豐鶴#2機(jī)低壓缸排汽通道優(yōu)化

陳擁軍

【摘 要】通過對東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600MW凝汽式汽輪機(jī)組低壓缸排汽通道結(jié)構(gòu)利用流體力學(xué)模型進(jìn)行分析，制定改造優(yōu)化方案并實施，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

【Abstract】Based on the analysis of the fluid mechanics model of the low-pressure cylinder exhaust gas channel of the 600MW condensing steam turbine produced by the Dongfang Steam Turbine Plant， the purpose of optimizing the energy saving and reducing consumption is put forward and implemented.

【關(guān)鍵詞】排汽通道；真空度； 模型分析； 節(jié)能

【Keywords】exhaust gas channel； vacuum degree； model analysis； energy saving

【中圖分類號】TK268 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0159-02

1 引言

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司#2機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的600MW汽輪機(jī)，機(jī)組型號為N600-24.2/566/566，結(jié)構(gòu)形式采用高、中壓缸，兩個低壓缸對稱布置。在裝有多級葉片的汽輪機(jī)中，蒸汽做功后流出進(jìn)入凝汽器，蒸汽在內(nèi)、外導(dǎo)流環(huán)間流動，排汽缸擴(kuò)壓器的設(shè)計為額定工況，當(dāng)負(fù)荷降低時，蒸汽在擴(kuò)壓器中擴(kuò)壓過度出現(xiàn)漩渦回流，導(dǎo)致流動損失增加；在排汽缸與排汽通道有很多支撐結(jié)構(gòu)，在凝汽器喉部布置了#7、8低壓加熱器、低旁減溫減壓裝置和抽汽管道，嚴(yán)重影響蒸汽流動，換熱效果下降，蒸汽不合理流動分布，導(dǎo)致冷凝管束中間產(chǎn)生漩渦，使換熱面積減小，不凝結(jié)氣體聚集在該區(qū)，造成換熱系數(shù)大幅度下降，對凝汽器的換熱產(chǎn)生不良影響，造成換熱端差增大，導(dǎo)致凝汽器中不凝結(jié)蒸汽量增加。不凝結(jié)蒸汽進(jìn)入水環(huán)真空泵后放出汽化潛熱，使真空泵密封水溫升高，工作性能下降，抽吸口壓力升高，使凝汽器真空下降，汽輪機(jī)排汽壓力升高，導(dǎo)致汽輪機(jī)組的效率下降。

2 流體力學(xué)模型計算分析

汽輪機(jī)低壓缸排汽狀態(tài)為湍流，湍流中的流動特征隨時間和參數(shù)不斷發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)特性比較復(fù)雜，但任何瞬間的運動仍然符合連續(xù)介質(zhì)流動的特征，可以用平均量和脈動量之和來考慮，它遵循連續(xù)介質(zhì)的動力學(xué)規(guī)律，服從質(zhì)量守恒定律，動量守恒定律和能量守恒定律。

介質(zhì)湍流的特性量輸運關(guān)系公式為：

左1項：單位體積內(nèi)的局部變化率；

左2項：通過控制面的凈通量；

右1項：通過控制面介質(zhì)散度；

右2項：內(nèi)部和外部過程對控制體內(nèi)特性量變化所做的功。

如果設(shè)定單位質(zhì)量的特性量Φ=1，JΦ=0，SΦ=0，對于湍流運動，由于所有任一瞬時特征量都可以表示為：φ= +φ′；設(shè)空間點上流體微團(tuán)的瞬時速度為u= +u′，瞬時密度為ρ= +ρ′，對（1）式展開得：

如果設(shè)定特征量為動量，即φ=u，由于分子效應(yīng)，通過控制面而移動的動量就產(chǎn)生應(yīng)力，設(shè)定作用在單位體積方向上的外力為 Fi，則動量方程為：

如果假設(shè)：

①介質(zhì)流體為連續(xù)性；②介質(zhì)流體動量的粘性擴(kuò)散與應(yīng)變成正比；③介質(zhì)流體具有相同性；④介質(zhì)流體內(nèi)的應(yīng)力僅是速度、壓力、密度和溫度的函數(shù)；⑤ 當(dāng)靜止時介質(zhì)流體內(nèi)的壓力就是流體內(nèi)的靜壓力；⑥ 當(dāng)介質(zhì)流體僅作膨脹或壓縮而無剪切形變時，介質(zhì)流體的平均內(nèi)應(yīng)力等于其壓力；⑦方程的特性常數(shù)，如密度、粘度系數(shù)等要由實驗確定。

對不可壓縮流體的湍流運動的時均運動方程：

當(dāng)介質(zhì)流體的流動方向平行于重力向量時其常數(shù)接近1；當(dāng)介質(zhì)流體流動方向垂直于重力向量時其常數(shù)接近0。

3 低壓缸排汽通道優(yōu)化節(jié)能分析

汽輪機(jī)的排汽壓力：Pc=Pc′ +△Pres+△Pc ，P′為抽汽口壓力；△Pres為凝汽器汽阻；△Pc為排汽缸阻力。

由于△Pc與排汽缸的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)基本不變，因此排汽壓力降低主要與抽汽口壓力Pc′和凝汽器汽阻△Pres有關(guān)，各抽汽口壓力Pc″與機(jī)組運行參數(shù)有關(guān)暫不考慮，降低凝汽器汽阻△Pres來分析排汽壓力降低的可行性。

