深度调峰下核电汽轮机的小容积流量工况浅析

高清林，高嘉锜，黄 朵，黄庆专，陈敦炳

（1.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000；2.国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建 泉州 362000；3.福建华电邵武能源有限公司，福建 邵武 354000）

0 引言

随着我国能源结构向低碳绿色优化转型，核电得以了快速发展，光电和风电更是以其可再生、零碳排放等无可比拟的绝对优势呈爆发式增长。这些新能源的迅速崛起，为社会提供了更多的清洁电力，但光电和风电间歇波动性的特点也给社会用电需求放缓形势下的我国电网带来了更大的调峰压力，部分地区电网在负荷低谷时段因备用容量严重不足，电网中占比越来越大的核电机组不得不长期低负荷运行参与深度调峰。

核电汽轮机的低压末几级（特别是最末级）属大扇度级，其径高比（θ=db/lb）较小，在低负荷下运行时很容易落入小容积流量工况，可能导致级由透平工况变为鼓风工况，使级的有效功率变为负值，低压缸排汽温度急剧升高，末级动叶出口边遭受水冲蚀，叶片振动加剧，甚至诱发叶片颤振等等，这些都将严重影响着核电汽轮机的安全经济运行。

1 小容积流量工况下级的流动特性

1.1 小容积流量工况

汽轮机变工况运行时，流经某级喷嘴和动叶的容积流量可用相对值分别表示如下：

式（1）、（2）中：G、G1—分别表示设计工况和变工况下级的蒸汽质量流量，kg/s；v1、v2与 v11、v12—分别表示设计工况和变工况下喷嘴和动叶出口蒸汽的比容，m3/kg[1]。

在容积流量减小的变工况过程中，蒸汽在大扇度级内流动情况的变化如图1所示。图1（a）为径高比θ=2.6、喷嘴出汽角 α1=20 °=常数、平均反动度Ωm=0.46的级的流线随容积流量的变化情况：当Gv2=0.97时，接近设计工况，流线顺畅；当Gv2=0.65时，动叶后根部开始形成涡流并沿圆周方向运动，动叶根部的流线也开始上倾，并出现脱流现象；当Gv2=0.50时，动叶根部的流线进一步向上倾斜，动叶后根部的涡流区域和脱流高度都增大；当Gv2=0.37时，不但动叶后根部的涡流区域和脱流高度更大，而且级内静、动叶间轴向间隙外缘也出现了沿圆周方向运动的涡流，喷嘴中的流线也开始下倾，动叶中的流线上倾继续加剧；当Gv2=0.04时，动叶后的涡流几乎占据了整个叶高，动叶内的流线严重向上倾斜呈对角线，静、动叶间轴向间隙的涡流也扩大到了大部分叶高[2]。图1（b）为某核电汽轮机末级的流线随容积流量的变化情况：当Gv2=0.41时，叶根子午线明显上倾；当Gv2=0.24时，叶根脱流高度超过1/3叶高，静、动叶间间隙外缘的涡流沿轴向深入喷嘴[3]。

图1 容积流量减小时大扇度级内的流线变化

由图1可见，在Gv2的减小过程中，都是动叶后根部先出现涡流并在叶根出现脱流，进而这一涡流区域和脱流高度都增大，然后静、动叶间轴向间隙外缘也开始出现涡流，再后这两个涡流都增大。在容积流量减小过程中，动叶根部开始出现脱流及其后容积流量更小的的工况即为级的小容积流量工况[4]。

如图2为某核电汽轮机末级实测的流线图，该实验证明了容积流量进一步减小时，脱流会发展到前面的级，即脱流沿径向和轴向的深度都将随Gv2减小而加剧[3]。

图2 某核电汽轮机末级流线图

1.2 小容积流量工况下级内涡流产生的原因分析

由流体力学可知，产生涡流的必要条件之一是出现轴向扩压流动，因此，涡流必将发生在轴向扩压区（dp/dz＞0，z为轴向）[5-7]。

对小容积流量工况下的某大扇度级进行计算，得到如图3所示的压力沿径向和轴向分布曲线。由图3（a）可见，在同一级内，静叶出口压力p11、动叶进口压力和动叶出口压力p21沿叶高由叶根向叶顶都在逐渐增大，但增大得比p11和p21都快，以致于沿叶高由叶根向叶顶，动叶进口与静叶出口之间的压差逐渐由负值变为正值，在β1g=90°的动叶截面上p′11=p11，如图中点A所示，而动叶出口与进口之间的压差（p21-p′11）却逐渐由正值变为负值。因此，在小容积流量工况下，静、动叶间轴向间隙外缘存在的轴向扩压区Ⅱ，动叶根部也存在p21＞p′11的轴向扩压区I。图3（b）表示静压力沿级的外缘（pt）和根部（pr）的分布情况，该图也证明了静、动叶间轴向间隙外缘的压力和动叶根部的压力沿轴向都是增大的，进一步验证了这两处必然要产生涡流。计算结果表明，容积流量越小，压差越大，静、动叶间轴向间隙外缘和动叶根部处的涡流越严重。

