燃气轮机排气烟道内部流场模拟与流动阻力分析

第26卷第1期2010年2月上海电力学院学报JournalofShanghaiUniversityof皿ectricPower文章编号∞6-4729(2010)01-∞15-04Vo1.26,No.lFeh.2010燃气轮机排气烟道内部流场模拟与流动阻力分析方伟，梁松彬，任建兴(上海电力学院能源与环境工程学院，上海2α阳)9)摘要:研究了燃气轮机过渡烟道内烟气的均匀性问题.通过对烟道内烟气流动的数值模拟计算，分析了出口界面的烟气流动速度，明确了烟道结构形式对烟气流动速度均匀性的影响.提出了局部阻力计算的改进方法，以期在改变燃气轮机过渡烟道的烟气均匀性的同时，也改善烟道的局部阻力.关键词:燃气轮机;过渡烟道:速度均匀性;局部阻力中固分类号:TK472+.5文献标识码AAnalysisoftheFlowResistanceCalculationofFlueGasofGasTurbineFANGWei,UANGSong-bin,RENJian-xing(&Iwol0/Therm.alPowerandE1WironmentalEi咱inee.而略，8，缸ng归iUnit昭Tsity0/Electricp，侃用r，Shanghai11αm拥，China)Abstract:TheunifonnityofthefluegasintheductbetweengasturbineandHRSGisstudied.Throughthenumericalsimulationofvelocityoftheflueg.描isanalyzed.币leanalysisofthevelocityoffluegashelpstoknowtheresultofthevelocityoffluegasindifIerentstructuresofduct.咀leimprovedcalculationmethodsoflocalresistance缸它propo崎dtowelldistributethevelocityoffluegasingasturbinefluegasductaswell描todecreasethelocalresistance.Keywords:gasturbine;flueduct;speedunifonnity;localresistance燃用天然气和燃煤的燃气轮机联合循环发电机组已成为中国电力工业中的一个重要组成部分.2∞6年我国开始组装9E机组，并在同年投入试运行.现在更大型的9FA机型也在国内得到广泛应用.但是，在燃气轮机的大型化过程中也出现了一些需要解决的技术问题，其中，作为连接燃气轮机和余热锅炉的必不可少的组件，过渡烟道的金属风道长期在高温、高速、大流量的环境下，剧烈收稿日期:2朋-07-俑振动对风道的稳定和寿命都有很大的不利影响.漏风会减少余热锅炉的有效热利用率，降低机组的效率.因此，研究过渡烟道内部流场与流场阻力显得十分重要.1过渡烟道的结构对流体速度均匀性的影晌过渡烟道的特殊位置决定了其特殊的结构形式，图1显示的是过渡烟道的截面形状.燃机排气作者简介:方伟(1982-)，男，在读硕士，安徽和县人.主要研究方向为燃气轮机烟道流场优化.E-mail:[e-mail].基金项目:上海市科委能力建设基金(081ω5124∞).16上海电力学院学报2010年口与锅炉受热面尺寸相差较大，中间需要有过渡烟道相连.过渡烟道连接着燃气轮机的出口，高温高压的烟气，开始在渐扩段射流，在这里压力和速度发生陡然变化.这种变化对高温下风道的影响是不利的，会产生剧烈的振动和明显的热胀.高频的振动对机组的可靠性影响较大.这些都是由于烟气在各个方向上的速度梯度不均匀，造成了压力梯度的不同引起的.因此，改变速度的不均匀性，对于减少振动也是有利的.烟气进口•旦主坐旦，图1过渡烟道的截面形状随着燃气·蒸汽联合循环发电机组的大型化，燃气轮机(燃机)排气量不断增加，如7EA级燃机排气量约为292kg/s，9E级燃机排气量为418kg/s，9F级燃机排气量约为641kg/s.