殷宏業(yè)

(大唐清苑熱電有限公司, 河北 保定 071000)

300 MW汽輪機(jī)中低壓缸連通管的改造與節(jié)能分析

殷宏業(yè)

(大唐清苑熱電有限公司, 河北 保定 071000)

對(duì)“單雙單”雙截止閥型汽輪機(jī)中低壓缸連通管及閥門的節(jié)流消除進(jìn)行了改造,將單雙單雙截止閥型中低壓缸連通管改造為“倒U單管”單蝶閥型新式中低壓缸連通管,并從流體力學(xué)和熱力學(xué)的角度對(duì)改造系統(tǒng)進(jìn)行分析.結(jié)果表明,改造后節(jié)流損失明顯消除,機(jī)組TRL工況下發(fā)電煤耗降低了0.641 7 g/kWh,發(fā)電能力提高了0.614 4 MW,該方案普遍適合上海汽輪機(jī)廠300 MW舊型機(jī)組的推廣,具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益.

汽輪機(jī); 低壓缸連通管; 改造; 節(jié)能

汽輪機(jī)通流管道的損失嚴(yán)重影響其整體效率,對(duì)性能落后的汽輪機(jī)通流管道實(shí)施技術(shù)改造,提高機(jī)組的運(yùn)行效率、降低能耗,已成為汽輪機(jī)節(jié)能改造的主要發(fā)展方向.該領(lǐng)域的改造項(xiàng)目屬于工業(yè)流體系統(tǒng)技術(shù)改造領(lǐng)域的內(nèi)容,目的是提高機(jī)組通流管道的效率,降低熱耗,從而提高企業(yè)的生產(chǎn)效率,降低能耗成本,以便獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益.汽輪機(jī)通流管道改造項(xiàng)目要求其保證技術(shù)先進(jìn)性、合理性,機(jī)組的運(yùn)行可靠,同時(shí)具有一定的經(jīng)濟(jì)效益.通流管道改造技術(shù)的實(shí)施是對(duì)陳舊技術(shù)的淘汰,為電廠提供了新的節(jié)能降耗途徑,突破了傳統(tǒng)的僅對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部通流部分改造的技術(shù)局限.

本文的研究對(duì)象是北方某電廠采用的上海汽輪機(jī)廠155型機(jī)組(C300-16.7/0.43/537/537中間再熱抽凝式汽輪機(jī)),該機(jī)組于2012年投產(chǎn),中低壓缸連通管采用“單雙單”雙截止閥型中低壓缸連通管,陳舊技術(shù)導(dǎo)致蒸汽損失問(wèn)題尤為突出.經(jīng)調(diào)研,原連通管匹配雙調(diào)節(jié)閥門形式已被上海汽輪機(jī)廠棄用,并逐漸推行單管匹配大口徑蝶閥式改造技術(shù).本文采用“倒U單管”單蝶閥型新式中低壓缸連通管,用單根DN1400管路連接中壓缸口排汽口與低壓缸進(jìn)汽口,并在中壓缸排汽口上方加裝1臺(tái)DN1400蝶閥和配套增加管道膨脹區(qū),對(duì)典型300 MW汽輪機(jī)中低壓缸連通管進(jìn)行改造分析.同時(shí),對(duì)該項(xiàng)目開(kāi)展了相關(guān)的的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,客觀準(zhǔn)確地反映改造效果,為火電廠汽輪機(jī)通流部分改造項(xiàng)目提供參考,為同類機(jī)組的通流改造提供決策依據(jù).

1 項(xiàng)目概況

該電廠原中低壓缸連通管連接方式如圖1所示.

注:右側(cè)為中壓缸,箭頭指示氣流方向.

該管路為單雙單雙截止閥型中低壓缸連通管,其連接方式為自中壓缸頂部由DN1400管道引出,經(jīng)三通向兩側(cè)分別引出DN900管道,由彎頭引向發(fā)電機(jī)側(cè),經(jīng)低壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流、變向,再次經(jīng)過(guò)三通匯為DN1400管道進(jìn)入低壓缸頂部.受單雙單雙截止閥型中低壓缸連通管所配置兩臺(tái)DN900調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的影響,此種連接方式存在較大的節(jié)流損失,導(dǎo)致中壓缸排汽至低壓缸進(jìn)汽的參數(shù)降低,汽輪機(jī)的效率下降,熱耗升高.

在不對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造的基礎(chǔ)上,為了減小中低壓缸連通管的節(jié)流損失,提高汽輪機(jī)效率,亟需對(duì)落后的單雙單型中低壓連通管進(jìn)行升級(jí)改造.改造前中低壓缸連通管現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示.

注:箭頭為氣流方向,左右對(duì)稱相同.

原汽輪機(jī)配套熱力性能說(shuō)明書中注明,管道節(jié)流損失為2%,閥門節(jié)流損失為2.5%.閥門節(jié)流在熱力學(xué)中表現(xiàn)為等焓熵增過(guò)程,在熱平衡圖中表現(xiàn)為蒸汽壓力降低.在TRL工況下,連通管損失熱平衡局部示意圖如圖3所示.總壓損為:0.572 8-0.547 0=0.025 8 MPa.

