謝祖超 丁修軍 薛 雪 張若巖

大唐淮北發(fā)電廠 安徽 淮北 235000

0 引言

某火電廠2x660MW超臨界凝汽式燃煤發(fā)電機組，汽輪機為上海汽輪機廠生產(chǎn)的超臨界凝汽式汽輪機，型號：N660-24.2/566/566。機組配凝汽器(型號：N-36000)?？偫鋮s面積：39000 m2，循環(huán)水設(shè)計水溫：20.66 ℃，循環(huán)水最高水溫：33.34 ℃(夏季P=10%的日平均氣象條件下，循環(huán)水溫度受氣溫影響升高)。循環(huán)倍率：59 (額定工況凝汽量)，冷卻水量：73969 t/h，冷卻管內(nèi)水流速：≤ 2.3 m/s，凝汽器出口凝結(jié)水含氧量：≤ 20 μg/L，凝汽器熱井容積：30 m3，冷卻水工作壓力：0.26 MPa，年平均運行背壓(冷卻水溫20.66℃)：5.1 kPa(a)(高/低背壓為5.5/4.8kPa(a))，設(shè)計工況時凝汽器背壓：11.8 kPa(a)，凝汽器設(shè)計工況水阻：≤ 65 kPa，凝汽器循環(huán)水允許溫升：≤9 ℃，凝汽器出口凝結(jié)水過冷度：≤0.5 ℃，凝汽器設(shè)計端差：6.412(LP)/5.034(HP)℃，空冷區(qū)排出的氣-汽混合物的過冷度：4.16 ℃。2號汽輪機排汽通道技術(shù)改造，通過鐵嶺科爾克熱機有限公司與華北電力大學(xué)提供的汽輪機排汽通道優(yōu)化技術(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬論證。對該廠2號汽輪機低壓缸排汽通道和排汽流場在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)方案，合理調(diào)整排汽汽流在機組正常運行時，進(jìn)入凝汽器冷卻管束的流場最佳工況布置。提高了凝汽器的熱交換能力，達(dá)到機組節(jié)能降耗效果。

1 原系統(tǒng)設(shè)備概況

該火電廠凝汽器喉部處布置的抽汽管道、7號、8號低壓加熱器眾多支撐鋼架管、以及小汽輪機排汽等，直接影響主機排汽流場汽流到進(jìn)入凝汽器冷卻管束的流場通道最佳工況分布，減少了凝汽器的有效傳熱面積，降低了凝汽器的冷卻換熱效果。

2 存在的主要問題

該廠660MW汽輪機實際運行顯示，汽輪機排汽壓力高于設(shè)計值，造成該結(jié)果的原因除循環(huán)水流量、凝汽器冷卻管束臟污等以外，數(shù)值模擬研究分析表明，該機型低壓缸排汽通道結(jié)構(gòu)緊湊，存在低壓缸徑向排汽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其擴壓部分排汽流場分布缺陷。同時，凝汽器喉部內(nèi)部置了抽汽管道、低壓加熱器等，造成汽輪機低壓缸排汽流場分布不能達(dá)到最佳工況設(shè)計要求，使凝汽器換熱管束的熱負(fù)荷系數(shù)傳導(dǎo)不均。在一定程度上制約了凝汽器的換熱冷卻效果及汽輪機排汽壓力。尤其，在夏季工況問題較為突出、影響機組運行經(jīng)濟性指標(biāo)。

3 低壓缸排汽通道優(yōu)化改造方案論證與實施

3.1 項目實施前的準(zhǔn)備時間為2個月，主要是構(gòu)建數(shù)值模型和進(jìn)行流場模擬、設(shè)計方案優(yōu)化研究。然后進(jìn)行配件制造和現(xiàn)場施工準(zhǔn)備。在項目實施準(zhǔn)備期間內(nèi)，可以通過凝汽器性能試驗完成優(yōu)化改造前技術(shù)參數(shù)。

汽輪機排汽通道優(yōu)化改造以數(shù)值模擬研究計算結(jié)果，所依據(jù)的大型計算流體力學(xué)軟件其計算準(zhǔn)確性已經(jīng)得到國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)的認(rèn)可。從而以數(shù)值模擬計算結(jié)果為指導(dǎo)，實施低壓缸排汽通道流場改造導(dǎo)流裝置模塊與組裝整套產(chǎn)品定型和布置，通過改變模型或組裝整套導(dǎo)流裝置產(chǎn)品布置方案反復(fù)試驗，尋找最佳的優(yōu)化方案和結(jié)果，既節(jié)省了試驗時間和費用，同時數(shù)值模擬產(chǎn)品也具有較高的準(zhǔn)確性、靈活性。

