利用长喉部射水抽气器排水余能带抽轴封冷却器的设计研究.pdf

2 0 1 O 年第2 期 索言 浇扮按 DoNGF ANG TURBI NE 3 3 廖奕奇 ( 东方汽轮机有 限公 司，四川 德 阳，6 1 8 0 0 0) 摘 要 ：分析了长喉部射水抽气器和轴封系统的工作特性，首次在双抽汽凝汽式3 5 M 1 v 汽轮机中成功应用长喉部射水抽气 器 的排水余 能带抽轴封冷却器 ，使汽轮机 的轴封 系统 简化 、经济、安全可靠 。 关键词：长喉部射水抽气器；设计；研究 R e s e a r c h o n L o n g N e c k Wa t e r J e t E j e c t o r D u mp En e r g y Us e d t o Ex t r a c t Gl an d St e am Con d e n s e r De s i gn Li a o Yi q i ( D o n g ~n g T u r b i n e C o ． ， L t d ． De y a n g S i c h u a n 6 1 8 0 0 0 ) A b s t r a c t ： T h i s a r t i c l e a n a l y z e s c h a r a c t e r i s t i c o f l o n g n e c k w a t e r j e t ~ e c t o r a n d s e a l i n g s t e a m s y s t e m． T h i s l o n g n e c k wa t e r j e t e j e c t o r i s t h e fi r s t S u c c e s s a p p l i c a t i o n u s e d f o r 3 5 MW d o u b l e e x t r a c t i o n c o n d e n s i n g s t e a m t u r b i n e ． T h e d u mp e n e r g y o f l o n g n e c k w a t e r j e t e j e c t o r i s u s e d t o e x tr a c t t h e g l a n d s t e a m c o n d e n s e r ． Ma k e t h e g l a n d s e a l i n g s t e a m s y s t e m s i mp l i fi e d ， e c o n o mi c ， s a f e t y a n d r e l i a b l e r u n n i n g ． K e y w o r d s ： l o n g n e c k wa t e r j e t e j e c t o r , d e s i g n ， r e s e a r c h 0引言 在汽轮机 的轴封系统 中，对采用长喉部射水 抽气器带抽轴封冷却器，各汽轮机制造厂～直持 谨慎态度 。东汽在3 5 M W 双抽汽机组设计中 ，经过 对真 空系统和轴封系统 的全面分析 ，决定采用长 喉部射水抽气器的排水余 能带抽轴封冷却器设计 方案 。经装于印度尼西亚5 台3 5 M W 双抽汽机组多年 运行 实践表 明，不仅使系统简化 ，减小 了一套轴 封抽汽设备 ，节约 了工程投 资，同时，轴封冷却 器和凝汽器的工作压 力稳定，并满足机组的各种 变工况运行 ，达到 了设计要求。 长喉部射水抽气器及其系统 在2 0 世纪7 0 年 代末至8 0 年代初 ，东汽研制 出 长 喉部射 水抽 气 器 ，因其 单位耗 功低 、经 济性 高 、噪音小、结构简单、工作稳定 、制造方便 、 安全可靠 ，很快在 国内推广 ，应用在各种容量 的 作者 简介 ：廖奕奇 ( 1 9 5 2 一 )，男，高级工程师，1 9 7 7 年毕业于西安交通大学涡轮机专业 ，长期从 事汽轮机辅机 设计开发工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m } 圣 吉 汔扮揍 }DONGF ANG TURBINE 机组上 。