李永利

(神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025)

超臨界600 MW濕冷機組冷端系統(tǒng)的改進

李永利

(神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025)

對凝汽器、循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設備的出力能力進行評估，根據(jù)汽輪機增容改造后對冷端系統(tǒng)設備的要求，分析計算出增容改造后冷端系統(tǒng)設備應具備的出力能力，并提出對應設備的改造范圍、改造關鍵點、關鍵部件的選型原則，以及對比改造前后的效果。

濕冷機組； 冷端優(yōu)化； 經(jīng)濟性

Abstract： To satisfy the uprating requirement of a steam turbine, an evaluation was conducted on the capacity of its cold end equipment, such as the condenser and circulating pump, etc., together with a calculation on the capacity that the cold end equipment should have after uprating of the steam turbine. On above basis, the range and key points of the retrofit as well as the selection of corresponding equipment were proposed, while a comparison was made simultaneously on economic efficiency of the unit before and after the retrofit.

Keywords： wet cooling unit; cold end optimization; economic efficiency

目前，常規(guī)純凝式火力發(fā)電廠中能量轉(zhuǎn)換效率約為42%，蒸汽的大部分能量都損失在汽輪機冷端，即大部分的熱能被凝汽器中的循環(huán)水帶走。目前國家節(jié)能減排的力度逐年增大，國務院發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》、《萬家企業(yè)節(jié)能低碳行動方案》已將節(jié)能減排列為燃煤發(fā)電企業(yè)發(fā)展的兩個約束性指標。某廠響應國家號召，對汽輪機實施增容提效改造，對以凝汽器、循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設備進行相應的評估及配套改造。

為提高循環(huán)水泵的安全可靠性，延長循環(huán)水泵檢修周期，同時配合汽輪機增容提效改造的工作要求，決定對以循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設備進行優(yōu)化改造。汽輪機增容改造后，汽輪機主、再熱蒸汽參數(shù)不變，在VOW工況下主蒸汽流量由原設計的1 913 t/h增大至1 943 t/h；機組額定出力由原設計的600 MW增容至630 MW。改造后凝汽器的面積裕量由原設計的27%優(yōu)化至16%，滿足凝汽器的設計要求[1]。

1 機組概況

1.1 汽輪機

汽輪機型號為N630-24.2/566/566，其型式為超臨界、一次中間再熱、(高中壓合缸)三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪發(fā)電機組。受當時設計技術(shù)、制造加工能力等因素的影響，汽輪機效率較低，熱耗偏高，在經(jīng)濟性方面和安全、可靠性方面都存在較多問題。為提高機組經(jīng)濟性與安全性，擬對汽輪機實施通流改造。

1.2 凝汽器

凝汽器型號為N-34000，其型式為雙背壓、雙殼體、表面型、雙汽室、八水室，殼體和水室為全焊接結(jié)構(gòu)。總冷卻面積為 34 000 m2，冷卻面積裕量為27%，冷卻水量為72 000 t/h。在TMCR工況下，設計面積裕量為27%，同類機組常規(guī)設計面積裕量為13%～15%。目前堵管率小于1%，凝汽器清潔度良好，無泄漏，真空度達到優(yōu)秀值。

1.3 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵型號為88LKXA-20.3，立式、單吸單級、內(nèi)體可抽式斜流泵，具體參數(shù)見表1。電動機型號為YL3000-16/2150-1，功率為3 000 kW。

表1 循環(huán)水泵參數(shù)

循環(huán)水泵自投產(chǎn)以來頻繁出現(xiàn)軸套脫落、導軸承斷裂、內(nèi)接管斷裂等問題導致循環(huán)水泵電動機軸瓦振動大的故障，威脅機組長周期安全穩(wěn)定運行。每臺循環(huán)水泵每次大修備件材料及修理費用約50萬元，人工費約25萬元，A級檢修時間約為50天，在此期間機組單泵運行給機組安全運行帶來隱患。