图3 小容积流量工况下级内压力沿径向和轴向分布曲线

1.3 小容积流量工况下级做功能力的变化

在小容积流量工况下，随着Gv2的进一步减小，级的比焓降Δht和喷嘴出口速度c1急剧下降，而圆周速度u却保持不变，导致动叶入口出现了极大的负冲角 δ=β1-β11，以致 w11在 w1方向上的投影 w′11变得很小甚至变为负值（如图4所示），也就是说w11可能变成离开动叶进口方向的分速度。这时为使汽流流入动叶，必须先消耗一部分能量使汽流加速，以抵消负的w′11；然后再消耗一部分能量产生w21，使汽流流出动叶。由图4还可见，虽w21不大，但因u不变，故c21很大，使c221/2比c211/2大得多。c221/2的能量显然不可能由c211/2转换而来，而动叶中的比焓降Δhb只是用来克服负的w′11和产生w21，使汽流刚能流出动叶，也不可能给汽流以c221/2这么大的动能。因此，c221/2的动能只能由转子的机械能转化而来[1]。

图4 小容积流量工况下动叶的进出口速度三角形

由以上分析可知，在汽轮机的变工况中，在容积流量较大的工况范围内，汽轮机各级均能对外做出有效功（即轮周功），级的这种工况称为透平工况；随着容积流量的减小，级能对外做出的有效功逐渐减小，当容积流量减小到某一数值以下，级非但不对外做功，反而还要消耗转子的机械功，级的这种工况称为鼓风工况；在鼓风工况与透平工况之间的工况称为级的过渡工况，此时级既不对外做有效功，也不消耗转子的机械功[8]。

因汽轮机低压缸末级通流面积最大，在Gv2下降过程中，末级最先达到鼓风工况；Gv2进一步减小，次末级的通流面积与容积流量Gv2相比也嫌太大时，次末级也达鼓风工况，如此逐级向前推进[3]。

2 小容积流量工况对汽轮机安全经济运行的影响

2.1 汽流分离导致级效率下降和叶片疲劳损坏

小容积流量工况下，较大的冲角容易造成叶片表面附面层分离，导致流动损失增大，级效率下降，同时，大冲角所引起的附面层大分离还会加剧叶片上的汽流激振，造成叶片疲劳损坏。实践证明，正冲角所造成的级的损失大于负冲角，究其原因，主要是负冲角所造成的附面层分离更多地发生在叶片内弧面上，而正冲角则更多地发生在叶片背弧面上，由于内弧面上是顺压流动，附面层分离不会向下游扩展，而背弧面上为逆压流动，附面层分离会在逆压力作用下进一步向下游扩展，带来较大的损失。

2.2 鼓风工况下对通流部件的加热

级在鼓风工况所消耗的机械功将转变为热能去加热蒸汽，蒸汽再去加热通流部分各部件。在Gv2减小过程中，低压缸各级，尤其是末几级出现鼓风工况早，因其叶片长，鼓风耗功大，低负荷下的蒸汽流量不足以带走动叶鼓风产生的热量，易引起低压缸排汽温升过高，致使低压缸发生较大变形，导致动静间隙改变增大，严重时会引起机组振动、动静碰磨等严重后果[9]。

2.3 末级动叶根部出口边遭受水蚀

小容积流量工况下，末级动叶后根部的涡流卷吸着级后的湿蒸汽倒流入动叶通道，其带入的水滴将对动叶根部出口背孤面产生侵蚀，使应力水平本已很高的末级叶片强度被削弱，危及叶片的安全运行。

2.4 诱使叶片发生失速颤振

核电汽轮机低压末级叶片长达2 m左右，叶片长度的增加使其刚性下降，叶顶圆周速度处于跨音速甚至超音速区域，加之因机组参与调峰而使叶片常在小容积流量大负冲角工况下运行，可能造成附面层与叶片表面大尺度脱离，诱使叶片发生失速颤振而损坏[10]。