长喉部射水抽气器 的布置标高仅l m ( 即 抽气器 喉部出口截面与水池水面的距离) ，其 出口 背压较高 ，通常设计成0 ． 0 9 ～0 ． 0 9 7 M P a 。因此 ， 能否采用长喉部射水抽气器 的排水余能带抽轴封 冷却器一直悬而未定 ，各汽轮机制造厂均持谨慎 态度。长喉部射水抽气器及其系统见图l 。 图1长喉部射水抽气器及系统 2轴封系统配置抽汽设备的几种方式 2 ． 1射汽式轴封抽气器 采用射汽抽气器 的真空系统 ，除必须配置启 动抽气器 、主抽气器之外 ，还需专 门配置射汽式 轴封抽气 器来维持轴 封冷却器的压力 ，这样就增 加 了汽轮 机 的耗 汽量 。系统 也显 复杂 ，投 资增 加 。轴封抽气器及系统见图2 。 图2轴封抽气器及 系统 2 0 1 0 年第2 期 统中的汽一 气混合物 。这种方式可节省一套专用的 轴封抽气设备，简化轴封抽气系统。但当汽一 气混 合物量与排水量之比高到一定程度时 ，将会改变 排水的密度 ，影响射 水抽气器 吸入室真空，降低 其抽吸能力。若采用长喉部射水抽气器排水余能 抽吸轴封系统中的汽一 气混合物时，还需考虑选取 合适的抽气器布置标高。长喉部射水抽气器带抽 轴封冷却器及系统见图3 。 图3射水抽气器带抽轴封冷却器及 系统 2 ． 3轴封风机 采 用离心式轴封风机作为轴封抽气设备来抽 吸经轴封冷却器冷却后剩余的汽一 气混合物， 并使 轴封 冷却器 内维 持一 定的负压 。它 具有系 统简 单、操作方便、运行可靠 、经济性好等优 点。由 于轴封风机是一种高扬程 、小流量 的离心式通风 机 ，一般在2 0 0 M W 以上的大型汽轮机中应用较多。 轴封风机及系统见 图4 。 图4轴封风机及系统 2 ． 2射水抽气器 当汽～ 气混合物量 ．与 排 水 量 _ 定 3 轴 封系 统 配 置的 各 种 抽气 设 备 之经 时 ，也可采用射水抽气器排水余能来抽吸轴封系 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 O 年第2 期 济 比较 ( 见表1) 表1轴封系统配置的各种抽气设备之经济 比较 由表 1 可 以看 出，在 同一轴封系统中，射汽式 轴封抽气器的耗功最大 ，费用最高。轴封风机次 之。射水抽气器耗功最低 ，最经济 。虽然轴封风 机 的费用较少，但这种高扬程、小流量 的离心式 通风机 ，在小机组上应用技术难度较大 。 4长喉部射水抽气器 的排水余能带抽 轴封冷却器 的设计和分 析 4 ． 1排水余能带抽轴封冷却器的设计可行性分析 由于长喉部射水抽气器 的喉部较长 ，布 置标 高一般为1 m ，比短喉部射水抽气器的布置标 高低 了许多。相应的设计背压一般在0 ． 0 9 ～0 ． 0 9 7 M P a 范 围内。比短喉部射水抽气器 的背压高得多。能否 利用长喉部射水抽气器排水余能抽吸轴封 系统 中 汽一 气混合物 ，则成 了值得研究 的问题。如果在 降 低排水背压上作一些研究分析 ，这一技术 问题是 可以解决的。 轴封冷却器的维持压力为0 ． 0 9 5 M P a ，在抽气 器的结构 、设计参数 已确定的情况下 ，如何设计 排水背压值是一个十分重要的 问题 。排水背压设 计过高，抽汽一 气混合物的能力不足，而排水背压 过低 ，则会 影响吸入室真空，降低其抽吸能力。 若在轴封冷却器压力值0 ． 0 9 5 M P a 的基础上，考虑 抽气管道阻力，并考虑变工况运行时压力变化等 因素 ，留用一定余量，就能确定一个合适的长 喉 部射水抽气器排水背压和布置标高 。利用这个排 水背压来维持轴封冷却器 的压力0 ． 0 9 5 M P a ，是能 实现 的。 4 ． 2选取适当的布置标高确定合适的设计背压 圣言 汽输嵌 DONGF ANG TURBI NE 3 5 布置标 高直接影响到排水背压 的高低 。布置 标高H 与排水背压P c 的关系见表2 。 表2布置标高与排水背压的关系 由表2 可 以看 出，布置标高过低 ，排水背压过 高 ，有可能满足不 了轴封冷却器里的压力要求 。 布置标高过高，排水背压过低 ，有可 能影响射水 抽气器的抽吸能力 。随着标高增加 ，使得工作水 的提升高度增加 ，耗功增大。