一种汽轮机静叶加热除湿试验系统

本发明属于动力工程技术领域，具体涉及一种汽轮机静叶加热除湿试验系统。

背景技术：

水蚀问题普遍存在于大功率汽轮机组低压末几级中，也是制约汽轮机发展的关键因素之一。当蒸汽温度降至其饱和温度以下时，会逐渐凝结产生大量水滴，部分水滴会沉积在静叶表面形成水膜，同时在静叶出口受气流剪切力的作用最终被撕裂形成尺寸较大的二次水滴，对动叶表面产生侵蚀。水蚀问题不仅会导致汽轮机组整体效率的降低，甚至可能导致叶片的断裂，严重威胁机组的安全运行，尤其是近年来，随着火电及核电汽轮机组功率的不断增大以及机组的大范围调峰灵活运行，汽轮机水蚀问题也显得愈发突出和棘手。

通流部分除湿是目前一种较为有效的叶片除湿方法，抽吸、吹扫及加热是应用于汽轮机静叶中的三种主要除湿方法，但其中前两种方法均需在静叶表面开设缝隙，通过抽吸水膜或热气流吹扫等作用达到除湿的目的，这一方面会破坏静叶表面原有的结构设计，削弱叶片的强度，另一方面通过缝隙实现蒸汽抽吸和吹扫作用不可避免的会对主流蒸汽造成干扰，影响气动效率，尤其是吹扫出来的高温蒸汽还将进入凝汽器对机组背压产生影响，从而导致机组整体效率的降低。而对于加热除湿方法，加热蒸汽仅在空心静叶内部流动，通过加热静叶外表面使水滴或水膜蒸发，从而减少二次水滴的形成，削弱水蚀的影响，其无需在叶片表面开设缝隙，对静叶结构强度影响较小，同时内部加热蒸汽可以利用汽轮机汽封排气或者热力系统中的一些漏气，其供给和回收也均采用独立的二次通路，不会对主流蒸汽造成干扰。综上所述，静叶加热除湿方法相比于静叶抽吸或吹扫除湿方法有更加显著的优势，其应用前景十分广阔。

但对目前的公开资料中，有关静叶抽吸及吹扫除湿方法的研究较多，主要围绕开设缝隙的位置、尺寸及角度等影响，而对静叶加热除湿方法的研究较少，且多难以与工程实际相结合。在实际情况下静叶加热除湿涉及复杂的相变换热过程，在加热蒸汽侧蒸汽降温放热，并且凝结放出潜热，而在主流蒸汽侧静叶表面的水膜吸热蒸发为水蒸气，且实际应用中影响两个相变换热过程的因素众多，主要涉及到内部加热蒸汽通道结构设计、加热蒸汽参数选取等复杂因素。因而，有必要设计建立一套相应的静叶加热除湿试验系统，对实际汽轮机静叶加热除湿方法中涉及的关键问题进行研究，为后续静叶加热除湿方法在实际工程应用中关于内部加热蒸汽通道设计及加热蒸汽参数的选取等问题提供相应依据及数据参考。

技术实现要素：

基于上述原因，本发明提供了一种汽轮机静叶加热除湿试验系统，尽可能模拟实际汽轮机湿蒸汽级蒸汽条件，研究对比不同内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数对叶片除湿特性的影响，从而选出较优的内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数，同时为实际汽轮机静叶加热除湿应用中静叶内部加热蒸汽通道设计以及加热蒸汽参数的选取等提供相应依据及关键数据参考。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种汽轮机静叶加热除湿试验系统，该试验系统用于汽轮机静叶加热除湿研究，通过切换相应的阀门连通状态进行静态及动态两组试验；其中，

整个试验系统在锅炉出口共分为三路蒸汽通路，一路通过水箱加热蒸汽调节阀与水箱相连，水箱底部出口经水泵连接至雾化喷头，用于产生雾化水滴；另一路通过主流蒸汽调节阀连接至整流段，整流段出口与试验段主流通道相连，用于提供主流蒸汽；第三路则自锅炉出口依次通过静叶加热蒸汽调节阀、流量计与试验段内部加热通道相连，用于提供静叶内部加热蒸汽；而经试验段后主流蒸汽及静叶内部加热蒸汽均进入凝汽器中凝结，且两路蒸汽的热量通过循环冷却系统最终排至室外大气，凝汽器配有相应的抽真空装置a，凝结水经凝汽器出口及凝结水泵送至凝结水箱，此后经增压泵加压后返回锅炉中；此外，在试验段处还设有相应的试验测试装置。

