630MW超临界机组低压缸排汽通道的优化

2015-01-16阮英峰郑家衡

上海电力大学学报 2015年5期

阮英峰，郑家衡，何平

(1.上海电力学院，上海 200090;2.上海电力股份有限公司，上海 200010)

降低汽轮机排汽压力是电厂提高机组经济性，实现节能减排的最直接、最有效的方法之一.除在运行中提高凝汽器真空以降低排汽压力外，通过优化排汽通道、促使汽轮机排汽在进入凝汽器冷却管束时的流场分布尽量合理，可充分发挥凝汽器冷却管的有效换热面积，增加凝汽器实际总体换热系数，最终达到降低排汽压力、提高机组运行经济性的目的.

某电厂2#汽轮机是上海电气电站设备有限公司汽轮机厂制造的N630-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机，凝汽器为N-36000型双背压、双壳体、单流程、表面式凝汽器.

该电厂采用的630 MW 汽轮机，系引进美国西屋公司技术制造，该汽轮机结构紧凑，但其低压缸扩压段没有安装导流装置，造成凝汽器内的排汽流场分布不尽合理，降低了凝汽器的换热效率，使得机组真空偏低，热耗增加.

1 优化改造的依据

1.1 优化理论依据

根据压力平衡关系，汽轮机排气压力:

式中:Pc——抽汽口压力;

Pnp——凝汽器蒸汽阻力;

ΔPp——排汽缸阻力;

ΔP——其他阻力和.

理论研究与实际运行发现，ΔPp只与汽轮机排汽缸的结构和气体动力特性相关，在已投运的机组中可以作为定值;Pc和Pnp与凝汽器工作性能密切相关，在其他工况都确定的情况下，Pnp取决于换热管束的布置与入口蒸汽流场的合理分布;Pc则取决于真空泵的性能，在真空系统严密性和循环水入口温度一定的条件下，Pc与不凝结蒸汽量有直接的关系，而不凝结蒸汽量的多少也与管束布置和入口蒸汽流场分布是否合理相关.[1]

此外，有学者借助CFD技术对汽轮机排汽系统进行气动性能的研究，[2]发现导流装置的结构变化对排汽缸流场结构和气动性能均有一定的影响.

1.2 优化技术依据

目前，低压缸排汽通道的优化在300 MW及330 MW机组中已有50多台的成功案例，通过改造前后凝汽器性能对比试验表明，在有关运行条件(真空严密性、凝汽器热负荷、循环冷却水流量、循环冷却水进口温度、换热管的清洁程度、汽轮机蒸汽负荷率等)等同的前提下，当循环冷却水进口温度为30℃，蒸汽负荷率为100%，循环冷却水处于额定流量时，能够确保凝汽器真空度提高 0.3 kPa 及以上.[3-5]

我国自20世纪90年代开始，3大动力厂先后对排汽缸气动性能进行了试验研究，但仅限于排汽缸本身.1996年开始，国内有关单位将低压缸末级、低压排汽缸、凝汽器喉部(含支撑管)、低压加热器作为整体进行模型试验，并在排汽通道中增加不同布置方式的流线型均流装置，使排汽通道出口(即凝汽器冷却管束入口)蒸汽流场分布更加合理，从而达到了提高凝汽器有效换热面积和整体换热系数、降低排汽压力的目的，由此提出了1代汽轮机排汽通道优化技术，并首次将该技术应用于哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的300 MW机组，经西安热工研究院有限公司对比试验证明，可以降低排汽压力0.3～0.7 kPa.

在1代技术的基础上，目前国内已形成2代汽轮机排汽通道优化技术，且已经在多台300/600 MW级机组中应用.2代技术是在1代技术的基础上，引入数值模拟，针对特定机组用Pro/E软件建立数值模型，通过计算流体力学软件Flunt，对改造技术方案进行优化.

因此，根据理论依据及现有的技术条件，在凝汽器喉部内，根据原有的实际结构，安装合理的导流装置，将集中于电端和调端的排汽汽流适度引向凝汽器中部，以减少排汽涡流，均匀排汽流速，使低压缸排汽流场趋于合理，凝汽器换热管的热负荷更均匀，热交换能力得到更好的发挥，从而提高凝汽器真空.