但适 当增加布置标 高 ，虽然耗功有所增大 ，但既能保证轴封冷却器 在各种运行工况下 的压力要求 ，又节省 了一套抽 气设备，在经济上是合算的。 4 ． 3布置标高的确定 根据3 5 M W 双抽汽机组轴封冷却器里的工作压 力和 抽气管N~ IIE 水管的阻力 ，特确定布置标高为 1 ． 5 m ，排水背压为0 ． 0 8 7 M P a 。 长喉部射水抽气器 的设计 5 ． 1设计参数 抽吸 压力 0 ． 0 0 7 1 6 M P a 抽气量3 5 k g ／ h ( 凝汽器 内干空气量 ) 工作水温3 3 ℃ 工作水压0 ． 2 8 M P a 凝汽器压力0 ． 0 0 8 2 M P a 布置标高1 ． 5 m 排水背压 0 ． 0 8 7 M P a 5 ． 2计算方法 利用东汽 长喉部射水抽气器试验 总结并修正 后 的计 算方 法进 行 计算 ，抽 干 空气 量3 5 k g ／ h ， 抽 吸压力0 ． 0 0 7 1 6 M P a ，单位 耗功 1 ． 2 k W ／ k g ／ h 。计 算 结果表 明，在工作水温较高 的情况下 ，抽气器 的设计性能与凝汽器 的设计性能相匹配 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 l 圣 言 汔 粉按 I DONGF ANG TURBI NE 5 ． 3结构设计 采用单喷嘴长喉部，水室采用上大下小 的锥 体形状 ，使工作水平稳流动 ，减少阻力，在喷嘴 前容易建立压力 ，整个水室采用焊接结构。 吸入室采用整体焊接结构 ，为 了保证高速水 流在吸入室 内建立真空 ，总容积设计成0 ． 1 5 m 。 。 喷嘴出 口截面与混合物抽气管中心线平齐 ，有利 于高速水流带动混合物在水柱表面快速运动 ，进 2 0 1 0 年第2 期 入喉部混合扩压 。 喉部采用成型钢管。为了减少汽水混合物的 扩压损失，钢管 内表面采取喷砂处理。 6长喉部射水抽气器的性能试验 该长喉部射水抽气器进行 了实物性能试验 ， 各参数达到了设计要求。其试验数据见表3 。 表3长喉部射水抽气器性能试验数据 7现场调试 长喉部射水抽气器在现场 安装完毕后，必须 进行机组试运前的调试 。此时，汽轮机未启动 ， 凝汽器未通冷却水。 ( 1 ) 在轴封未送汽 ，凝汽器处于大气压力下 的 调试数据见表4 。 表4在轴封未送汽，凝汽器处于大气压 力下的调试数据 ( 2 )在轴封送汽时，射水抽气器排水管不带 抽轴封冷却器情况下的调试数据见表5 。 表5在轴封送汽时，射水抽气器排水管不带抽轴封冷却器情况下的调试数据 ( 3 )在轴封送汽时，射水抽气器排水管带抽 轴封冷却器情况下的调试数据见表6 。 表6在轴封送汽，射水抽气器排水管带抽轴封冷却器情况下的调试数据 由表5 与表 6 可 以看 出，射水抽气器排水管带 抽轴封冷却器后，吸入室压力升高了0 ． 0 0 5 M P a ，也 就是说：射水抽气器带抽轴封冷却器后 ，对吸入 室的压力有一定的影响。但在 以上三种情况下， 均 已满足机组启动运行要求。 8长喉部射水抽气器的运行 试运前的调试只是在短暂时间内进行的，射 ( 下转第5 0 页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 I 圣 玄 乞 粉 揍 l DONGF ANG TURBI NE 措施可 以有效地降低 叶片的工作温度 ，使叶片外 壳温度低于材料的允许工作温度，从而保证 叶片 安全可靠地工作。计算结果表明，该机型静 叶的 复合冷却方式与结构布置 以及冷却气体工作参数 的选择是基本合理的，但是，叶片壳体温度分布 的均匀性 尚有可改进之处。 4结论 本文所得 出的第一级静 叶的换热特性计算结 果具有一定的近似性 ，但 总体上是合理 的。所采 用的计算叶片外侧燃气与内侧冷却空气 的对流换 热系数 的方法可 以用作分析 叶片热负荷分布与冷 却要求 的计算手段 ，所发展 的冷却叶片温度分布 的计算方法可作为燃气轮机 冷却静叶片的初步结 构设计与冷却性 能评估的 汁算手段 ，得 出的某大 型燃气轮机透平 第一级静叶换热特性及冷却性能 的分析结果对消化与掌握燃气轮机透平 叶片冷却 技术具有参考价值 。 