本发明进一步的改进在于，当关闭主流蒸汽调节阀，开通水箱加热蒸汽调节阀和静叶加热蒸汽调节阀时，该试验系统能够进行静态试验研究；当关闭水箱加热蒸汽调节阀，开通主流蒸汽调节阀和静叶加热蒸汽调节阀时，该试验系统能够进行动态试验研究。

本发明进一步的改进在于，在水箱的底部设置相应的温度传感器，以实时获取水箱内部的水温情况，保证在静态试验时，喷洒至试验静叶片表面的水滴过冷度不至于过低，以模拟汽轮机静叶片的实际工作状态，保证试验结果的可靠性。

本发明进一步的改进在于，静态试验时，试验段的腔室连有抽真空装置b，以模拟实际汽轮机运行时湿蒸汽级静叶所处的负压环境，进一步提高试验结果的准确性。

本发明进一步的改进在于，在主流蒸汽调节阀与整流段之间还设有减温减压器，用于将锅炉出来的饱和蒸汽的压力和湿度调整到实际汽轮机运行时的蒸汽参数，保证动态实验中的主流蒸汽接近实际情况下湿蒸汽级的蒸汽条件，并在减温减压器与整流段之间的管道设有蒸汽湿度计，以便实时监测相应的蒸汽湿度。

本发明进一步的改进在于，考虑到动态试验过程中减温减压器需要进行补水及疏水，因而在增压泵后方另引出一条通路用于减温减压器的补水，流量由补水阀控制，而相应的疏水经减温减压器后送至凝汽器放热。

本发明进一步的改进在于，在提供静叶内部加热蒸汽通路的试验段后方设有调节阀，其与静叶加热蒸汽调节阀共同作用，实现对蒸汽在加热通道中流量、压力的组合调节，且根据流量计的测量进行流速计算，以便试验研究对比不同加热蒸汽参数下叶片除湿特性差异。

本发明进一步的改进在于，试验测试装置在静态试验过程中用于测量和记录静叶表面不同区域水膜的蒸发/除湿过程、蒸发/除湿速度以及温度分布情况，在动态试验过程中，用于测量和记录静叶出口段叶片表面的水膜状态，以及静叶出口的二次水滴大小和数量。

本发明至少具有以下有益的技术效果：

1、本发明所采用的静叶加热除湿试验系统，通过切换相应的阀门连通状态即可进行静态及动态两组试验，研究对比不同内部加热蒸汽通道及加热蒸汽参数对除湿效果的影响，为实际汽轮机静叶内部加热蒸汽通道设计以及加热蒸汽参数的选取等提供相应依据及数据参考。其中静态试验部分主要借助喷雾方式在试验静叶片表面形成水膜，通过对比带有不同内部加热蒸汽通道结构的静叶以及在不同加热蒸汽参数下叶片表面的水膜蒸发过程、蒸发速度及温度分布等初步筛选出除湿特性较好的几组内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数，为动态试验提供基础研究数据；动态试验在此基础上，模拟真实汽轮机运行工况下的主流蒸汽条件，通过测量和对比试验静叶栅通道出口段叶片表面的水膜状态，以及静叶出口的二次水滴大小和数量等进一步对比检测自静态试验筛选出来较优的内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数在实际情况下的除湿效果，并从中选出整体除湿特性较好的内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数。由于实际情况下静叶内部加热蒸汽通道可设计为诸多结构，且加热蒸汽参数的调节也有相当范围，若全部通过模拟实际汽轮机运行情况下的蒸汽条件进行试验对比，相应的主流蒸汽参数的调节等会耗费大量的时间且试验成本也会大大提高，实际情况中难以实现，而本试验系统不仅可分别进行静态及动态两组试验，且通过先静态试验后动态试验的方式可更加高效的研究对比多种内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数下的静叶加热除湿效果，进而为实际汽轮机静叶加热除湿应用中内部加热通道设计及加热蒸汽参数的选取等提供相应依据及数据参考，可大大节省试验周期及试验成本。

