徐 民

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院, 安徽 合肥 230093)

0 前言

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組壓氣機(jī)具有進(jìn)口導(dǎo)葉控制系統(tǒng)(IGV)，該系統(tǒng)主要作用為在起、停機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣角度，防止葉片背面氣流脫離，導(dǎo)致壓氣機(jī)喘振。簡(jiǎn)單聯(lián)合循環(huán)機(jī)組IGV角度一般固定，在起機(jī)時(shí)，IGV角度固定在較小的位置(一般34°左右)，正常運(yùn)行時(shí)，IGV角度固定在相對(duì)較大的位置(84°或86°)。此外，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組IGV系統(tǒng)還有可變控制方式，在起停機(jī)過(guò)程中，IGV角度以一定的速率變化，在正常運(yùn)行過(guò)程中也可以改變IGV進(jìn)氣角度，進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)[1]。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組正常運(yùn)行中IGV角度變化會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣流量變化。進(jìn)氣流量減小，燃機(jī)排煙溫度升高，余熱鍋爐進(jìn)氣溫度升高，IGV角度的改變影響鍋爐換熱，進(jìn)而影響鍋爐效率及出力[2]。目前部分聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行中余熱鍋爐阻力偏大，IGV角度的變化對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行阻力也有一定影響。基于此，進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)IGV角度變化影響分析工作必須同步進(jìn)行余熱鍋爐效率、出力、阻力等問(wèn)題分析。

1 研究對(duì)象

某聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)為GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)。燃機(jī)由一個(gè)額定功率為1 000 kW的啟動(dòng)馬達(dá)，一個(gè)17級(jí)的軸流式壓氣機(jī)、一個(gè)由14個(gè)燃燒室組成的燃燒系統(tǒng)、一個(gè)3級(jí)透平轉(zhuǎn)子組成。軸流式壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和透平轉(zhuǎn)子由法蘭連接，并有3個(gè)支撐軸承。

軸流式壓氣機(jī)為17級(jí)壓氣機(jī)，包括在起動(dòng)和加載過(guò)程中控制氣流的可調(diào)式進(jìn)氣導(dǎo)葉(IGV)及在起動(dòng)和停機(jī)過(guò)程中防止喘振而旁通氣流用的放氣閥。軸流式壓氣機(jī)由壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子和外圍的氣缸組成。壓氣機(jī)氣缸內(nèi)部包括進(jìn)氣導(dǎo)葉，十七級(jí)轉(zhuǎn)子和靜葉，以及出口導(dǎo)葉。壓氣機(jī)氣缸由進(jìn)氣缸，前氣缸，后氣缸，排氣缸組成。

鍋爐型號(hào)為Q1175.4/547.3-190.5(35.9)-6.0(0.515)/521(253)的三壓無(wú)補(bǔ)燃、雙汽包、帶一體化除氧器、臥式煙道、立式螺旋翅片管自然循環(huán)水管鍋爐。余熱鍋爐主要用于從燃機(jī)排氣中回收熱量，產(chǎn)生高溫高壓/低溫低壓的過(guò)熱蒸汽，輸送給蒸汽輪機(jī)作功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；同時(shí)余熱鍋爐產(chǎn)生的低壓蒸汽在除氧蒸發(fā)管束產(chǎn)氣量不足時(shí)還可供給除氧器對(duì)冷凝水進(jìn)行除氧。

2 研究基礎(chǔ)

該型號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)BASE LOAD負(fù)荷工況下IGV角度固定為86°，可以進(jìn)行控制系統(tǒng)改造升級(jí)，通過(guò)安裝Opflex軟件，可在BASE LOAD負(fù)荷工況下，改變IGV運(yùn)行角度，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，改變空燃比，調(diào)節(jié)聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行條件。

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)IGV角度變小，燃機(jī)進(jìn)氣量減小，燃機(jī)空燃比減小，燃機(jī)排氣流量減小，燃機(jī)做功能力降低，但其效率適當(dāng)提高；排氣溫度升高，余熱鍋爐的進(jìn)口流量和溫度隨之變化，余熱鍋爐效率和阻力也會(huì)受到影響。該燃?xì)廨啓C(jī)配套余熱鍋爐投產(chǎn)以來(lái)，阻力偏大，BASE LOAD工況下，余熱鍋爐阻力為4.2 kPa，已超過(guò)設(shè)計(jì)阻力3.3 kPa，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。IGV角度變小后排氣量減小也相應(yīng)降低余熱鍋爐阻力。

