11 h=8.2 调节阀切片压力分布
图12 h=6.2 调节阀切片压力分布 图13 h=4.2 调节阀切片压力分布
图14～18，对调节阀阀杆不同行程，典型汽流参数进行了比较。图14显示调节阀出口的马赫数比钻孔喷嘴出口的平均马赫数要高，阀门开度越小，差距越明显，阀杆行程为4.2时，调节阀马赫数已经达到了3.14。另外，钻孔喷嘴的马赫数变化比较小，1.6～1.9之间。图15表明，钻孔喷嘴出口的温度在520～600K之间，与汽轮机低压汽源温度比较吻合，尤其是阀门开度比较小的时候。图16对7个喷嘴在不同阀门开度下，流量进行了比较，虽然1号钻孔喷嘴和汽源最近，7号钻孔喷嘴离汽源最远，但是两喷嘴流出的流量是差不多的。六个计算工况点，流量曲线都是接近水平直线。
图14 马赫数与提杆行程关系曲线 图15 出口温度与提杆行程关系曲线
