劉安倉， 陳建忠， 謝穎紈， 楊寶鄂， 唐 強， 江 永， 陳明光

(1. 中國華能集團有限公司南方分公司，廣州 510623；2. 華能汕頭海門發(fā)電有限責任公司，廣東汕頭 515000；3. 重慶大學 低品位能源利用技術與系統(tǒng)重點實驗室，重慶 400044)

在計算機科技水平不斷發(fā)展的背景下，大批有利于電廠技術革新與管理提升的工具和手段出現，并為電廠中各環(huán)節(jié)的工藝改進、挖潛增效方案的實現提供了便利[1-2]。在工程實踐應用中，凝結水管系的流程長，與之連接的設備和閥門多，管道的結構安全性要求高，空間布置的位置有限，流動阻力、應力分布、空間布置等因素相互制約，導致凝結水管系的優(yōu)化難度大[3-6]。

采用PDMS軟件和數值分析方法，對某電廠1 000 MW機組凝結水管系進行了可視化建模，并進行管道應力和流動阻力計算，研究管系的應力分布和流動阻力分布規(guī)律，進一步提出減小凝結水管系流動阻力和強化管道應力安全性的優(yōu)化布置方案。

1 凝結水管系建模和分析方法

1.1 物理模型

以凝結水泵出口為模型起點，除氧器進口為模型的終點，采用PDMS軟件，進行三維管系建模。凝結水管系模型見圖1。受汽輪機房布置的限制，該凝結水管系的加熱器布局分散，管系流程較長，彎頭和閥門較多。

圖1 凝結水管系模型圖

1.2 管道應力計算的數學模型

采用Caesar Ⅱ軟件校核管道應力分布，并為管道布置及支吊架優(yōu)化設計提供依據。壓力、質量和其他持續(xù)機械載荷產生的縱向應力總和應不超過熱態(tài)條件下的許用應力。管道應力校核分別采用一次應力和二次應力校核。

一次應力的校核公式為：

SSUS=S1=0.75iMA/Z+pd12/(d22-d12)≤Sh

(1)

式中：SSUS為縱向應力的總和；S1為持續(xù)載荷；i為應力增強系數；MA為持續(xù)載荷引起的總彎矩；Z為抗彎截面系數；p為管道介質壓力；d12為管道內徑；d22為管道外徑；Sh為熱態(tài)條件下的許用應力。

二次應力的校核公式為：

Se=iMc/Z≤λ(1.25Sc+1.25Sh-S1)

(2)

式中：Se為二次應力；Mc為二次載荷引起的總彎矩；λ為應力系數；Sc為材料在環(huán)境溫度下的許用應力。

1.3 支吊架計算和校核

采用EHS軟件，結合Caesar Ⅱ軟件的應力計算結果，對支吊架的布置進行校核計算，并對支吊架進行優(yōu)化設計和布置。

優(yōu)化后的凝結水管系支吊架在安裝和工作狀態(tài)下，最大載荷為該處支吊架結構載荷的70%以內，彈簧支吊架的最大載荷變化率為20%，根據NB/T 47039—2013 《可變彈簧支吊架》彈簧支吊架的最大載荷變化率小于25%，設備端口應力最大增加7.5%，仍在10%的裕量之內，管道一次、二次應力裕量充足。

1.4 流動阻力計算的數學模型

Flowmaster軟件具有高效的計算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方式等優(yōu)點。根據1 000 MW機組的凝結水管系，以凝結水泵出口為模型起點，除氧器進口為模型的終點，包括全部管子、閥門和彎頭等組件為基本建模單元，采用Flowmaster軟件建立流動阻力計算模型，并分析流動阻力分布與機組負荷變化的關系。

管系摩擦阻力采用Colebrook-White模型方法計算，相關計算式如下：

(3)

式中：f為直管流動阻力系數；fl為對應層流狀態(tài)的直管流動阻力系數；ft為對應湍流狀態(tài)的直管流動阻力系數；ε為管道相對粗糙度；Re為雷諾數。

彎頭流動阻力的計算式如下：

(4)

式中：Δp1為彎頭流動阻力；kb為彎頭流動阻力系數；CRe為層流修正系數;Cε為表面粗糙度修正系數；ρ為流體密度；v為流體流速。

根據閥門的流動阻力系數曲線及流動阻力系數隨閥門開度變化曲線，閥門流動阻力的計算式如下：

(5)

式中：Δp2為閥門流動阻力；ka為閥門流動阻力系數。

采用上述流動阻力計算模型，對原始凝結水管系流動阻力進行計算，并與現場運行數據進行對比，結果表明：總流動阻力相對偏差小于1.3%，模型能較好地反應管系中凝結水的流動阻力。

2 凝結水管系仿真

2.1 流動阻力分布

流動阻力計算結果表明，機組滿負荷運行時，從凝結水精處理出口到除氧器的凝結水管系(不含低壓加熱器)的總流動阻力為0.159 MPa。

凝結水管系的流動阻力分布表明，低壓加熱器旁路系統(tǒng)和閥門的布置對局部流動阻力有顯著影響。以5號低壓加熱器為例，2個T形三通和3個閥門組成加熱器的進出口管道及旁路系統(tǒng)見圖2。低壓加熱器正常運行時，凝結水流經圖2箭頭所標注的T形三通元件，凝結水的流動方向急劇改變，并且容易形成渦流等二次流動，產生了顯著的局部流動阻力。T形三通處的局部流動阻力超過2 000 Pa，最大值為6 000 Pa，遠大于常規(guī)彎頭的局部流動阻力(100～300 Pa)。因此，低壓加熱器旁路系統(tǒng)和閥門的布置，有較大的優(yōu)化潛力。