圖3 TRL工況下連通管損失熱平衡局部示意

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn),主蒸汽量不同的工況下,單雙單雙截止閥型中低壓缸連通管壓降比例基本相同,約為4.5%.為了提高汽輪機(jī)的整機(jī)效率,消除管道和閥門節(jié)流損失,擬對(duì)連通管路進(jìn)行整體優(yōu)化改造.

2 改造方案及其流體力學(xué)與熱力學(xué)特性分析

為了研究最佳節(jié)能可行性,將結(jié)合汽輪機(jī)通流部分的流通阻力與熱力特性來(lái)分析說(shuō)明所列管道和閥門對(duì)降低原連通管蒸汽損失的作用與效果.通過(guò)流體力學(xué)與熱力學(xué)特性研究與分析,探索合理、高效、便捷的改造方案.

2.1 管路改造流體力學(xué)特性分析

原管路為單雙單并聯(lián)方式,本次改造擬取消原兩側(cè)調(diào)節(jié)閥門,更換為單臺(tái)碟閥,同時(shí)取消原并聯(lián)管路,更換為單管連接,如圖4所示.

圖4 改造前后管路示意

忽略改造前后管路總長(zhǎng)度的變化,計(jì)算圖4a所示并聯(lián)管路各支管的沿程阻力損失.根據(jù)伯努利方程,A區(qū)間至B區(qū)間的兩支分管段沿程阻力Σhf,1和Σhf,2相等.

(1)

(2)

同理,改造后新管路更換為圖4b的形式.根據(jù)伯努利方程,A區(qū)間至B區(qū)間單管沿程阻力Σhf,A-B為:

(3)

可見(jiàn),相同通流面積前提下并聯(lián)管路總管損與各分支管路壓損相同(Σhf,A-B=Σhf,1=Σhf,2)[1].即更換單管較原單雙單管路損失不變,仍為2%,單一更換管路而不改變閥門的方案沒(méi)有節(jié)能效果,僅僅是簡(jiǎn)化了管路系統(tǒng),以便于日后拆裝和維護(hù).

2.2 閥門改造熱力學(xué)特性分析

近年來(lái),國(guó)內(nèi)DN1000閥徑以上蝶閥生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟,故嘗試將原2臺(tái)調(diào)節(jié)閥改為1臺(tái)大閥徑蝶閥,配套更改單管型連通管.大閥徑蝶閥全開(kāi)時(shí),閥片厚度遠(yuǎn)小于通流直徑.因此,與采用調(diào)節(jié)閥相比,大型蝶閥(DN1000以上)全開(kāi)工況下的節(jié)流損失可忽略不計(jì)[2].

原管道在進(jìn)入低壓缸前經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥,受調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及開(kāi)度的影響導(dǎo)致氣流局部受阻,產(chǎn)生節(jié)流損失,在理想絕熱條件下,節(jié)流前后蒸汽焓值不變,壓力下降,即等焓熵增過(guò)程.蒸汽節(jié)流前后參數(shù)變化示意圖如圖5所示.

注:P1—節(jié)流前壓力;P2—排汽壓力;P1′—節(jié)流后壓力;P2′—節(jié)流后排汽壓力.

在絕熱等焓前提下,對(duì)節(jié)流前后蒸汽做功能力進(jìn)行分析,P1>P1′,P2=P2′,H1=H1′.由圖5可知,ΔH(1-2)>ΔH(1′-2′),節(jié)流后蒸汽做功能力減小值為ΔWt=ΔH(1-2)-ΔH(1′-2′)[3].

(4)

實(shí)際做功過(guò)程中應(yīng)考慮汽輪機(jī)的內(nèi)效率η,即圖6中0—1—2過(guò)程,在改造經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)應(yīng)同時(shí)予以核算修正[4].

圖6 實(shí)際做功流程示意

2.3 改造方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

根據(jù)上述分析結(jié)論,對(duì)上汽155型汽輪機(jī),應(yīng)采用如下方案對(duì)原中低壓缸連通管進(jìn)行升級(jí)改造.

(1) 沿用原中壓缸排汽和低壓缸進(jìn)汽接口尺寸,取消分流及調(diào)節(jié)閥門,采用倒U單管單蝶閥型新式中低壓缸連通管,單根倒U型DN1400管路連接排、進(jìn)汽口.改造前中低壓缸連通管連接方式如圖1所示.

(2) 在中壓缸排汽口上方加裝DN1400蝶閥一臺(tái),從根本上解決節(jié)流損失問(wèn)題,提高機(jī)組效率.

(3) 配套增加管道膨脹區(qū),削弱管道熱應(yīng)力,完全消除管道振動(dòng)及滲漏隱患.

該方案已獲得上海汽輪機(jī)廠的認(rèn)可,主設(shè)備已投料生產(chǎn),年內(nèi)可完成改造并投入運(yùn)行[5-7].改造后中低壓缸連通管如圖7所示.