随着燃机排气量的增加，余热锅炉的容量和体积也不断增大[1]对于燃气轮机来说，由于受场地及费用限制，过搜段不可能很长;对余热锅炉来说，进入受热面的烟气流速越均匀越好.因此，如何使进入锅炉的烟气均匀，是设计大型燃机余热锅炉必须解决的问题.目前，已有很多公司和学术机构对这一课题进行了数值计算及模化试验[2]GE公司在燃气轮机的研发方面取得了很多成果，生产的功率为126MW的9E和255.6MW的9FA系列机大多用于联合循环电站，主要是作为具有良好经济性、带基本负荷和中间负荷的机组.以排气烟道为对象，建立数值模型来研究内部烟气的流动特性.对于特定的烟道，选用结构型分割法进行网格划分，分割得到210仪附个左右分割体.烟风道中的流动一般是揣流流动，其详细结构的理论描述和计算都比较复杂，目前工程上都采用揣流模型的方法模拟揣流的整体特征.采用标准的k-e模型模拟烟道中的揣流流动.假设烟风道中的烟气流动为定常不可压流动，可采用式(1)的通用控制方程来描述:ð(~ðø\一(酬ø)=一Ir~I+s.ðx,'rr-'-'ðx飞ðx，I揣流动能k方程:、‘，/···A，，‘、。8伞ðeðer{η，\ðel_ρ一+ρUk一一=一-::-1Iη+一l一一11ðt~•ðXkðXkL飞1σeIðXkJ旦三生d也』EELLnnjk.ðXj飞ðXj-ðxi'-æ-k耗散率ε方程:ðkðkðkr{η，\δk1.p一+ρ吼一一=一一1Iη+-=-I~I1。rJδXjðXjL飞σkIσxjJ。Ui(ðuiðUj、s瓦飞苟+豆豆;!-m式中:C1=1.44,C2=1.92.(2)(3)2模拟结果分析当过被烟道上面板的仰角为370时，可以看到底部的速度是22.6m/s，顶部的速度只有1.74m/s左右.流场的充满度比较充足.如图2所示当上面板的角度增加到45。时，模拟划分为159565个单元体.底部的速度为21.0m/s，顶部的速度小于1.61m/s.流场的充满度减少.如图3所示.固2上面板角度37。对困3上面板角度450对烟气速度的影响烟气速度的影响由图3可知，当上面板的角度增加到45。时，烟道上部的烟气流速变得更小，中部以下的烟气流速比上部的烟气流速大5m/s以上，烟道内部的烟气流动很不均匀.初始段的均匀度很好，但是出口段截面的速度差别很大，对余热锅炉的管束传热不均匀.为了得到均匀的流速，我们试图在进口处增加两块导流板，其仰角分别为20。和100，上面板的角度仍为450，如图4所示.由图4可以看到，增加了导流板后，烟道内的流体均匀性有了很大的提高，但增加了烟道结构的复杂性和烟道的阻力，这为长期的满负荷运行带来了安全隐患.另外，在烟道进口处增加导流板后能有效改方伟，等:燃气轮机排气烟道内部流场模拟与流动阻力分析17变整个烟道内烟气的速度场:烟道中部和下部的流速减小，中上部的烟气流速得到了一些加强，整个烟道的出口截面的速度均匀度得到了改善.但这一结果是在增大烟道的局部阻力的前提下得到的，因而仍需作改进.图4上面板角度为45。时增加的两块导流板对烟气速度的影响3烟道局部阻力对烟气流动的影晌虽然紊流中的瞬时值随时间是无变化规律的，但其时均值却是有变化规律的.时均值不随时间改变的紊流流动被称为准定常紊流[3]紊流流动中，管道流阻一般分为沿程阻力和局部阻力.由于粘性，各流层之间产生的内摩擦阻碍了流体的运动，为了克服这种内摩擦阻力所损失的机械能被称为沿程阻力损失或沿程损失.它是一种沿管道长度上的能量损失.另外，在管道系统中，由于管截面面积的突然变化、弯管流动，以及其他管路配件所产生的机械能损失，被称为局部阻力损失或局部损失.它是由流体之间碰撞、掺?昆、涡流与流速变化引起的，这部分损失在燃气轮机管道中是主要的，也是需要研究的重点.在燃气轮机进气管道中，流程损失约占总损失的20%，弯管的损失约占进气系统损失的2/3(它的损失一般都应由模型试验确定).