630MW超臨界機組低壓缸排汽通道的優(yōu)化

阮英峰，鄭家衡，何 平

(1.上海電力學院，上海 200090;2.上海電力股份有限公司，上海 200010)

降低汽輪機排汽壓力是電廠提高機組經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排的最直接、最有效的方法之一.除在運行中提高凝汽器真空以降低排汽壓力外，通過優(yōu)化排汽通道、促使汽輪機排汽在進入凝汽器冷卻管束時的流場分布盡量合理，可充分發(fā)揮凝汽器冷卻管的有效換熱面積，增加凝汽器實際總體換熱系數(shù)，最終達到降低排汽壓力、提高機組運行經(jīng)濟性的目的.

某電廠2#汽輪機是上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠制造的N630-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機，凝汽器為N-36000型雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器.

該電廠采用的630 MW 汽輪機，系引進美國西屋公司技術制造，該汽輪機結(jié)構(gòu)緊湊，但其低壓缸擴壓段沒有安裝導流裝置，造成凝汽器內(nèi)的排汽流場分布不盡合理，降低了凝汽器的換熱效率，使得機組真空偏低，熱耗增加.

1 優(yōu)化改造的依據(jù)

1.1 優(yōu)化理論依據(jù)

根據(jù)壓力平衡關系，汽輪機排氣壓力:

式中:Pc——抽汽口壓力;

Pnp——凝汽器蒸汽阻力;

ΔPp——排汽缸阻力;

ΔP——其他阻力和.

理論研究與實際運行發(fā)現(xiàn)，ΔPp只與汽輪機排汽缸的結(jié)構(gòu)和氣體動力特性相關，在已投運的機組中可以作為定值;Pc和Pnp與凝汽器工作性能密切相關，在其他工況都確定的情況下，Pnp取決于換熱管束的布置與入口蒸汽流場的合理分布;Pc則取決于真空泵的性能，在真空系統(tǒng)嚴密性和循環(huán)水入口溫度一定的條件下，Pc與不凝結(jié)蒸汽量有直接的關系，而不凝結(jié)蒸汽量的多少也與管束布置和入口蒸汽流場分布是否合理相關.[1]

此外，有學者借助CFD技術對汽輪機排汽系統(tǒng)進行氣動性能的研究，[2]發(fā)現(xiàn)導流裝置的結(jié)構(gòu)變化對排汽缸流場結(jié)構(gòu)和氣動性能均有一定的影響.

1.2 優(yōu)化技術依據(jù)

目前，低壓缸排汽通道的優(yōu)化在300 MW及330 MW機組中已有50多臺的成功案例，通過改造前后凝汽器性能對比試驗表明，在有關運行條件(真空嚴密性、凝汽器熱負荷、循環(huán)冷卻水流量、循環(huán)冷卻水進口溫度、換熱管的清潔程度、汽輪機蒸汽負荷率等)等同的前提下，當循環(huán)冷卻水進口溫度為30℃，蒸汽負荷率為100%，循環(huán)冷卻水處于額定流量時，能夠確保凝汽器真空度提高 0.3 kPa 及以上.[3-5]

我國自20世紀90年代開始，3大動力廠先后對排汽缸氣動性能進行了試驗研究，但僅限于排汽缸本身.1996年開始，國內(nèi)有關單位將低壓缸末級、低壓排汽缸、凝汽器喉部(含支撐管)、低壓加熱器作為整體進行模型試驗，并在排汽通道中增加不同布置方式的流線型均流裝置，使排汽通道出口(即凝汽器冷卻管束入口)蒸汽流場分布更加合理，從而達到了提高凝汽器有效換熱面積和整體換熱系數(shù)、降低排汽壓力的目的，由此提出了1代汽輪機排汽通道優(yōu)化技術，并首次將該技術應用于哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的300 MW機組，經(jīng)西安熱工研究院有限公司對比試驗證明，可以降低排汽壓力0.3～0.7 kPa.

在1代技術的基礎上，目前國內(nèi)已形成2代汽輪機排汽通道優(yōu)化技術，且已經(jīng)在多臺300/600 MW級機組中應用.2代技術是在1代技術的基礎上，引入數(shù)值模擬，針對特定機組用Pro/E軟件建立數(shù)值模型，通過計算流體力學軟件Flunt，對改造技術方案進行優(yōu)化.

因此，根據(jù)理論依據(jù)及現(xiàn)有的技術條件，在凝汽器喉部內(nèi)，根據(jù)原有的實際結(jié)構(gòu)，安裝合理的導流裝置，將集中于電端和調(diào)端的排汽汽流適度引向凝汽器中部，以減少排汽渦流，均勻排汽流速，使低壓缸排汽流場趨于合理，凝汽器換熱管的熱負荷更均勻，熱交換能力得到更好的發(fā)揮，從而提高凝汽器真空.

2 優(yōu)化的實施

在實施排汽通道優(yōu)化改造前，需要根據(jù)原機組的低壓缸、凝汽器喉部、凝汽器圖紙，利用Pro/E軟件對低壓排汽缸排汽通道建立數(shù)值模型，如圖1所示.

圖1 原有結(jié)構(gòu)下的汽輪機排汽通道數(shù)值模型

根據(jù)導入排汽缸流場截面的數(shù)據(jù)，建立特征截面，低壓排汽缸模型尺寸與真實排氣缸的幾何比為1∶1，將生成的Pro/E模型轉(zhuǎn)換為Gambit需求的模型，并利用流體力學軟件Flunt模擬凝汽器管束入口蒸汽流場，如圖2所示.