該型號(hào)燃機(jī)IGV角度從86°到79°變化，燃機(jī)參數(shù)變化如表1所示，燃機(jī)出力及效率變化趨勢(shì)如圖1所示。

表1 燃機(jī)IGV角度變化參數(shù)表

圖1 燃機(jī)效率及出力變化趨勢(shì)

環(huán)境溫度30 ℃，燃機(jī)IGV角度86°，燃?xì)馀艢鉁囟?55.0 ℃，排氣流量390.0 kg/s；IGV角度79°，燃機(jī)排氣溫度560.2 ℃，排氣流量377.3 kg/s。IGV角度變小，燃機(jī)排氣流量變小，排氣溫度升高。燃機(jī)效率隨IGV角度變小而升高，出力隨IGV角度變小而減小。

該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組余熱鍋爐換熱器總面積132 236.4 m2，高壓部分面積87 093.8 m2，占比65.9%。高壓過(guò)熱器面積17 852.2 m2，占高壓部分20.5%，高壓蒸發(fā)器面積32 419.7 m2，占高壓部分37.2%，高壓省煤器面積36 821.9 m2，占高壓部分42.3%。凝水加熱器+除氧蒸發(fā)器18 571.4 m2，低壓省煤器2 338.6 m2，低壓蒸發(fā)器20 864.2 m2，低壓過(guò)熱器3 368.4 m2。

3 余熱鍋爐校核計(jì)算

3.1 余熱鍋爐模型搭建

采用假設(shè)校核的原理，先假設(shè)各級(jí)受熱面出口煙溫，再計(jì)算各級(jí)受熱面的換熱量，直到各級(jí)受熱面的煙氣放熱量與受熱面?zhèn)鳠崃科胶?，通過(guò)與設(shè)計(jì)值熱力計(jì)算分析對(duì)比，建立熱力計(jì)算模型[3]。

按煙氣流向方向建立余熱鍋爐模型，模型計(jì)算順序?yàn)楦邏哼^(guò)熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器Ⅲ、低壓過(guò)熱器、高壓省煤器Ⅱ、低壓蒸發(fā)器、高壓省煤器Ⅰ、低壓省煤器、除氧蒸發(fā)器、凝水加熱器，共10個(gè)換熱子模塊。

受熱面的實(shí)際傳熱系數(shù)可以由煙氣側(cè)來(lái)確定，也可以由工質(zhì)側(cè)來(lái)確定，傳熱系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

由煙氣、工質(zhì)和管壁的熱阻計(jì)算換熱系數(shù)公式為:

(2)

式中：K—傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)。

α1—煙氣對(duì)管壁的放熱系數(shù),kW/(m2·℃)。

α2—管壁對(duì)工質(zhì)的放熱系數(shù),kW/(m2·℃)。

δm—金屬管壁的厚度，m。

λm—金屬管壁導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·℃)。

δash—管壁煙氣側(cè)積灰層的厚度，m。

λash—管壁煙氣側(cè)積灰層導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·℃)。

δsc—管內(nèi)工質(zhì)側(cè)結(jié)垢層的厚度，m。

λsc—管內(nèi)工質(zhì)側(cè)結(jié)垢層導(dǎo)熱系數(shù)，kW/(m·℃)。

與煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)的熱阻相比，金屬管壁的導(dǎo)熱系數(shù)較大，其熱阻可以忽略不計(jì)，在鍋爐正常運(yùn)行過(guò)程中，管壁內(nèi)側(cè)也不允許有結(jié)垢，因此其熱阻主要包括三方面：煙氣側(cè)熱阻、工質(zhì)側(cè)熱阻和積灰熱阻。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組下，積灰熱阻較小，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程只需計(jì)算煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)的熱阻，即:

(3)

3.2 余熱鍋爐出力及效率分析

對(duì)BASE LOAD工況，環(huán)境溫度30 ℃，燃機(jī)IGV角度為86°排氣參數(shù)下，余熱鍋爐各受熱面吸熱量熱力計(jì)算匯總?cè)绫?所示。