2 原冷端系統(tǒng)設備評估

2.1 凝汽器

精確核算并確定凝汽器循環(huán)水的增加量是改造的重要依據(jù)。對改造機組而言，制約凝汽器循環(huán)水量的主要因素是凝汽器冷卻水的流速。該廠凝汽器冷卻水管使用的是鈦管，目前常規(guī)濕冷機組鈦管的管內(nèi)流速在2.3～2.5 m/s，若流速繼續(xù)升高，長時間運行，鈦管存在泄漏風險，故該流速為凝汽器改造的限值條件。按上述原則核算，在凝汽器面積不變的情況下，循環(huán)水流量由原設計的72 000 m3/h增大到79 000 m3/h，此時水阻約為83 kPa。經(jīng)計算此時凝汽器背壓可由原設計的4.9 kPa降低至4.6 kPa，降低0.3 kPa(見表2)。

表2 冷端改造前后凝汽器參數(shù)對比

2.2 循環(huán)水泵

2.2.1 改造前設備基本情況

(1) 改造前循環(huán)水泵性能參數(shù)見表3。

表3 改造前循環(huán)水泵性能參數(shù)

(2) 循環(huán)水系統(tǒng)實測運行數(shù)據(jù)。

為保證改造的科學性，對循環(huán)系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)進行了采集(見表4)。

表4 循環(huán)水系統(tǒng)實測運行數(shù)據(jù)

2.2.2 目前運行工況分析

目前，該廠循環(huán)水泵根據(jù)循環(huán)水實際水溫情況，實施高、低雙速運行方式。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及歷年運行數(shù)據(jù)分析得出改造前循環(huán)水泵各工況運行參數(shù)[2](見表5)。

表5 改造前循環(huán)水泵各工況運行參數(shù)

從表5數(shù)據(jù)分析得知[3]：

(1) 一機一泵低速運行時，Q=39 600 m3/h,600 MW機組冬季要求Q=43 206 m3/h。所以，一機一泵低速運行時可以保證機組在545 MW以下對循環(huán)水量的要求。

(2) 一機一泵高速運行時，Q=49 500 m3/h可以滿足機組600 MW負荷冬季對循環(huán)水量的要求，但不能滿足630 MW負荷的要求。630 MW冬季滿負荷要求為54 233 m3/h，尚差4 733 m3/h，差值比例為8.7%，所以一機一泵高速運行時可以保證機組在545 MW以下對循環(huán)水量的要求。

(3) 一機二泵高速運行時，總流量Q=78 840 m3/h ，600 MW機組夏季要求∑Q=71 631 m3/h，所以一機二泵可以滿足機組600 MW負荷夏季對循環(huán)水量的要求，但不能滿足630 MW負荷的要求。630 MW夏季滿負荷要求為88 770 m3/h，單泵44 385 m3/h，總水量尚差13 530 m3/h，差值比例為15.2%。

(4) 二機三泵(兩高一低)運行時，總流量∑Q=129 240 m3/h，單機平均流量為64 620 m3/h，冷卻倍率為56.8，此水量可滿足初夏及發(fā)電負荷在540 MW以下對循環(huán)水量的要求。

(5) 泵的運行效率都不在高效區(qū)。增加循環(huán)水流量由原設計的72 000 m3/h增大到79 000 m3/h，循環(huán)水泵出力增大了7 000 m3/h，此外循環(huán)水泵還需提供開式水約9 200 m3/h的水量，故原循環(huán)水泵的出力不能滿足要求，需對循環(huán)水泵實施以增容和提高可靠性為目的的優(yōu)化改造。

3 冷端系統(tǒng)改造方案

3.1 改造范圍

(1) 原凝汽器滿足汽輪機增容提效改造要求，不需改造[4]。

(2) 原循環(huán)水泵不滿足汽輪機增容提效改造要求，需進行增容改造。

(3) 機組原設計冷端系統(tǒng)管道及附屬設備滿足要求，不需改造。

3.2 循環(huán)水泵改造方案

3.2.1 改造原則

(1) 泵組基礎臺板保持不變，吐出口管道布置保持不變。

(2) 泵組各季節(jié)運行方式保持不變。

(3) 泵組a、b、c外接管保持不變，外部尺寸不變。

3.2.2 改造后循環(huán)水泵水力特性計算

各種運行方式裝置的特性方程為[4]：

(1)