在工程设计中，异形件的阻力系数越准确，所导致的设计偏差就越小，从而可以减少建设投资和运行费用.林宗虎等通过对电厂烟风道异型件的阻力特性进行数值和实验研究，提出部分常用异形件的阻力系数的工程计算模型和计算方法，为燃气·蒸汽联合循环发电机组烟风道的设计提供了更加可靠的依据[4]4局部阻力的计算方法燃气轮机的烟气出口都是圆形的，因而连接燃气轮机和余热锅炉的是天圆地方的突扩过技烟道.这是一个特殊的管道，其阻力计算没有现存的任何方法.烟风道阻力计算是火力发电厂设计的重要环节之一，其计算结果是设备选型、截面尺寸选择，以及管道布置的依据，也关系到烟风系统的造价和运行的经济性.在常规的工程设计过程中，烟风管道阻力计算的主要依据是相关的设计规范和手册，并根据管道的布置'情况，通过查阅相应的设计图表来完成的.现已逐步由原来的手工计算发展成为部分或完全由计算机计算，这样既提高了工作效率和计算的准确性，又便于归档，同时也缩短了设计周期.然而在设计过程中经常会遇到一些特殊的部件，如图5中的圆方节，在通常的设计手册中并未给出相应的阻力系数或计算方法.图5圆方节模型异形件是烟风管道连接系统中达到介质转向和分配必不可少的组成部分，其压头消耗份额占系统阻力的很大部分，甚至是绝大部分.优良的异形件不但能减少阻力损失，而且能在运行中避免震动和噪音[5]因此，异形件阻力计算已经成为目前电厂烟风道设计中迫切需要解决的难题.国外在这方面的研究相对比较系统，如美国、德国和前苏联都积累了一定的数据或标准.很多著名厂商或公司都很重视异形件的实验研究、理论计算，以及优化异形件设计，研究成果中的一部分已形成了标准异形件设计手册供工程设计人员选用，也有一些研究成果成为商业机密而不公开发表.目前，我国燃煤电厂烟风道异型件的设计仍采用国外提供的经验数据或者规范.东南大学能源与环境学院在这方面做了一些研究，把圃方节进口雷诺数的平方与压力损失进行拟合，结果表明，压力损失与雷诺数的平方成正比[6]18上海电力学院学报2010年5结论(1)在改变烟道的上面板仰角的同时，会增加过渡烟道的局部阻力和沿程阻力，增大过渡烟道建设场地.(2)减小烟道上面板的倾角有利于改善出口界面的烟气流速均匀性.(3)增加导流板并适当增加上面的倾角，在节约场地的基础上可改善出口烟气流速的均匀性.参考文献:[1]MASLAKChrisE,TOMLINSONLeroyO.GECombined-Cycle{上接第7页)警触发激活诊断程序)使其运行.固3磨煤机故障自诊断定位软件的组态得到的自诊断结果，如图4所示.图4磨煤机满煤自诊断定位效果Experience.GEIndustrial&PowerSystems.Schenectady,NY12345.GER-365ID[P/OL].2:α)().回凹/pl咽ducts/.[2]赵剑云，潘维，池作和.大型燃气轮机余热锅炉进口烟道速度均匀性研究[J].热力发电，2∞4，33(8):37-40.[3]潘维，池作和，斯东波，等.匀速流体横掠管束的流场数值模拟[J].浙江大学学报，2:仪)4，(8):1043-1046.[4]林宗虎，徐通模.实用锅炉子册[MJ.北京:化学工业出版丰士，1999:821-843.[5]国家电力公司华东电力设计院.火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程[M].北京:中国电力出版社，2创附:3745.[6]杨巨)11，方洪祖.国外的燃气轮机和蒸汽燃气联合装置[1].燃气轮机技术，1989，(3):69-73.4结束语报警触发式故障自诊断定位系统的开发，可使运行人员在集控室准确监视各运行参数的同时，通过预览报警信息或报警窗，选择所需要的报警状态进行故障定位，并可立即采取处理措施，避免事故的发生或扩大，减少不必要的设备损坏和运行事故，这对提升火电厂自动化水平具有重要意义.参考文献:[1]朱大奇，于盛林.基于知识的故障诊断方法综述[J].安徽工业大学学报，2∞1，19(3):19