劉安倉(cāng)， 陳建忠， 謝穎紈， 楊寶鄂， 唐 強(qiáng)， 江 永， 陳明光

(1. 中國(guó)華能集團(tuán)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(zé)任公司，廣東汕頭 515000；3. 重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

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

采用PDMS軟件和數(shù)值分析方法，對(duì)某電廠1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水管系進(jìn)行了可視化建模，并進(jìn)行管道應(yīng)力和流動(dòng)阻力計(jì)算，研究管系的應(yīng)力分布和流動(dòng)阻力分布規(guī)律，進(jìn)一步提出減小凝結(jié)水管系流動(dòng)阻力和強(qiáng)化管道應(yīng)力安全性的優(yōu)化布置方案。

1 凝結(jié)水管系建模和分析方法

1.1 物理模型

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

圖1 凝結(jié)水管系模型圖

1.2 管道應(yīng)力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

采用Caesar Ⅱ軟件校核管道應(yīng)力分布，并為管道布置及支吊架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。壓力、質(zhì)量和其他持續(xù)機(jī)械載荷產(chǎn)生的縱向應(yīng)力總和應(yīng)不超過(guò)熱態(tài)條件下的許用應(yīng)力。管道應(yīng)力校核分別采用一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核。

一次應(yīng)力的校核公式為：

SSUS=S1=0.75iMA/Z+pd12/(d22-d12)≤Sh

(1)

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

二次應(yīng)力的校核公式為：

Se=iMc/Z≤λ(1.25Sc+1.25Sh-S1)

(2)

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

1.3 支吊架計(jì)算和校核

采用EHS軟件，結(jié)合Caesar Ⅱ軟件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)支吊架的布置進(jìn)行校核計(jì)算，并對(duì)支吊架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置。

優(yōu)化后的凝結(jié)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(jié)構(gòu)載荷的70%以內(nèi)，彈簧支吊架的最大載荷變化率為20%，根據(jù)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(shè)備端口應(yīng)力最大增加7.5%，仍在10%的裕量之內(nèi)，管道一次、二次應(yīng)力裕量充足。

1.4 流動(dòng)阻力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

Flowmaster軟件具有高效的計(jì)算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方式等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)1 000 MW機(jī)組的凝結(jié)水管系，以凝結(jié)水泵出口為模型起點(diǎn)，除氧器進(jìn)口為模型的終點(diǎn)，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(dòng)阻力計(jì)算模型，并分析流動(dòng)阻力分布與機(jī)組負(fù)荷變化的關(guān)系。

管系摩擦阻力采用Colebrook-White模型方法計(jì)算，相關(guān)計(jì)算式如下：

(3)

式中：f為直管流動(dòng)阻力系數(shù)；fl為對(duì)應(yīng)層流狀態(tài)的直管流動(dòng)阻力系數(shù)；ft為對(duì)應(yīng)湍流狀態(tài)的直管流動(dòng)阻力系數(shù)；ε為管道相對(duì)粗糙度；Re為雷諾數(shù)。

彎頭流動(dòng)阻力的計(jì)算式如下：

(4)

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

根據(jù)閥門的流動(dòng)阻力系數(shù)曲線及流動(dòng)阻力系數(shù)隨閥門開度變化曲線，閥門流動(dòng)阻力的計(jì)算式如下：

(5)

式中：Δp2為閥門流動(dòng)阻力；ka為閥門流動(dòng)阻力系數(shù)。

采用上述流動(dòng)阻力計(jì)算模型，對(duì)原始凝結(jié)水管系流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：總流動(dòng)阻力相對(duì)偏差小于1.3%，模型能較好地反應(yīng)管系中凝結(jié)水的流動(dòng)阻力。

2 凝結(jié)水管系仿真

2.1 流動(dòng)阻力分布

流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，從凝結(jié)水精處理出口到除氧器的凝結(jié)水管系(不含低壓加熱器)的總流動(dòng)阻力為0.159 MPa。

凝結(jié)水管系的流動(dòng)阻力分布表明，低壓加熱器旁路系統(tǒng)和閥門的布置對(duì)局部流動(dòng)阻力有顯著影響。以5號(hào)低壓加熱器為例，2個(gè)T形三通和3個(gè)閥門組成加熱器的進(jìn)出口管道及旁路系統(tǒng)見圖2。低壓加熱器正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水流經(jīng)圖2箭頭所標(biāo)注的T形三通元件，凝結(jié)水的流動(dòng)方向急劇改變，并且容易形成渦流等二次流動(dòng)，產(chǎn)生了顯著的局部流動(dòng)阻力。T形三通處的局部流動(dòng)阻力超過(guò)2 000 Pa，最大值為6 000 Pa，遠(yuǎn)大于常規(guī)彎頭的局部流動(dòng)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(hào)低壓加熱器的凝結(jié)水管路結(jié)構(gòu)圖