式中：HZ為揚程，m；Q為流量，m/s。下標11、12、23、24分別表示一機一泵、一機二泵、二機三泵、二機四泵。

根據(jù)上述特性方程繪制裝置特性曲線[5](見圖1)。

圖1 改造后循環(huán)水泵特性曲線

3.2.3 改造技術(shù)方案

(1) 更換循環(huán)水泵導葉體，在導葉體上部增加1個導軸承，由于循環(huán)水泵振動源主要為吸入口水力變化引起，在導葉體上增加一個導軸承，使循環(huán)水泵的穩(wěn)定性大幅提高，抗振性能增強(見圖2)。

圖2 改造后導葉體示意圖

(2) 將賽龍軸承改為橡膠軸承，提高減振性能，并在中間支架上部加裝兩根內(nèi)接管，采用工業(yè)水冷卻潤滑循環(huán)水泵導軸承，下導軸承增加5 cm的阻水邊，以保證含有雜質(zhì)的長江水不會進入導軸承，延長軸承使用壽命。將中間軸承支架筋板進行加強，增強抗振性能。

(3) 內(nèi)接管材質(zhì)改為不銹鋼材質(zhì)，提高耐腐蝕性，有效抵抗長江水對內(nèi)接管的腐蝕，延長內(nèi)接管的使用壽命。

(4) 對葉輪的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高效率，使循環(huán)水流量由72 000 m3/h增大至79 000 m3/h。

3.2.4 設計方案說明

(1) 根據(jù)設計參數(shù)，選用優(yōu)秀水力模型進行模型換算設計。

(2) 結(jié)構(gòu)設計時，要保證原泵的安裝基礎和吸入水池不變。

(3) 根據(jù)水利模型設計加工制造改造后閉式葉輪，增加了泵體及葉輪密封環(huán)，在泵體和葉輪密封環(huán)配合處比原泵增加了碰摩風險，因此該配合間隙應符合設計間隙，并保證現(xiàn)場安裝工藝。

(4) 中間支架加工為整圈配合，應保證加工精度，中間支架外徑與外筒體配合符合廠家設計間隙(0.025～0.061 mm)。

(5) 由于機組由600 MW增至630 MW后，泵的設計參數(shù)(流量和揚程)也相應地要增大，泵的設計比轉(zhuǎn)速由500變?yōu)?80，泵的水力元件(葉輪、導葉體等)要重新設計和更換。

(6) 由于水力元件的改變，相應的結(jié)構(gòu)設計要圍繞水力元件的改變而改變。

(7) 水泵、電動機的設計保證符合原泵的基礎安裝尺寸和吸入流道規(guī)范的要求。

(8) 整體更換循環(huán)水泵電動機，電機功率由3 000 kW增加至3 400 kW，除滿足循環(huán)水泵軸功率需要外，還應增加高低速切換柜，實現(xiàn)在不拆線情況下進行循環(huán)水泵的高低速切換。

3.2.5 改造后整體結(jié)構(gòu)強度及剛度校核

(1) 最小軸徑強度校核。

(2)

式中：d為軸徑，mm;M為力偶距，N·m；P為軸功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，rad/s;[τ]為許可強度極限， kg/cm2。

軸材質(zhì)為35CrMo，取P=3 400 kW，n=2.7 rad/s，[τ]=610 kg/cm2,得d=194.3 mm。實際套筒聯(lián)軸器卡環(huán)處取軸徑d=204.9 mm>194.3 mm,故最小軸徑滿足強度要求。