3 应对小容积流量工况的措施

3.1 推迟级内涡流的发生，扩大其透平工况的流量范围

实验表明，在容积流量Gv2减小的过程中，当静、动叶间轴向间隙开始出现涡流时，级就已进入了过渡工况。因此，为延缓过渡工况的出现，扩大透平工况的流量范围，应采取相应措施推迟涡流的产生。

1）喷嘴外缘扩张角不宜过大，以免在大负冲角下发生脱流；

2）采用扭叶片的大扇度级，其叶片几何进口角β1g=90°的截面把叶片分为反动度作相反变化的两个部分：β1g=90°截面以下，容积流量Gv2减小时反动度减小；β1g=90°截面以上，容积流量Gv2减小时反动度增大。如此，叶顶的设计反动度若是太大，则小容积流量工况下喷嘴比焓降太小，大负冲角下喷嘴易形成扩压区，故叶顶设计的反动度不宜过大；同时，根部的设计反动度若是太小，则在小容积流量工况的大负冲角下容易使动叶根部脱流，故叶根设计的反动度不宜过小。综上所述，从减缓脱流，增大透平工况流量范围的角度考虑，应使反动度沿叶高变化尽量小。

3）采用扭叶片的大扇度级，其叶片β1g=90°的截面越靠近根部，小容积流量下动叶根部越容易发生脱流；β1g=90°的截面越靠近叶顶（即图3（a）中的A点上移），则静、动叶间轴向间隙外缘的扩压区随之缩小，且压差也随之减小，涡流减弱。因此，在设计制造时，动叶的β1g=90°截面应尽量移向顶部。

3.2 低压缸设置喷水减温装置以降低其排汽温度

为了防止小容积流量工况下低压缸排汽温度过高，可在低压缸末级后装设喷水减温装置（如图5所示），在小容积流量工况下，借助末级动叶根部的涡流，把喷水减温装置喷出的水滴吸入动叶，并跟随涡流一起运动而冷却动叶，从而降低末级和排汽缸的温度[9]。

图5 喷水减温装置

3.3 改进叶型设计，避免叶片发生颤振

在小容积流量工况下，叶片之所以容易被诱发颤振，是因为汽流以大负冲角流向动叶造成叶片表面出现附面层分离流动所致。对此，美国西屋公司对叶片的叶型加以改进，使之在低负荷下避免汽流以大负冲角进入动叶（如图6所示），从而有效地避免了颤振的发生。

图6 美国西屋公司改进叶型设计后避免了颤振

3.4 采用整体阻尼围带和凸台拉筋的叶片结构，减小其振动应力

对于核电汽轮机低压末几级长叶片，可采用如图7所示的整体阻尼围带和凸台拉筋的叶片结构。初始安装时，相邻叶片的围带和拉筋间具有一定的间隙，运行时，叶片旋转产生的离心力引起叶片扭转恢复变形，使相邻叶片的拉筋和围带的工作面相互接触。当叶片在汽流激振力作用下产生相对运动时，相邻叶片的阻尼围带和凸台拉筋接触面间的摩擦作用耗散了振动能量，降低了叶片的振动幅值，起到了一定的减振作用。同时，通过相邻叶片的围带和拉筋工作面的相互接触，呈现了整圈连接状态，增加了叶片的刚度，减小了叶片的振动响应，在一定程度上增强了抵抗气流激振的能力，避免叶片因颤振而损坏[11]。

图7 带整体阻尼围带和凸台拉筋的叶片

4 结语

核电机组因具有清洁低碳、稳定高效等诸多优势，并且除定期换料检修外保持满功率运行时效率最高，经济性最好，也最安全，长期以来都是以基荷电源运行。但随着电力工业结构的调整，光电和风电等强随机波动性新能源电量的规模化并网，加之近年来社会用电需求放缓，核电机组参与电网调峰已然势在必行，核电机组的调峰能力已成为影响电网系统安全经济运行的重要因素。

为应对诸如国家重大节日、极端恶劣天气、供暖期等情况下电网计划性短期负荷调节需求，通常需要核电机组以长期低功率运行方式参与电网调峰。但在低负荷下运行时，核电汽轮机的低压末几级很容易落入小容积流量工况，严重影响着机组的安全经济运行。然而，我国迄今尚未系统地开展核电汽轮机调峰的相关安全性和经济性的评价工作，缺少实际操作经验。基于此，必须加强对按基荷模式设计的核电汽轮机小容积流量工况下的安全性和经济性的研究，通过改进汽轮机设计，合理调整设备运行方式，确保核电机组安全、经济地参与深度调峰。