汽轮机低压排汽缸导流环改造技术 介绍 国科工创（北京）科技有限公司 中科院工程热物理研究所 2015年10月

主要内容 研 发 背 景 排汽缸设计方法的进步 预期收益及客户回收成本 导流环改造流程及工期 结 论 排汽缸改进设计及应用效果 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 研 发 背 景 排汽缸设计方法的进步 排汽缸改进设计及应用效果 预期收益及客户回收成本 导流环改造流程及工期 结 论

一、研发背景  回收透平余速动能，降低透平出口背压 蒸汽轮机排汽缸整体布置图 Tindell et.al. 1996  低压排汽缸功能: 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 Tindell et.al. 1996  低压排汽缸功能:  引导气流从末级透平流向冷凝器  回收透平余速动能，降低透平出口背压 蒸汽轮机排汽缸整体布置图

一、研发背景 理想情况下 P'c <Pc P'c ≠ Pc Pc Pc A: Exhaust Leaving Loss 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 理想情况下 P'c Pc P'c <Pc P'c ≠ Pc P'c Pc P'c A: Exhaust Leaving Loss B: Exhaust Internal Loss C: Exhaust Recovered Energy A+B+C: Turbine Leaving Energy D: Turbine Work Gain (relative to Pc) Pc: 冷凝器入口压力 P'c : 透平出口压力 汽轮机部件布置

一、研发背景 实际运行情况下 P'c >Pc Pc P'c 5 汽轮机内热力过程线 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 实际运行情况下 Pc P'c P'c >Pc 汽轮机内热力过程线 1000MW机组各部分气动损失[Toshiba,2011]

一、研发背景 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 700MW汽轮机排汽损失约占整个汽轮机损失的15%，在600MW汽轮机中排汽缸内的损失高达整个透平焓降的2%，排汽缸设计存在着改进空间。 据GE的报告：30MW汽轮机设计工况下透平出口余速动能达到750kW，如果回收1/3的余速动能，机组低压缸部分功率提高2.5%，整机功率提高0.8%；（2012） 改造排汽缸是提高汽轮机经济性极具潜力的途径

一、研发背景 传统排汽缸设计流程 特 点： 透平叶片综合设计 排汽缸选型 透平功率 末叶高度 末级排汽面积 排汽压力 排汽流量 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 传统排汽缸设计流程 透平叶片综合设计 排汽缸选型 透平功率 末叶高度 末级排汽面积 排汽压力 排汽流量 确定排汽缸结构 强度 校核 综合判定 综合判定 气动 校核 透平 设计阶段 均匀入口假设下 排汽缸设计阶段 特 点： 1.排汽缸与透平分别设计，为不同设计阶段； 2.排汽缸选型、气动性能评估过程中不考虑上级透平出口流场的影响。

一、研发背景 汽轮机低压排汽缸内导流环改造

二、排汽缸设计方法的进步 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 如何获得高性能 的排汽缸？

计算得到的压力恢复系数随透平出口马赫数的变化 二、排汽缸设计方法的进步 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 导流环对低压排汽缸气动性能的影响 Tindell, et.al., 1996 影响因素:  不同几何结构 (L-1 、 S-2)  入口条件 (均匀入口、非均匀入口) 计算得到的压力恢复系数随透平出口马赫数的变化

二、排汽缸设计方法的进步 入口流场对低压排汽缸气动性能的影响 模型入口 =0位置总压P0 和气流角 分布  = 0  = 90 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 入口流场对低压排汽缸气动性能的影响  = 0 Liu, et.al. 2003  = 90 模型入口 =0位置总压P0 和气流角 分布  实验工况A: 均匀入口 无滤网和导叶 平均入口速度：62m/s 雷诺数: 2.8 105  实验工况B: 非均匀入口 有滤网和导叶 平均入口速度: 47 m/s 雷诺数: 2.1 105 模型入口 =90位置总压P0 和气流角 分布

二、排汽缸设计方法的进步 截面  = 0处流线图 截面  = 90处流线图 Case A Case B Case A Case B 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 Case A Case B Liu, et.al. 2003 截面  = 0处流线图 Case A Case B 截面  = 90处流线图 入口条件对气动性能的影响

二、排汽缸设计方法的进步 上游透平对低压排汽缸气动性能的影响 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 上游透平对低压排汽缸气动性能的影响 Gray, et. al. 1989 Turbine design A and B result in different inflows to the exhaust, and therefore different exhaust pressure recovery. The results of model test were reliable if that the exhaust inflow conditions were simulated properly with vane and screen. Comparisons of Exhaust Pressure Recovery between Model test and Field Test with different Turbine Designs