2 0 1 O 年第2 期 参考文献 [ i 】 王 强 ． M 7 0 1 F燃 气轮 机 的 结 构 特 点 U 】 ． 东方 电 气评 论 ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 4 ) ： 1 7 9 —1 8 6 [ 2 】 陶文铨数值传热学[ M】 ．西安： 西安交通大学出版 社 ． 1 9 8 8 [ 3 】Hy l t o n L D， Ni r ma l a n V， S u l t a n i a n ， e t a 1 ．Th e Eff e c t s o f Le a di ng Ed ge a nd Do wn s t r e a m F i l m Coo l i ng on Tur b i ne V a n e He a t T r a n s f e r [ R] ． N AS A， 1 9 8 8 【 4 】 张成利， 俞茂铮 ， 王新 军 ，等．燃 气轮机二 次空气 系统 的设计要求与布置特点分析【 c】 ．中国电机工程学会 第九届青年学术会议论文集．北京： 中国水利水电出 版 社 ． 2 0 0 6 【 5 ] 曹玉璋．航空发动机传热学【 M1 ．北京：北京航空航 天大 学出版社 ．2 0 0 5 【 6 】 F l o r s c h u e t z L W ， T r u ma n C R， Me t z g e r DE ． S t r e a mw i s e f l o w a n d h e a t t r a n s f e r d i s t r i b u t i o n s f o r j e t a r r a y i mp i n g e n t wi t h c r o s s fl o w[ J ] ． AS ME J o u r n a l o f He a t T r a n s f e r ， 1 9 8 1 ， 1 03 ：3 3 7-3 4 2 【 7 】 J u b r a n B A ， Ha md a n MA ， A b d u a l h R M ． E n h a n c e d h e a t t r a ns f e r ，mi s s i ng pi n，a nd op t i n fiz a t i on for c y l i nd r i c a l pi n fi n a r r a y s [J ] ． A S ME J o u r n a l o f He a t T r a n s f e r ， 1 9 9 3 ， 1 1 5 ： 5 76 —5 8 3 ( 上接第3 6 页) 间运行之考验。 水抽气器带抽轴封冷却器是否能长期运行 ，还需 汽轮机正常运行时，射水抽气器带抽轴封冷 要在机组带一定负荷 工况下进行7 2 d , 时或更长时 却器运行时的数据见表7 。 表7．； 气- 1 , 轮机正常运行时，射水抽气器带抽轴封冷却器运行时的数据 射水抽气器工作参数 运行数据 水压( a ) 水温 ( ℃) 汽机负荷( M w ) 射水抽气器吸入室压力( M P a )凝汽器压力 ( a )轴封冷却器压力( a ) 0． 2 5 33 3 5 0 ． 00 7 2 0． 00 81 0． 09 3 5 以上数据表 明，长喉部射水抽气器带抽轴封 冷却器完全能够满足3 5 M W 双抽汽机组的真空系统 和轴封系统 的运行要求 ，并与凝汽器性能完全匹 配 。 9结论 ( 1 )利用长喉部射水抽气器排水余能抽吸轴 封系统中汽一 气混合物在3 5 M W 双抽汽机组中获得 了 成 功 ， 并经 过 了长 期运 行 的 考 验 ， 为汽 轮机 的轴 封系统中配置抽汽设备开创了新路子。 ( 2 )采用长喉部射水抽气器排水余能抽吸轴 封系统中汽一 气混合物的设计关键是布置标高H 与 排水背压P c 的合理选择 。 ( 3 )这一成功经验 ，可以推广 到2 o 0 ~ n v 以下 容量 的机组中应用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m