2、静态试验部分，为了尽可能模拟汽轮机静叶片的实际工作状态，保证水箱里面储水的过冷度不超过2℃，因而在锅炉出口特引出一条蒸汽通路连接至水箱，用于加热水箱内部的水，且水箱底部设有相应的温度传感器，以便实时获取水箱内部的水温情况，进而保证自雾化喷头喷洒至试验叶片表面的水滴过冷度不至于过低，保证了测试结果精度与可靠性的同时，无需引入外部加热装置，减小了试验系统复杂性，节约了成本；

3、静态试验时，在试验段的腔室连有额外的抽真空装置b，以模拟实际汽轮机运行时湿蒸汽级静叶所处的负压工作环境，进一步提高了试验结果的准确性。

4、此试验系统动态试验中的主流蒸汽和内部加热蒸汽均直接由锅炉供给，模拟了实际汽轮机运行时的主流蒸汽及内部加热蒸汽供给条件，保证了试验结果的可靠性，对实际工程应用具有直接参考价值。

5、动态试验中，主流蒸汽通路通过减温减压器实现将锅炉出口的高压饱和蒸汽的压力和湿度调整到实际汽轮机运行时的湿蒸汽参数，该设备结构简单且避免了引入附加的造湿系统。

6、在提供静叶内部加热蒸汽的通路，除了在锅炉出口处设置的静叶加热蒸汽调节阀外，在试验段后方还设有另外的调节阀，两个调节阀共同作用实现对蒸汽在内部加热通道中的流量、压力的组合调节，使得对加热蒸汽通路的调节更加精确高效，且根据流量计的测量可计算得到相应流速，以便试验后续研究对比不同加热蒸汽参数(如压力、流速)下的叶片除湿特性差异。

7、针对实际动态试验过程中减温减压器需及时进行补水及疏水，本试验系统利用了凝结水箱中的储水，在增压泵后方另引出一条通路用于减温减压器的补水，节省了额外的补水设备，且疏水排至凝汽器放热，最终同凝结水一起回到凝结水箱，可构成循环供给。

附图说明

图1是本发明静叶加热除湿试验系统整体示意图；

图2是静态试验中试验段附近局部放大图。

附图标记说明：

1-锅炉；2a-水箱加热蒸汽调节阀；2b-主流蒸汽调节阀；2c-静叶加热蒸汽调节阀；2d-调节阀；2e-补水阀；3-水箱；4-温度传感器；5-水泵；6-雾化喷头；7-减温减压器；8-蒸汽湿度计；9-整流段；10-流量计；11-试验段；12-试验测试装置；13-凝汽器；14-循环冷却系统；15a-抽真空装置a；15b-抽真空装置b；16-凝结水泵；17-凝结水箱；18-增压泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施过程作进一步的说明：

参照图1，本发明提供了一种汽轮机静叶加热除湿试验系统，锅炉1产生饱和蒸汽，其压力和流量可根据需要调节，在锅炉1出口共分为三个蒸汽通路，分别通过水箱加热蒸汽调节阀2a、主流蒸汽调节阀2b及静叶加热蒸汽调节阀2c控制连通，其中水箱加热蒸汽调节阀2a所在通路用于提供水箱加热蒸汽，主流蒸汽调节阀2b所在通路用于模拟静叶叶栅流场主流蒸汽，静叶加热蒸汽调节阀2c所在通路用于提供静叶内部加热蒸汽，通过切换相应的阀门连通状态可进行静态及动态两组试验。

参照图1和图2，在静态试验时，关闭主流蒸汽调节阀2b，开通水箱加热蒸汽调节阀2a和静叶加热蒸汽调节阀2c，连通水箱加热蒸汽通路及内部加热蒸汽通路。其中，在水箱加热蒸汽通路，饱和蒸汽经水箱加热蒸汽调节阀2a通入水箱3中，用于加热水箱3内部的水，水箱3底部出口经水泵5连接至雾化喷头6，以在试验静叶片表面产生雾化水滴或水膜，而相应的雾化喷头6置于试验段11的腔室内部，且试验段11的腔室连有相应的抽真空装置b15b，以便在试验段11内部形成一定的真空度，模拟实际汽轮机运行时湿蒸汽级静叶所处的负压环境；此外，在水箱3的底部设有相应的温度传感器4，以便监测水箱3内部的水温情况，保证喷洒至试验静叶片表面的水滴过冷度不至于太低(不超过2℃)，以尽可能接近实际汽轮机静叶片工作状态，保证试验结果的可靠性。