由圖2可知，改造前凝汽器管束入口蒸汽流場存在很大的低速區(qū)(速度在10 m/s以下)，該區(qū)域的換熱系數(shù)必然偏小，其流場分布不合理.

根據(jù)該流場分布情況，在排汽通道數(shù)值模型的不同位置設置均流/導流裝置，如圖3所示.重新利用軟件Flunt模擬管束入口蒸汽流場，然后重新調(diào)整導流裝置的布置方式，再次模擬.

導流裝置布置方式的改變包括導流板型線(流線型斜板、垂直立板、傾斜直板)、組合方式及布置位置(平行轉(zhuǎn)子軸向、垂直轉(zhuǎn)子軸向、位于撐管不同高度)等，同時考慮現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)性，并借鑒華電鐵嶺電廠4#機組、華能井岡山電廠2#機組、華電濰坊電廠1#機組、華能陽邏電廠3#機組、國電泉州電廠2#機組、國電蚌埠電廠2#機組等300 MW機組導流裝置的設計經(jīng)驗.多次調(diào)整與模擬，直至得到理想的管束入口蒸汽流場為止，對應的導流裝置布置方案即為排汽通道改造的最優(yōu)化方案.

圖2 改造前凝汽器管束入口蒸汽流場

圖3 加裝導流裝置后的排汽通道數(shù)值模型

根據(jù)多次調(diào)整與模擬，最終選擇凝汽器換熱管上部的喉部(接頸)部位，在該部位排列安裝曲線形狀導流裝置，安裝后其流場分布均勻，如圖4所示.由圖4可知，改造后凝汽器管束入口蒸汽流場存在很小的低速區(qū)(速度在10 m/s以下)，流場分布均勻.

該電廠利用機組小修機會實施改造，實施改造的位置在低壓缸下部、凝汽器換熱管上部的喉部(接頸)部位，在該部位排列安裝導流裝置，且低壓缸不需揭缸，所有設備均采用模塊化結(jié)構(gòu)，由低壓缸人孔門進入低壓缸，在低壓缸內(nèi)部組合、裝配完成.導流裝置為曲線形狀，傾斜安裝.在凝汽器喉部外是單塊結(jié)構(gòu)，在凝汽器喉部內(nèi)拼接成列，按照數(shù)值模擬分析結(jié)果進行布置.

導流裝置主要部分為不銹鋼材質(zhì)，耐沖刷，正常使用壽命達到10年以上.導流裝置的生根位置是凝汽器喉部內(nèi)的框架支承管，用來固定導流裝置.導流裝置和支承管通過專用卡子和螺栓可靠聯(lián)接.

圖4 改造后凝汽器管束入口蒸汽流場

3 優(yōu)化效果

西安熱工研究院有限公司對該電廠2#機組低壓缸排汽通道優(yōu)化前后進行了性能試驗，試驗數(shù)據(jù)如表1所示.試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后排汽壓力有所下降.根據(jù)多臺機組改造前后試驗數(shù)據(jù)及汽輪機廠提供的機組低壓缸排汽壓力對功率的修正曲線，當進口水溫為 30℃時，排汽壓力降低0.3 kPa，對應的功率約增加 0.18% .

表1 2#機組優(yōu)化前后低壓缸排汽壓力

按年運行 7 000 h，電價 0.42元/度計算，則每年多發(fā)電帶來的收益為:

按機組年發(fā)電 3.7×109kWh，1 kPa真空影響630 MW 汽輪機機組發(fā)電煤耗約2.0 g/kWh計算，年節(jié)約標準煤為:

按每燃燒1 t標準煤產(chǎn)生2.3 t CO2計算，則每臺630 MW 機組排汽通道優(yōu)化改造后，年減排CO2為:

如果按每噸標準煤800元計算，則年節(jié)約資金:

由于國內(nèi)裝備的國產(chǎn)引進型汽輪機以300/600 MW為主力機型，該改造技術目前只在少量300/600 MW級機組中應用，因此可以進行大范圍推廣，為300/600 MW級機組提供新的選擇和應用方向.同時，也可向1 000 MW 機組推廣，現(xiàn)階段有廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責任公司3#和4#機組應用該技術，[6]該改造技術的應用可以為國家在電力行業(yè)的節(jié)能減排提供新的選擇.

4 結(jié)語

通過對某電廠2#機組低壓缸排汽通道的優(yōu)化，在其凝汽器喉部加裝導流裝置后，排汽壓力平均降幅為0.3 kPa，功率增加約 0.18%，多發(fā)電量為7.938 ×107kWh，節(jié)約標準煤 2 220 t，年減排CO25 106 t，經(jīng)濟效益和社會效益都非常顯著.

[1]劉暉明.汽輪機低壓缸排汽通道優(yōu)化[J].江西電力，2011(6):58-60.

[2]何平，胡丹梅，周鴻強.汽輪機低壓排汽缸優(yōu)化設計研究[C]∥中國動力工程學會透平專業(yè)委員會.2009年中國動力工程學會透平專業(yè)委員會學術研討會論文集，2009:28-31.

[3]胡月紅，李曉波，李江鵬.N100-90/535型汽輪機低壓缸通流部分改造淺談[J].電站系統(tǒng)工程，2011，27(3):47-48.

[4]劉曉鴻，晏濤.330 MW 汽輪機低壓缸排汽通道優(yōu)化改造[J].熱力發(fā)電，2012(1):86-87.

[5]曹枝陽.300 MW 汽輪機低壓缸排汽通道優(yōu)化改造[J].熱力發(fā)電，2006(11):35-36.

[6]李大才.1 000 MW超超臨界汽輪機排汽通道優(yōu)化研究與應用[J].東北電力技術，2015(5):20-22.