2 优化的实施

在实施排汽通道优化改造前，需要根据原机组的低压缸、凝汽器喉部、凝汽器图纸，利用Pro/E软件对低压排汽缸排汽通道建立数值模型，如图1所示.

图1 原有结构下的汽轮机排汽通道数值模型

根据导入排汽缸流场截面的数据，建立特征截面，低压排汽缸模型尺寸与真实排气缸的几何比为1∶1，将生成的Pro/E模型转换为Gambit需求的模型，并利用流体力学软件Flunt模拟凝汽器管束入口蒸汽流场，如图2所示.

由图2可知，改造前凝汽器管束入口蒸汽流场存在很大的低速区(速度在10 m/s以下)，该区域的换热系数必然偏小，其流场分布不合理.

根据该流场分布情况，在排汽通道数值模型的不同位置设置均流/导流装置，如图3所示.重新利用软件Flunt模拟管束入口蒸汽流场，然后重新调整导流装置的布置方式，再次模拟.

导流装置布置方式的改变包括导流板型线(流线型斜板、垂直立板、倾斜直板)、组合方式及布置位置(平行转子轴向、垂直转子轴向、位于撑管不同高度)等，同时考虑现场施工的可实现性，并借鉴华电铁岭电厂4#机组、华能井冈山电厂2#机组、华电潍坊电厂1#机组、华能阳逻电厂3#机组、国电泉州电厂2#机组、国电蚌埠电厂2#机组等300 MW机组导流装置的设计经验.多次调整与模拟，直至得到理想的管束入口蒸汽流场为止，对应的导流装置布置方案即为排汽通道改造的最优化方案.

图2 改造前凝汽器管束入口蒸汽流场

图3 加装导流装置后的排汽通道数值模型

根据多次调整与模拟，最终选择凝汽器换热管上部的喉部(接颈)部位，在该部位排列安装曲线形状导流装置，安装后其流场分布均匀，如图4所示.由图4可知，改造后凝汽器管束入口蒸汽流场存在很小的低速区(速度在10 m/s以下)，流场分布均匀.

该电厂利用机组小修机会实施改造，实施改造的位置在低压缸下部、凝汽器换热管上部的喉部(接颈)部位，在该部位排列安装导流装置，且低压缸不需揭缸，所有设备均采用模块化结构，由低压缸人孔门进入低压缸，在低压缸内部组合、装配完成.导流装置为曲线形状，倾斜安装.在凝汽器喉部外是单块结构，在凝汽器喉部内拼接成列，按照数值模拟分析结果进行布置.

导流装置主要部分为不锈钢材质，耐冲刷，正常使用寿命达到10年以上.导流装置的生根位置是凝汽器喉部内的框架支承管，用来固定导流装置.导流装置和支承管通过专用卡子和螺栓可靠联接.

图4 改造后凝汽器管束入口蒸汽流场

3 优化效果

西安热工研究院有限公司对该电厂2#机组低压缸排汽通道优化前后进行了性能试验，试验数据如表1所示.试验结果表明，优化后排汽压力有所下降.根据多台机组改造前后试验数据及汽轮机厂提供的机组低压缸排汽压力对功率的修正曲线，当进口水温为 30℃时，排汽压力降低0.3 kPa，对应的功率约增加 0.18% .

表1 2#机组优化前后低压缸排汽压力

按年运行 7 000 h，电价 0.42元/度计算，则每年多发电带来的收益为:

按机组年发电 3.7×109kWh，1 kPa真空影响630 MW 汽轮机机组发电煤耗约2.0 g/kWh计算，年节约标准煤为:

按每燃烧1 t标准煤产生2.3 t CO2计算，则每台630 MW 机组排汽通道优化改造后，年减排CO2为:

如果按每吨标准煤800元计算，则年节约资金:

由于国内装备的国产引进型汽轮机以300/600 MW为主力机型，该改造技术目前只在少量300/600 MW级机组中应用，因此可以进行大范围推广，为300/600 MW级机组提供新的选择和应用方向.同时，也可向1 000 MW 机组推广，现阶段有广东大唐国际潮州发电有限责任公司3#和4#机组应用该技术，[6]该改造技术的应用可以为国家在电力行业的节能减排提供新的选择.