二、排汽缸设计方法的进步 排汽缸与透平末级间相互作用： 排汽缸设计中应考虑二者流场间的相互作用。 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 透平对排汽缸的影响 排汽缸与透平末级间相互作用： 透平出口流场影响排汽缸的内部流动和扩压能力； 排汽缸的扩压性能及产生的周向不均匀流场影响透平的功率输出及可靠性； 排汽缸设计中应考虑二者流场间的相互作用。 透平 透平出口（排汽缸入口）流场 ——得到国内外主机厂逐渐、广泛认可，作为完善原设计体系的趋势。 排汽蜗壳内部流场 透平背压 排汽缸对透平的影响

二、排汽系统设计方法的进步 汽轮机低压排汽系统内导流环改造 1990´：中科院工程热物理研究所（工热所）主持了国内第一 个通流改造项目(200MW机组)，获得了国家科学技术进步二等 奖，随后组建了两个工程公司(全三维公司和全四维公司)。 1998~2001年：工热所研究人员在英国剑桥大学完成了适用 于工程应用透平+排汽缸耦合设计核心程序的开发和完善。 2003年：工热所率先提出了在末级透平+排汽缸内非定常、非 轴对称相互作用机理的研究方向。 2004~2014年：工热所申请并完成了两项国家自然科学基金 项目，提出末级透平+排汽缸相互作用规律、一体化设计方法 、设计系统，完成了模型实验及真机计算验证。 ——ASME年会将低压排汽缸的研究作为议题之一，多次选取工热所的研发文章，并收录到ASME期刊等SCI收录期刊，国际论文引用率在同类论文中名列前茅，得到国际同行和主机厂的认可。被国际会议邀请为特邀报告，具有国际话语权。

二、排汽系统设计方法的进步 2015 2008 2001 1990' 探索研究 总体目标 技术攻关 应 用 雷诺数、工质性质 流速对透平与 应 用 总体目标 雷诺数、工质性质 流速对透平与 排汽缸间相互作用 规律的影响 2015 全尺寸、全速度 湿蒸汽下 优化设计方法 新型导流环 真机验证及应用 全三维导流环 透平+排气缸 一体化设计理论 透平+排气缸 一体化设计体系搭建 及模化实验验证 2008 末级透平与排气缸 相互作用流场 机理研究 透平、排气缸 优化设计体系 非轴对称导流环 2001 不同入口流场 对排汽系统内部 流场性能影响 数值激盘模型 的完善 考虑实际透平 出口条件排汽 缸全尺度计算 真实流场下的 非叶片部件性能的 准确快速预测 1990'

流场间的相互作用— 相互作用机理 透平与排汽缸内流场相互作用机理 透 平 排汽缸 Unsteadiness of 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 透平与排汽缸内流场相互作用机理 透 平 排汽缸 Turbine Exit Flow (Swirl angle、Pt distribution） Flow non-uniformity in the Exhaust Vortical flow or Separation in Exhaust Magnitude of low frequency fluctuation in pressure on blade surface Fluctuation of blade surface pressure with the corresponding frequency Unsteadiness of exhaust flow Cp and loss in exhaust Turbine operation point Turbine work output

提出了一体化设计原则/方法，申请国家发明专利并获得授权。 二、排汽缸设计理论与方法进步 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 提出了一体化设计原则/方法，申请国家发明专利并获得授权。 一体化设计原则  避免扩压器内的流动分离。  减小排汽缸内流场的周向不均匀程度。 一体化设计方法  组织排汽缸入口流场(Proper inflow conditions to the exhaust)  改进扩压器的几何结构(Improving the geometry of diffuser)

气动优化 气动优化系统——2007年建立 start Para. DOE RSM Opt. End Parametric ICEM CFD 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 气动优化系统——2007年建立 start Para. DOE RSM Opt. End Parametric ICEM CFD CFX-Pre CFX-Solver CFX-Post 气动优化流程图

三、排汽缸改进设计及应用效果 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 ——布置不当，反而会引起损失。 ——最安全有效。

三、排汽缸改进设计及应用效果 国内外厂家最新的设计 ——日本日立公司 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 国内外厂家最新的设计 ——日本日立公司 通过增加各种导流板，将扩压器顶部进入蜗壳的气流与其它部分气流分开。（ASME2012） 优化后的三维模型 优化结构实验模型及性能 通过1/15模型实验：优化结果比原结构压力恢复系数提高12%，总压损失降低9%。

