火電廠660MW超臨界機組排汽通道優化改造應用及分析

謝祖超 丁修軍 薛 雪 張若巖

大唐淮北發電廠 安徽 淮北 235000

0 引言

某火電廠2x660MW超臨界凝汽式燃煤發電機組，汽輪機為上海汽輪機廠生產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)。總冷卻面積：39000 m2，循環水設計水溫：20.66 ℃，循環水最高水溫：33.34 ℃(夏季P=10%的日平均氣象條件下，循環水溫度受氣溫影響升高)。循環倍率：59 (額定工況凝汽量)，冷卻水量：73969 t/h，冷卻管內水流速：≤ 2.3 m/s，凝汽器出口凝結水含氧量：≤ 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))，設計工況時凝汽器背壓：11.8 kPa(a)，凝汽器設計工況水阻：≤ 65 kPa，凝汽器循環水允許溫升：≤9 ℃，凝汽器出口凝結水過冷度：≤0.5 ℃，凝汽器設計端差：6.412(LP)/5.034(HP)℃，空冷區排出的氣-汽混合物的過冷度：4.16 ℃。2號汽輪機排汽通道技術改造，通過鐵嶺科爾克熱機有限公司與華北電力大學提供的汽輪機排汽通道優化技術，進行數值模擬論證。對該廠2號汽輪機低壓缸排汽通道和排汽流場在結構上進行優化改進方案，合理調整排汽汽流在機組正常運行時，進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，達到機組節能降耗效果。

1 原系統設備概況

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計值，造成該結果的原因除循環水流量、凝汽器冷卻管束臟污等以外，數值模擬研究分析表明，該機型低壓缸排汽通道結構緊湊，存在低壓缸徑向排汽結構，導致其擴壓部分排汽流場分布缺陷。同時，凝汽器喉部內部置了抽汽管道、低壓加熱器等，造成汽輪機低壓缸排汽流場分布不能達到最佳工況設計要求，使凝汽器換熱管束的熱負荷系數傳導不均。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、影響機組運行經濟性指標。

3 低壓缸排汽通道優化改造方案論證與實施

3.1 項目實施前的準備時間為2個月，主要是構建數值模型和進行流場模擬、設計方案優化研究。然后進行配件制造和現場施工準備。在項目實施準備期間內，可以通過凝汽器性能試驗完成優化改造前技術參數。

汽輪機排汽通道優化改造以數值模擬研究計算結果，所依據的大型計算流體力學軟件其計算準確性已經得到國內外權威機構的認可。從而以數值模擬計算結果為指導，實施低壓缸排汽通道流場改造導流裝置模塊與組裝整套產品定型和布置，通過改變模型或組裝整套導流裝置產品布置方案反復試驗，尋找最佳的優化方案和結果，既節省了試驗時間和費用，同時數值模擬產品也具有較高的準確性、靈活性。

3.2 在排汽通道優化項目改造實施前，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的整個排汽通道模型(如圖1)，降低凝汽器喉部內軸封供汽、抽汽管道、抽汽管道、內部撐管、低壓加熱器對排汽流場的影響。使用數值模擬軟件計算出凝汽器管束入口蒸汽流場分布，在排汽通道數值模型的不同位置設置導流裝置。凝汽器管束入口蒸汽流場通過流體力學軟件進一步計算，得出對導流裝置的布置方式的重新調整數據，依次循環計算調整導流裝置的布置方式，得到最佳的凝汽器管束入口蒸汽流場數據，即為排汽通道導流裝置布置改造的最優化方案。在這一環節中，改變的導流裝置布置方式包括：垂直型導流立板、傾斜型導流直板、流線型導流斜板，布置位置(位于垂直、平行轉子軸向和支撐管上下高度)及組合方式等，同時考慮現場施工的可實現性。依據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化方案。

在數值模擬得到最優化技術方案確認后，依據低壓缸排汽通道圖紙進行實施方案的工程設計，對導流板模塊進行工業設計、加工。如有必要，可對方案和產品型線進行微調，并利用數值模型再度驗證、指導工業設計，確保工程實施的順利進行。

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)部位排列安裝導流裝置。

圖1 原有結構下的汽輪機排汽通道數值模型

導流裝置(GH-600-1)為曲線形狀，傾斜安裝。在凝汽器喉部外是單塊結構，在凝汽器喉部內拼接成列(所有設備均采用模塊化結構，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部，在低壓缸內部對各模塊進行組合，按照數值模擬分析布置安裝完成成整套部件)。導流裝置主要部件采用耐沖刷的不銹鋼材質，提高其長周期使用年限。安裝固定導流裝置的位置是凝汽器喉部內的框架支撐鋼架管上，若凝汽器喉部內支撐鋼架管與導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支撐管固定導流裝置。支承管與導流裝置必須使用專用卡子和螺栓進行固定。

4 經濟效益

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

4.2 計算部分

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

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

4.2.2 從節煤的角度計算 600MW汽輪機排汽壓力每降低1kPa，對應煤耗降低2g/kwh，年節約標煤6000噸。當排汽壓力年平均降低0.2kPa時，年節約標準煤為：(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)

若按標準煤700元/噸計算，則年節約費用：

M=700×1845=129萬元

4.2.3 按1噸標準煤燃燒產生2.3噸CO2計算，則排汽通道優化改造后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 結論

通過2號汽輪機低壓缸排汽通道進行改造，優化了低壓缸排汽在凝汽器內的分布，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，達到了提高凝汽器真空和節能減排的目的。