圖2 5號低壓加熱器的凝結水管路結構圖

2.2 應力分布及支吊架布置

CaesarⅡ軟件的應力計算結果表明，凝結水管系的一次應力及二次應力較小，在機組滿負荷條件下具有足夠的柔性，能夠防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點附加位移造成應力問題。凝結水管系的一次應力最大值為42.6 MPa，該處管道的許用應力為126.8 MPa；二次應力最大值為206.4 MPa，該處管道的許用應力為276.3 MPa。凝結水管系的一次應力及二次應力均符合設計規(guī)范，支吊架布置合理，加熱器及水泵接口處的應力分布符合相關技術規(guī)范。應力分析結果表明，凝結水管系的剛性較小，有一定的優(yōu)化布置潛力，例如可以減小管道彎頭數量、管道壁厚和管徑等。

3 優(yōu)化方案

根據應力分析和流動阻力計算的結果，結合機組凝結水管系的實際布置情況，提出機組凝結水管系的優(yōu)化布置方案，合理改進局部流動阻力較大的結構，并在管道空間布局允許的條件下，盡可能對管道裁彎取直。為了充分利舊，降低成本，管道直徑等尺寸不變。

3.1 7/8號低壓加熱器局部管道優(yōu)化

圖3為7/8號低壓加熱器的出口管路連接到凝結水主管道的實際結構，在7/8號低壓加熱器的出口端，匯合處是突擴結構的2個T形三通，造成該處的局部流動阻力較大，而且2條支路在匯入主路前是平行的。

圖3 7/8號低壓加熱器凝結水出口管路實際結構

提出的優(yōu)化布置方案見圖4。將2根出口支管利用1個Y形三通連接，匯合處的彎頭角度為120°，匯合后的管子直徑與主管道的管徑一致，匯合后的管子經1個Y形三通匯入主管道。

圖4 7/8號低壓加熱器凝結水出口管路優(yōu)化布置方案

3.2 6號和5號低壓加熱器局部管道優(yōu)化

圖5為6號低壓加熱器凝結水旁路的實際結構。

圖5 6號低壓加熱器凝結水旁路的實際結構

該實際結構包括2個T形三通，有利于旁路系統(tǒng)及閥門組的布置。但是，在正常運行時，凝結水流經T形三通時，需要轉向90°，并且彎頭結構較差，導致局部流動阻力較大。優(yōu)化設計時，將旁路閥門位置垂直向上移動，局部優(yōu)化布置方案見圖6。加熱器正常運行時，凝結水經T形三通的直通道、彎頭和閥等，進入和流出低壓加熱器，旁路系統(tǒng)則由T形三通的分支通道和閥門構成。這種布置的優(yōu)點是凝結水的局部流動阻力顯著減小，閥門布置和支撐等也比較方便，管道結構緊湊。

圖6 6號低壓加熱器凝結水旁路優(yōu)化布置方案

5號低壓加熱器的管道局部優(yōu)化布置方法和優(yōu)化方案與6號低壓加熱器基本相同。

3.3 優(yōu)化方案的仿真結果與分析

凝結水管系布局優(yōu)化方案確定后，首先，將優(yōu)化后的模型放入汽輪機房總體模型中，經檢查確認，管路無碰撞，優(yōu)化方案的布局可行。其次，經Caesar Ⅱ軟件計算，優(yōu)化后的凝結水管系的一次應力及二次應力均符合設計規(guī)范，加熱器及凝結水泵接口處的應力分布符合相關技術規(guī)范。最后，經EHS軟件校核支吊架布置，優(yōu)化方案合理。

凝結水管系優(yōu)化布置后的流動阻力計算結果見表1。優(yōu)化布置后，凝結水管系總流動阻力(不含加熱器)降低約20%，效果比較明顯。

表1 凝結水管系優(yōu)化布置后的流動阻力計算結果

根據應力分析的計算結果，與優(yōu)化前的計算結果相比，凝結水管系布置優(yōu)化后，管道的一次應力最大值增加了約6%，為該處管道許用應力的39.6%，二次應力僅減小了3.7 MPa。優(yōu)化布置的凝結水管系在設計條件下仍然具有足夠的柔性。

3.4 節(jié)能效果

按照計算結果，當機組為100%負荷，即單臺凝結水泵優(yōu)化前后的功率分別為552 kW和541 kW時，凝結水泵的泵功率消耗下降了11 kW。按電廠每年運行5 000 h，2臺凝結水泵計算，凝結水泵電耗減小11萬kW·h。凝結水泵節(jié)約的電功率全部上網，上網電價按0.4元/(kW·h)計算，每年增加的收入為4.4萬元。優(yōu)化方案的經濟效益較好。

4 結語

對該電廠1 000 MW機組凝結水管道系統(tǒng)布置進行了優(yōu)化研究，得到以下結論：

(1) 合理優(yōu)化布置管道及閥門后，凝結水管系仍然具有足夠的柔性，其一次應力和二次應力都在許用應力范圍以內。

(2) 凝結水管系繁雜，合理優(yōu)化管道及閥門布置，能夠明顯降低管道局部流動阻力和總流動阻力。按照優(yōu)化方案，凝結水管系的流動阻力可降低約20%，有較好的節(jié)能效果。