蒸汽流動與冷凝管束搭配的合理對汽阻影響較大，其兩相流摩擦力取決于蒸汽流量和干度，當(dāng)蒸汽流量較大與循環(huán)水溫度較高時，蒸汽放熱量減少，導(dǎo)致冷凝管外蒸汽凝結(jié)速度下降，在流過相同的路程下，這些位置的蒸汽干度就大，蒸汽的阻力也就越大。

由上述分析可知，優(yōu)化導(dǎo)流環(huán)，改善排汽缸擴(kuò)壓效果，在機(jī)組排汽通道上加裝導(dǎo)流裝置，凝汽器傳熱系數(shù)增加，蒸汽阻力減小，真空泵性能變好，這些因素的共同作用使得機(jī)組的排汽壓力明顯降低，能夠提高汽輪機(jī)效率。

4 改造方案

4.1 導(dǎo)流環(huán)擴(kuò)壓器優(yōu)化設(shè)計

針對汽輪機(jī)末級出口的蒸汽流動特點，改進(jìn)排氣管擴(kuò)壓器的結(jié)構(gòu)，即改進(jìn)導(dǎo)流環(huán)的結(jié)構(gòu)、尺寸和角度，可以使得流場趨于均勻，有效減少流動損失，抑制低負(fù)荷時，擴(kuò)壓管通道中渦流的產(chǎn)生。擴(kuò)壓管效率與導(dǎo)流環(huán)軸向長度、出口截面積和導(dǎo)流環(huán)傾角密切相關(guān)：導(dǎo)流環(huán)軸向長度和出口截面積一定時，導(dǎo)流環(huán)傾角取最大壓力恢復(fù)系數(shù)對應(yīng)的傾角值時，擴(kuò)壓管效率較高；當(dāng)導(dǎo)流環(huán)傾角一定時，導(dǎo)流環(huán)軸向長度取最佳軸向長度，可以保證較高的擴(kuò)壓效率和壓力恢復(fù)系數(shù)。

4.2 排汽通道優(yōu)化設(shè)計

在凝汽器喉部的撐管上加裝導(dǎo)流板，合理設(shè)置導(dǎo)流板的層次、位置、型線、角度和高度。導(dǎo)流板上緣有的貼在撐管下半外圓上， 有的彎成圓弧掛在撐管上，能盡量減少流動阻力損失，分層次地分流主汽流能減輕汽流對導(dǎo)流板的沖擊。

5 實施過程簡述

通過在凝汽器喉部內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板等措施，優(yōu)化凝汽器喉部出口的汽流分布，使凝汽器入口處的汽流盡可能均勻分布。

①根據(jù)機(jī)組圖紙資料和現(xiàn)場測繪數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)組排汽缸和凝汽器喉部建模；②計算機(jī)組100%THA、75%THA、50%THA三個工況排汽流場分布；建立數(shù)值計算模型，根據(jù)3個工況的實驗參數(shù)，設(shè)定合理的邊界條件，進(jìn)行機(jī)組不同工況排汽流場計算；③分析流場計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷；④提出排汽優(yōu)化方案，在適當(dāng)?shù)奈恢眉友b不同形狀的均流裝置；⑤根據(jù)優(yōu)化方案計算機(jī)組100%THA、75%THA、50%THA三個工況排汽流場分布；分析流場計算結(jié)果，分析是否滿足要求。⑥根據(jù)優(yōu)化方案，繪制導(dǎo)流部件的加工和安裝圖，制定安裝工藝、方案；聯(lián)系廠家進(jìn)行導(dǎo)流部件加工制作，并進(jìn)行檢驗。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)排汽優(yōu)化方案，在凝汽器喉部安裝流線型的均流裝置，采用數(shù)值模擬手段確定導(dǎo)流板的位置、塊數(shù)、層數(shù)和角度，導(dǎo)流系統(tǒng)裝置安裝以后，不影響原設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和荷載分配，保證汽輪機(jī)組安全運行。

排汽優(yōu)化對循環(huán)水溫度較高的春秋和夏季效果比較明顯，而冬季效果不明顯。夏季和春秋運行時間為 4775 h，根據(jù)對比工況分析，保守估計若夏季和春秋平均提高真空0.5kPa，可使發(fā)電煤耗降低約為1.5g，以平均負(fù)荷率 69.12%計算，則可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為：△B = 600 ×1000 kW ×69.12% × 4775 h × 1.5g ÷ 1000000= 2970.4 t。

如果按每噸標(biāo)準(zhǔn)煤 600元計算，則年節(jié)約資金：

M= （0.06）萬/t × 2970.4 t= 178.22萬元。

項目投資87萬元，投資回收期小于6個月。

7 結(jié)語

鶴壁豐鶴發(fā)電有限責(zé)任公司#2汽輪機(jī)加裝均流裝置后，在機(jī)組日常運行狀況下，凝汽器入口處蒸汽流動方向得到改善，不凝結(jié)氣體減少，冷卻管束下端兩角的速度大幅度下降，汽阻明顯減小，提高了凝汽器冷凝管的換熱系數(shù)，抽氣口壓力下降，真空泵負(fù)載降低，最終使汽輪機(jī)低壓缸的排汽壓力下降，提高了凝汽器真空度，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。endprint