三、排汽缸改进设计及应用效果 国内外厂家最新的设计 —— GE 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 国内外厂家最新的设计 —— GE GE 针对排汽缸搭建了自动优化设计平台，并对扩压器端壁结构进行优化设计，和初步的数值验证。（ASME 2012） 排汽缸优化设计参数示意 导流环优化前后性能对比 优化结果比原结构压力恢复系数提高22%。

三、排汽缸改进设计及应用效果 国内外厂家新的设计 —— Alstom 尝试采用EDS改进设计排汽缸内的扩压器，并进行了实机测量。(2011) 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 国内外厂家新的设计 —— Alstom 尝试采用EDS改进设计排汽缸内的扩压器，并进行了实机测量。(2011) 1000MW机组低压排汽缸结构 导流环优化前后性能对比 通过改进1000MW核电机组末级透平叶片和扩压器气动设计，使单机出功率增加35MW，其中收益于扩压器改造的接近一半。

三、排汽缸改进设计及应用效果 国内外厂家新的设计 —— 日本三菱公司 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 国内外厂家新的设计 —— 日本三菱公司 日本三菱AP 1000汽轮机排汽缸导流环采用周向不对称结构，哈尔滨汽轮机厂进行了数值计算，认为气动性能较好，该型导流环更适应实际流场。（2015） 低压缸纵剖图 排汽缸模型 排汽缸扩压通道流线图及性能

三、排汽缸改进设计及应用效果 国内外厂家新的设计 —— 上海汽轮机厂 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 国内外厂家新的设计 —— 上海汽轮机厂 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。（2014） 导流环/锥优化参数 导流环/锥优化流程

三、新技术的开发及应用效果 中科院工程热物理研究所单级透平+排汽缸实验台 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 中科院工程热物理研究所单级透平+排汽缸实验台 ——国内外首台，目前国内唯一。能模拟实际末级透平与排汽缸间相互作用流场，可用于机理研究、设计方法校核、透平/汽缸气动优化设计验证等。 实验整体布置示意图

三、新技术的开发及应用效果 实验装置 测试部分 实验装置 透平轴系 真实机组末级透平+排汽缸+发电机模型 透平半叶高处型线 4 发电机 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 实验装置 透平半叶高处型线 测试部分 发电机 4 真实机组末级透平+排汽缸+发电机模型 单级透平 透平轴系 实验装置

One of 3D diffuser casings 三、新技术的开发及应用效果 28 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 我们的设计 开发了全三维导流环结构，应用于300/600排汽缸，在90%~60%设计流量下，压力恢复系数提高100%左右。 模型实验验证结果 Diffuser casing A One of 3D diffuser casings Performance maps of the two exhaust hood with different diffuser casing

三、新技术的开发及应用效果 各家改进设计效果对比 三维导流环结构的改进效果达到国外先进水平。 厂 家 日立 GE Alstom IET 厂 家 日立 GE Alstom IET 改进措施 加导流板 优化导流环 优化导流环+非轴对称 三维导流环 压力恢复系数提高 绝对值 - 约0.2 0.2~0.3 百分比 12% 22% 100% 注：压力恢复系数提高百分比=(新压力恢复系数-原压力恢复系数)/原压力恢复系数 三维导流环结构的改进效果达到国外先进水平。

四、投资回报 预期收益 投资回报期 以300MW机组为例，煤耗降低1.4克。按400元煤价，5000发电小时计算，年收益84万元。 汽轮机低压排汽缸内导流环改造 预期收益 功率 末级蒸汽量 排汽余速动能损失 改后压力恢复系数 多回收的排汽动能 降低的热耗 电煤发热量 节煤量g/kwh 300MWh 700 t/h 45 kJ/kg 0.3 15 kJ/kg 35 kJ/kWh 25 kJ/g 1.4 600MWh 1100t/h 27.5 kJ/kWh 1.1 注：末级蒸汽量依据制造厂热平衡图数据。 以300MW机组为例，煤耗降低1.4克。按400元煤价，5000发电小时计算，年收益84万元。 投资/收益=4年 投资回报期

五、导流环改造流程及工期 15天 约33天 4~6天 15天 1~2天 25天 开 缸 收集图纸、机组运行参数 改造前 性能核算 末级透平、排汽缸图纸 机组运行参数 改造前 性能核算 4~6天 15天 判断导流环 是否需要改造？ 开缸核实装配尺寸确定最终设计 初步设计 1~2天 厂家制造、运输 安 装 25天 结 束 开 缸

四 结 论 汽轮机低压排汽缸内导流环改造

请领导、专家批评指正! 国科工创（北京）科技有限公司 程晓鹏：13810301063