注:箭頭為蒸汽流程.

3 改造方案的節(jié)能效果評(píng)價(jià)與分析

3.1 節(jié)能量計(jì)算

按照上述改造方案,依據(jù)TRL工況下熱平衡圖中低壓缸連通管參數(shù),比較計(jì)算管道改造后的節(jié)能量,測(cè)算表如表1所示.

由計(jì)算結(jié)果可以得知,改造后發(fā)電煤耗降低0.641 7 g/kWh,該電廠年利用小時(shí)數(shù)為5 377.37 h,對(duì)于單臺(tái)300 MW機(jī)組改造后,年節(jié)煤量為:

0.641 7×300 000×5 377.37×10-6=1 035t

可見(jiàn),連通管改造后年節(jié)約標(biāo)煤逾1 035 t,節(jié)能效益顯著.在國(guó)家政策要求燃煤電廠年均煤耗降低至310 g/kWh的背景下,對(duì)連通管升級(jí)改造是一項(xiàng)快捷直接的有效節(jié)能措施.

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 增發(fā)電量計(jì)算

在相同TRL工況下,改造后低壓缸節(jié)流損失由0.025 8 MPa降至0.011 5 MPa;低壓缸進(jìn)汽實(shí)際焓降由611.111 7 kJ/kg提高至614.519 4 kJ/kg,提高了3.786 3 kJ/kg.按低壓缸內(nèi)效率90%計(jì)算,發(fā)電能力值增加為:

3.2.2 經(jīng)濟(jì)效益核算

該電廠年利用小時(shí)數(shù)為5 377.37 h,上網(wǎng)電價(jià)為0.414 43元/kWh,按進(jìn)氣量不變,發(fā)電能力增加來(lái)核算,改造后的全年經(jīng)濟(jì)效益為:

0.614 4×1 000×0.414 43×

5 377.37=137.117 3萬(wàn)元

3.2.3 投資回收期

根據(jù)上海汽輪機(jī)廠的改造報(bào)價(jià),設(shè)備生產(chǎn)、閥門訂購(gòu)、管道改造及現(xiàn)場(chǎng)施工總投資金額為260萬(wàn)元,其回收周期為:

表1 中低壓缸連通管改造項(xiàng)目節(jié)能量測(cè)算

注:連通管的管道損失和閥門損失均為設(shè)計(jì)值;低壓缸的排汽壓力和進(jìn)汽量均是TRL工況下的值;低壓缸發(fā)電負(fù)荷為定量.

4 結(jié) 語(yǔ)

單雙單雙截止閥型中低壓缸連通管改造為倒U單管單蝶閥型新式中低壓缸連通管具有較高的節(jié)能收益,改造方案技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資較少,改造后可有效減少節(jié)流損失,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤逾1 035 t,在進(jìn)汽量不變的前提下,年增加收益約137萬(wàn)元,降低煤耗0.641 7 g/kWh,是一種簡(jiǎn)單可靠的節(jié)能增效技術(shù).

目前,國(guó)內(nèi)類似的仍在營(yíng)運(yùn)的舊型連通管機(jī)組約有60臺(tái),如果該技術(shù)得到全面應(yīng)用,每年將節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤逾6×104t,減少溫室氣體排放1.5×105t,二氧化硫1.4×103t,氮氧化物400 t.可見(jiàn),本改造技術(shù)具有重大的節(jié)能減排效益,應(yīng)全面推廣.

[1] 吳望一.流體力學(xué):上冊(cè)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2015:112-130.

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[3] 李維特,黃保海.汽輪機(jī)變工況熱力計(jì)算[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003:218-220.

[4] 沈士一,莊賀云,康松,等.汽輪機(jī)原理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2011:10-25.

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(編輯 白林雪)

Reconstruction and Analysis of Low Pressure CylinderCommunicating Pipe of 300 MW Steam Turbine

YIN Hongye

(DatangQingyuanThermalPowerCo.,Ltd.,Baoding071000,China)

Based on the reconstruction of “single double single” double valve type low pressure cylinder valve in steam turbine into “Inverted U single” single butterfly valve type in low-pressure cylinder,the transformation systematic analysis of fluid mechanics and thermodynamics is analyzed.The result proves that the throttle loss significantly is eliminated.Under TRL condition,the coal consumption of power generation unit decreases by 0.641 7 g/kWh,and the power generation capacity improves by 0.614 4 MW.This scheme is suitable for the old 300 MW unit of Shanghai Steam Purbine Plant widely,and will realize big economic and social benefits.

steam turbine; low pressure cylinder pipe; reconstruction; energy saving

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.005

2016-10-14

簡(jiǎn)介：殷宏業(yè)(1976-),男,本科,工程師,遼寧本溪人.主要研究方向?yàn)榘l(fā)電廠運(yùn)行檢修管理和節(jié)能優(yōu)化.E-mail:7385338@qq.com.

TK263

A

1006-4729(2016)06-0529-05