表2 BASE LOAD工況 IGV86°各級(jí)受熱面熱力核算

該工況下，高壓主蒸汽流量為194 t/h，壓力5.19 MPa，溫度521 ℃。低壓主蒸汽流量為36 t/h，壓力0.47 MPa，溫度256 ℃。余熱鍋爐效率85.14%。

對(duì)BASE LOAD工況，環(huán)境溫度30 ℃，燃機(jī)IGV角度為79°排氣參數(shù)下，余熱鍋爐各受熱面吸熱量熱力計(jì)算匯總?cè)绫?所示。

表3 BASE LOAD工況 IGV79°各級(jí)受熱面熱力核算

該工況下，高壓主蒸汽流量為192 t/h，壓力5.19 MPa，溫度524 ℃，低壓主蒸汽流量為35 t/h，壓力0.47 MPa，溫度256 ℃，余熱鍋爐效率85.06%。

經(jīng)計(jì)算分析，BASE工況下，環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，燃機(jī)IGV角度由86°關(guān)到79°，燃機(jī)排氣流量由390 kg/s下降到377.3 kg/s，排氣溫度由555.9 ℃升高到560.2 ℃。相應(yīng)地，余熱鍋爐高壓主蒸汽流量由194 t/h下降到192 t/h，余熱鍋爐熱效率由85.14%下降到85.06%。

3.3 余熱鍋爐阻力計(jì)算

煙道阻力包括沿程阻力和局部阻力，沿程阻力計(jì)算公式為[4]：

(4)

(5)

(6)

式中：λ—沿程阻力系數(shù)；L—管道長(zhǎng)度；de—管道當(dāng)量直徑；ρ—介質(zhì)密度；F—截面積；U—濕周長(zhǎng)度；ω—煙氣流速；Bj—實(shí)際燃料量;Vj—單位燃料實(shí)際煙氣量；θRj—煙氣濕度；Ay—流通截面積。

局部阻力計(jì)算公式為：

(7)

式中：ξ—局部阻力系數(shù)。

以BASE LOAD工況、環(huán)境溫度30 ℃、燃機(jī)IGV角度為86°、余熱鍋爐阻力4 270 Pa為基準(zhǔn)，計(jì)算得到BASE LOAD工況、環(huán)境溫度30 ℃、燃機(jī)IGV角度為79°，余熱鍋爐阻力為4 000 Pa。余熱鍋爐阻力下降270 Pa。

3.4 聯(lián)合循環(huán)分析

燃機(jī)IGV角度86°，燃機(jī)效率為32.67%，余熱鍋爐效率為85.14%；IGV角度為79°，燃機(jī)效率為32.69%，余熱鍋爐效率為85.06%。以BASE LOAD工況汽輪機(jī)設(shè)計(jì)效率31.7%計(jì)算，IGV角度86°，聯(lián)合循環(huán)效率為50.842%，IGV角度為79°，聯(lián)合循環(huán)效率為50.839%。

經(jīng)Opflex改造后，IGV角度從86°較小到79°，聯(lián)合循環(huán)效率變化較小，余熱鍋爐阻力下降270 Pa，可降低阻力，有利于余熱鍋爐的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃機(jī)IGV系統(tǒng)經(jīng)改造后可改變運(yùn)行角度，運(yùn)行角度的變化范圍為79°到86°。IGV角度的改變影響鍋爐換熱，進(jìn)而影響鍋爐效率及出力。目前部分聯(lián)合循環(huán)機(jī)組運(yùn)行中余熱鍋爐阻力偏大，IGV角度的變化對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行阻力也有一定影響。

經(jīng)計(jì)算分析，BASE LOAD工況下，環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，燃機(jī)IGV角度由86°關(guān)到79°，燃機(jī)排氣流量由390 kg/s下降到377.3 kg/s，排氣溫度由555.9 ℃升高到560.2 ℃。相應(yīng)的，余熱鍋爐高壓主蒸汽流量由194 t/h下降到192 t/h，余熱鍋爐熱效率由85.14%下降到85.06%，效率變化較小。同時(shí)，余熱鍋爐阻力下降約270 Pa，有利于余熱鍋爐的安全運(yùn)行。