3.2 在排汽通道優(yōu)化項目改造實施前，通過改造機組凝汽器、凝汽器喉部和低壓缸圖紙，以建立汽機末級在內(nèi)的整個排汽通道模型(如圖1)，降低凝汽器喉部內(nèi)軸封供汽、抽汽管道、抽汽管道、內(nèi)部撐管、低壓加熱器對排汽流場的影響。使用數(shù)值模擬軟件計算出凝汽器管束入口蒸汽流場分布，在排汽通道數(shù)值模型的不同位置設(shè)置導(dǎo)流裝置。凝汽器管束入口蒸汽流場通過流體力學(xué)軟件進(jìn)一步計算，得出對導(dǎo)流裝置的布置方式的重新調(diào)整數(shù)據(jù)，依次循環(huán)計算調(diào)整導(dǎo)流裝置的布置方式，得到最佳的凝汽器管束入口蒸汽流場數(shù)據(jù)，即為排汽通道導(dǎo)流裝置布置改造的最優(yōu)化方案。在這一環(huán)節(jié)中，改變的導(dǎo)流裝置布置方式包括：垂直型導(dǎo)流立板、傾斜型導(dǎo)流直板、流線型導(dǎo)流斜板，布置位置(位于垂直、平行轉(zhuǎn)子軸向和支撐管上下高度)及組合方式等，同時考慮現(xiàn)場施工的可實現(xiàn)性。依據(jù)660MW機組實際工程情況，通常需要從十幾個方案中最終得到優(yōu)化方案。

在數(shù)值模擬得到最優(yōu)化技術(shù)方案確認(rèn)后，依據(jù)低壓缸排汽通道圖紙進(jìn)行實施方案的工程設(shè)計，對導(dǎo)流板模塊進(jìn)行工業(yè)設(shè)計、加工。如有必要，可對方案和產(chǎn)品型線進(jìn)行微調(diào)，并利用數(shù)值模型再度驗證、指導(dǎo)工業(yè)設(shè)計，確保工程實施的順利進(jìn)行。

3.3 2016年6月，該廠在2號機組大修期間，對2號汽輪機低壓缸排汽通道進(jìn)行改造實施，一臺機組涉及兩個凝汽器喉部，因此本次實施改造的位置在低壓缸下部和凝汽器換熱管上部的喉部(接頸)部位排列安裝導(dǎo)流裝置。

圖1 原有結(jié)構(gòu)下的汽輪機排汽通道數(shù)值模型

導(dǎo)流裝置(GH-600-1)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(所有設(shè)備均采用模塊化結(jié)構(gòu)，整套部件由各模塊拼接而成，安裝順序：單個模塊從低壓缸人口門搬運至低壓缸內(nèi)部，在低壓缸內(nèi)部對各模塊進(jìn)行組合，按照數(shù)值模擬分析布置安裝完成成整套部件)。導(dǎo)流裝置主要部件采用耐沖刷的不銹鋼材質(zhì)，提高其長周期使用年限。安裝固定導(dǎo)流裝置的位置是凝汽器喉部內(nèi)的框架支撐鋼架管上，若凝汽器喉部內(nèi)支撐鋼架管與導(dǎo)流裝置無法連接固定時，需要從附近支撐鋼架管處延伸架設(shè)支撐管固定導(dǎo)流裝置。支承管與導(dǎo)流裝置必須使用專用卡子和螺栓進(jìn)行固定。

4 經(jīng)濟效益

4.1 該廠2號機汽輪機排汽通道優(yōu)化改造后，由于低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)的分布趨于合理，凝汽器換熱管的熱交換效率提高顯著，在機組有關(guān)運行條件：凝汽器熱負(fù)荷、換熱管的清潔程度、汽輪機蒸汽負(fù)荷率、循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度、循環(huán)冷卻水流量、真空嚴(yán)密性等前提下，當(dāng)循環(huán)冷卻水處于額定流量、蒸汽負(fù)荷率為100%、循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度為30℃時，對凝汽器性能進(jìn)行多次對比試驗，試驗表明，改造有明顯效果，凝汽器真空提高0.3KPa及以上，年節(jié)約標(biāo)煤1845噸。

4.2 計算部分

4.2.1 從多發(fā)電角度計算 當(dāng)排汽壓力年平均降低0.2kPa，對應(yīng)的功率約增加0.12%，按年運行小時7000小時，每度電價0.3元計算，則每年多發(fā)電費用：

M=(600×103kW×0.12%×7000h)×0.3×10-4=152萬元

4.2.2 從節(jié)煤的角度計算 600MW汽輪機排汽壓力每降低1kPa，對應(yīng)煤耗降低2g/kwh，年節(jié)約標(biāo)煤6000噸。當(dāng)排汽壓力年平均降低0.2kPa時，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤為：(鍋爐效率取0.92，管道效率取0.99)

T=0.2×2×10-6t/kWh×600×103kW×7000/0.92/0.99 =1845(噸)

若按標(biāo)準(zhǔn)煤700元/噸計算，則年節(jié)約費用：

M=700×1845=129萬元

4.2.3 按1噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生2.3噸CO2計算，則排汽通道優(yōu)化改造后600MW機組/臺，每年減排CO2排量為：

2.3×1845=4243噸

4.2.4 本優(yōu)化改造項目，無需任何運行維護費用，亦不消耗任何能源，投資費用117萬元。故其投資回收期可簡單計算如下：

X= 117/129≈1年。

即一年就可收回全部投資。

5 結(jié)論

通過2號汽輪機低壓缸排汽通道進(jìn)行改造，優(yōu)化了低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)的分布，凝汽器換熱管的熱交換效果顯著，消除低壓缸排汽通道存在分布不合理缺陷，達(dá)到了提高凝汽器真空和節(jié)能減排的目的。