2.2 應(yīng)力分布及支吊架布置

CaesarⅡ軟件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力較小，在機(jī)組滿負(fù)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(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問(wèn)題。凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力最大值為42.6 MPa，該處管道的許用應(yīng)力為126.8 MPa；二次應(yīng)力最大值為206.4 MPa，該處管道的許用應(yīng)力為276.3 MPa。凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，支吊架布置合理，加熱器及水泵接口處的應(yīng)力分布符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范。應(yīng)力分析結(jié)果表明，凝結(jié)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(shù)量、管道壁厚和管徑等。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)應(yīng)力分析和流動(dòng)阻力計(jì)算的結(jié)果，結(jié)合機(jī)組凝結(jié)水管系的實(shí)際布置情況，提出機(jī)組凝結(jié)水管系的優(yōu)化布置方案，合理改進(jìn)局部流動(dòng)阻力較大的結(jié)構(gòu)，并在管道空間布局允許的條件下，盡可能對(duì)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(hào)低壓加熱器局部管道優(yōu)化

圖3為7/8號(hào)低壓加熱器的出口管路連接到凝結(jié)水主管道的實(shí)際結(jié)構(gòu)，在7/8號(hào)低壓加熱器的出口端，匯合處是突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的2個(gè)T形三通，造成該處的局部流動(dòng)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(hào)低壓加熱器凝結(jié)水出口管路實(shí)際結(jié)構(gòu)

提出的優(yōu)化布置方案見圖4。將2根出口支管利用1個(gè)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(jīng)1個(gè)Y形三通匯入主管道。

圖4 7/8號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水出口管路優(yōu)化布置方案

3.2 6號(hào)和5號(hào)低壓加熱器局部管道優(yōu)化

圖5為6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

圖5 6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路的實(shí)際結(jié)構(gòu)

該實(shí)際結(jié)構(gòu)包括2個(gè)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(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水流經(jīng)T形三通時(shí)，需要轉(zhuǎn)向90°，并且彎頭結(jié)構(gòu)較差，導(dǎo)致局部流動(dòng)阻力較大。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，將旁路閥門位置垂直向上移動(dòng)，局部?jī)?yōu)化布置方案見圖6。加熱器正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水經(jīng)T形三通的直通道、彎頭和閥等，進(jìn)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(gòu)成。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是凝結(jié)水的局部流動(dòng)阻力顯著減小，閥門布置和支撐等也比較方便，管道結(jié)構(gòu)緊湊。

圖6 6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路優(yōu)化布置方案

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

3.3 優(yōu)化方案的仿真結(jié)果與分析

凝結(jié)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(jī)房總體模型中，經(jīng)檢查確認(rèn)，管路無(wú)碰撞，優(yōu)化方案的布局可行。其次，經(jīng)Caesar Ⅱ軟件計(jì)算，優(yōu)化后的凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)規(guī)范，加熱器及凝結(jié)水泵接口處的應(yīng)力分布符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范。最后，經(jīng)EHS軟件校核支吊架布置，優(yōu)化方案合理。

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

表1 凝結(jié)水管系優(yōu)化布置后的流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果

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

3.4 節(jié)能效果

按照計(jì)算結(jié)果，當(dāng)機(jī)組為100%負(fù)荷，即單臺(tái)凝結(jié)水泵優(yōu)化前后的功率分別為552 kW和541 kW時(shí)，凝結(jié)水泵的泵功率消耗下降了11 kW。按電廠每年運(yùn)行5 000 h，2臺(tái)凝結(jié)水泵計(jì)算，凝結(jié)水泵電耗減小11萬(wàn)kW·h。凝結(jié)水泵節(jié)約的電功率全部上網(wǎng)，上網(wǎng)電價(jià)按0.4元/(kW·h)計(jì)算，每年增加的收入為4.4萬(wàn)元。優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益較好。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)該電廠1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水管道系統(tǒng)布置進(jìn)行了優(yōu)化研究，得到以下結(jié)論：

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

(2) 凝結(jié)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(dòng)阻力和總流動(dòng)阻力。按照優(yōu)化方案，凝結(jié)水管系的流動(dòng)阻力可降低約20%，有較好的節(jié)能效果。