(2) 軸向推力校核。

軸向推力F由軸向水推力F1和泵轉(zhuǎn)子重力F2兩部分組成。

F1=KγAHg

(3)式中：K為軸向力系數(shù)，取0.8；γ為長江水的密度，取1.03 g/cm3；A為葉輪吸入面積，取1.34 m2；H為揚程，取21.18 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

經(jīng)計算得到F1為229.32 kN,F2為68.6 kN,軸向推力為297.92 kN。由性能曲線查得H0=45.5 m，得F1max=492.94 kN, 因而推力值提供合理[6]。

(3) 筒體強度計算校核。

(4)

式中：p為筒體的關閉壓力，取0.455 MPa(455 m揚程)；r為筒體內(nèi)徑，取1 100 mm；t為筒體壁厚，取20 mm。

得到筒體強度為31.28 MPa,而88LKXA-20.3G型泵筒體材料為Q235B，其極限強度為48 MPa，因而筒體強度足夠[2]。

4 改造后運行情況分析

改造后循環(huán)水泵運行曲線見圖3。

圖3 改造后循環(huán)水泵運行曲線

(1) 一機一泵高速運行時，回水閥開度為50%，運行工況點為A點，流量54 720 m3/h，滿足冬季單臺泵流量要求；回水閥開度為40%，運行工況點為A′點，流量49 860 m3/h，滿足630 MW負荷下，90%工況下對冷卻水量的要求。一機一泵低速運行時，回水閥開度為40%，運行工況點為A″點，流量43 200 m3/h，滿足630 MW負荷下，75%工況下對冷卻水量的要求。

(2) 一機二泵低速運行時，運行工況點為B點，流量77 760 m3/h，滿足春秋季滿負荷和夏季75%工況下對冷卻水量的要求。

(3) 一機二泵(高、低速)并列運行時，運行工況點為C點，流量83 340 m3/h，滿足春秋季滿負荷和夏季90%工況下對冷卻水量的要求。

(4) 一機二泵高速運行時，運行工況點為D點，流量88 920 m3/h，滿足夏季滿負荷工況下對冷卻水量的要求。

(5) 二機三泵(一高二低)運行時，運行工況點為E點，流量135 000 m3/h，平均每臺機組67 500 m3/h，滿足冬季滿負荷工況下對冷卻水量的要求。

(6) 循環(huán)水泵運行效率，除冬季一機一泵高速運行是80%外，其余運行工況點效率都在85%以上，而改造前運行的平均效率為76.3%，故改造后泵體的效率提高約8.5%。

5 結(jié)語

目前，該廠已完成汽輪機增容提效改造及冷端系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造，機組已安全穩(wěn)定運行約一年，改造后機組熱耗較改造前降低約320 kJ/(kW·h)，煤耗降低約11.8 g/(kW·h)，大幅提高了機組經(jīng)濟性水平。改造后冷端系統(tǒng)設備實際運行參數(shù)達到設計標準滿足機組實際運行要求。循環(huán)水泵軸瓦振動、瓦溫等運行數(shù)據(jù)達到優(yōu)秀值，設備安全性及可靠性大幅提高，取得了預期效果。

[1] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會. 電力建設施工及驗收技術(shù)規(guī)范汽輪機機組篇: DL 5011—1992[S]. 北京: 中國電力出版社, 1992: 66-126.

[2] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗規(guī)范 精密級: GB/T 18149-2000[S]. 北京: 中國標準出版社, 2004.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會離心泵. 技術(shù)條件(II)類: GB/T 5656—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2009.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范: GB 50660—2011[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2012.

[5] 關醒凡. 現(xiàn)代泵理論與設計[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2011: 256-378.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 離心泵、混流泵、軸流泵與旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟運行: GB/T 13469—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

ImprovementonColdEndSystemofa600MWSupercriticalWetCoolingUnit

Li Yongli

(Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China)

2016-07-25；

2016-10-16

李永利(1981—)，男，工程師，從事能源動力設備的設計、檢修、維護運行、改造等工作。

E-mail: ty-lyl@163.com

TK264.1

A

1671-086X(2017)05-0371-05