而在内部加热蒸汽所在通路，饱和蒸汽依次通过静叶加热蒸汽调节阀2c、流量计10进入试验段11，用于加热试验静叶片，试验段11处设有相应的试验测试装置12，用于测量和记录静叶表面不同区域水膜的蒸发(除湿)过程、蒸发(除湿)速度以及温度分布等情况，而试验静叶片可以为多种带有不同内部加热蒸汽通道结构的空心叶片，如光滑u型通道以及设置肋柱、球窝、球凸等强化换热结构的加热蒸汽通道等，而后加热蒸汽经凝汽器13凝结，凝结热量通过循环冷却系统14排至室外大气中，而相应的循环冷却系统14也可包含多种选择，如使用干冷器、湿冷塔等，冷却水甚至可来自河水、海水等途径，只要能实现相应冷却效果即可，且凝汽器13配有相应的抽真空装置a15a，用于保证其内部的真空度，凝结水经凝汽器13出口及凝结水泵16送至凝结水箱17中，此后经增压泵18增压后返回锅炉1中，构成循环，而由于静态试验不需要使用减温减压器7，因而补水阀2e也始终处于关闭状态。此外，为了更加精确高效的调节内部加热蒸汽通道的流量、压力及流速等，在试验段11后方还设有额外的调节阀2d，其与静叶加热蒸汽调节阀2c共同作用实现对内部加热蒸汽参数的调节，且根据流量计10的测量可进行流速计算，以便试验研究对比不同加热蒸汽参数(如压力、流速)下的叶片除湿特性差异。静态试验的主要目的是通过对比带有不同内部加热蒸汽通道结构的静叶以及在不同加热蒸汽参数下叶片表面的水膜蒸发过程、蒸发速度及温度分布等情况初步筛选出除湿特性较好的几组内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数，进而为动态试验提供基础研究数据。

参照图1，在动态试验时，关闭水箱加热蒸汽调节阀2a，开通主流蒸汽调节阀2b和静叶加热蒸汽调节阀2c，连通静叶叶栅流场主流蒸汽及内部加热蒸汽通路。其中，在静叶叶栅流场主流蒸汽通路，蒸汽首先流经主流蒸汽调节阀2b进入减温减压器7，将其压力和湿度调整到汽轮机除湿叶片的实际工作参数，相应的蒸汽湿度由蒸汽湿度计8进行监测，随后蒸汽通过整流段9整流后进入试验段11的叶栅通道中，在静叶表面自然形成水膜，相应叶栅流动参数完全模拟汽轮机末级叶片参数，具体需要根据实际试验叶型确定；

而对内部加热蒸汽所在通路，与静态试验类似，加热蒸汽依次通过静叶加热蒸汽调节阀2c、流量计10进入试验段11，试验段11后方的调节阀2d与静叶加热蒸汽调节阀2c共同作用实现对内部加热蒸汽参数的组合调节；两路蒸汽在流经试验段11后均汇入凝汽器13中凝结放热，相应的热量通过循环冷却系统14排至室外大气中，凝结水经凝汽器13出口及凝结水泵16送至凝结水箱17中，此后经增压泵18增压后返回锅炉1，构成循环；此外，考虑到动态试验时需要对减温减压器7进行补水和疏水，因而在增压泵18后方另引出一条通路用于减温减压器7的补水，流量可通过补水阀2e进行调节，且疏水排至凝汽器13放热，最终同凝结水一起回到凝结水箱17中，构成循环供给，而试验测试装置12主要用于测量和记录静叶出口段叶片表面的水膜状态，以及静叶出口的二次水滴大小和数量等。动态试验的作用主要是在静态试验研究的基础上，模拟真实汽轮机运行工况下的主流湿蒸汽条件，进一步对比检测自静态试验筛选出来较优的几组内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数下的实际除湿效果，并从中选出整体除湿特性较好的内部加热蒸汽通道结构及加热蒸汽参数，为实际汽轮机静叶加热除湿应用中内部加热蒸汽通道设计及加热蒸汽参数的选取等提供相应依据及数据参考。