300 MW汽轮机中低压缸连通管的改造与节能分析

殷宏业

(大唐清苑热电有限公司, 河北 保定 071000)

300 MW汽轮机中低压缸连通管的改造与节能分析

殷宏业

(大唐清苑热电有限公司, 河北 保定 071000)

对“单双单”双截止阀型汽轮机中低压缸连通管及阀门的节流消除进行了改造,将单双单双截止阀型中低压缸连通管改造为“倒U单管”单蝶阀型新式中低压缸连通管,并从流体力学和热力学的角度对改造系统进行分析.结果表明,改造后节流损失明显消除,机组TRL工况下发电煤耗降低了0.641 7 g/kWh,发电能力提高了0.614 4 MW,该方案普遍适合上海汽轮机厂300 MW旧型机组的推广,具有广泛的经济效益与社会效益.

汽轮机; 低压缸连通管; 改造; 节能

汽轮机通流管道的损失严重影响其整体效率,对性能落后的汽轮机通流管道实施技术改造,提高机组的运行效率、降低能耗,已成为汽轮机节能改造的主要发展方向.该领域的改造项目属于工业流体系统技术改造领域的内容,目的是提高机组通流管道的效率,降低热耗,从而提高企业的生产效率,降低能耗成本,以便获取更好的经济效益.汽轮机通流管道改造项目要求其保证技术先进性、合理性,机组的运行可靠,同时具有一定的经济效益.通流管道改造技术的实施是对陈旧技术的淘汰,为电厂提供了新的节能降耗途径,突破了传统的仅对汽轮机内部通流部分改造的技术局限.

本文的研究对象是北方某电厂采用的上海汽轮机厂155型机组(C300-16.7/0.43/537/537中间再热抽凝式汽轮机),该机组于2012年投产,中低压缸连通管采用“单双单”双截止阀型中低压缸连通管,陈旧技术导致蒸汽损失问题尤为突出.经调研,原连通管匹配双调节阀门形式已被上海汽轮机厂弃用,并逐渐推行单管匹配大口径蝶阀式改造技术.本文采用“倒U单管”单蝶阀型新式中低压缸连通管,用单根DN1400管路连接中压缸口排汽口与低压缸进汽口,并在中压缸排汽口上方加装1台DN1400蝶阀和配套增加管道膨胀区,对典型300 MW汽轮机中低压缸连通管进行改造分析.同时,对该项目开展了相关的的技术经济分析,客观准确地反映改造效果,为火电厂汽轮机通流部分改造项目提供参考,为同类机组的通流改造提供决策依据.

1 项目概况

该电厂原中低压缸连通管连接方式如图1所示.

注:右侧为中压缸,箭头指示气流方向.

该管路为单双单双截止阀型中低压缸连通管,其连接方式为自中压缸顶部由DN1400管道引出,经三通向两侧分别引出DN900管道,由弯头引向发电机侧,经低压缸进汽调节阀节流、变向,再次经过三通汇为DN1400管道进入低压缸顶部.受单双单双截止阀型中低压缸连通管所配置两台DN900调节阀结构的影响,此种连接方式存在较大的节流损失,导致中压缸排汽至低压缸进汽的参数降低,汽轮机的效率下降,热耗升高.

在不对汽轮机进行通流改造的基础上,为了减小中低压缸连通管的节流损失,提高汽轮机效率,亟需对落后的单双单型中低压连通管进行升级改造.改造前中低压缸连通管现场图如图2所示.

注:箭头为气流方向,左右对称相同.

原汽轮机配套热力性能说明书中注明,管道节流损失为2%,阀门节流损失为2.5%.阀门节流在热力学中表现为等焓熵增过程,在热平衡图中表现为蒸汽压力降低.在TRL工况下,连通管损失热平衡局部示意图如图3所示.总压损为:0.572 8-0.547 0=0.025 8 MPa.

图3 TRL工况下连通管损失热平衡局部示意

在实际运行过程中发现,主蒸汽量不同的工况下,单双单双截止阀型中低压缸连通管压降比例基本相同,约为4.5%.为了提高汽轮机的整机效率,消除管道和阀门节流损失,拟对连通管路进行整体优化改造.

2 改造方案及其流体力学与热力学特性分析

为了研究最佳节能可行性,将结合汽轮机通流部分的流通阻力与热力特性来分析说明所列管道和阀门对降低原连通管蒸汽损失的作用与效果.通过流体力学与热力学特性研究与分析,探索合理、高效、便捷的改造方案.

2.1 管路改造流体力学特性分析

原管路为单双单并联方式,本次改造拟取消原两侧调节阀门,更换为单台碟阀,同时取消原并联管路,更换为单管连接,如图4所示.

图4 改造前后管路示意

忽略改造前后管路总长度的变化,计算图4a所示并联管路各支管的沿程阻力损失.根据伯努利方程,A区间至B区间的两支分管段沿程阻力Σhf,1和Σhf,2相等.

(1)

(2)

同理,改造后新管路更换为图4b的形式.根据伯努利方程,A区间至B区间单管沿程阻力Σhf,A-B为:

(3)

可见,相同通流面积前提下并联管路总管损与各分支管路压损相同(Σhf,A-B=Σhf,1=Σhf,2)[1].即更换单管较原单双单管路损失不变,仍为2%,单一更换管路而不改变阀门的方案没有节能效果,仅仅是简化了管路系统,以便于日后拆装和维护.

2.2 阀门改造热力学特性分析

近年来,国内DN1000阀径以上蝶阀生产技术日趋成熟,故尝试将原2台调节阀改为1台大阀径蝶阀,配套更改单管型连通管.大阀径蝶阀全开时,阀片厚度远小于通流直径.因此,与采用调节阀相比,大型蝶阀(DN1000以上)全开工况下的节流损失可忽略不计[2].

原管道在进入低压缸前经过调节阀,受调节阀结构及开度的影响导致气流局部受阻,产生节流损失,在理想绝热条件下,节流前后蒸汽焓值不变,压力下降,即等焓熵增过程.蒸汽节流前后参数变化示意图如图5所示.

注:P1—节流前压力;P2—排汽压力;P1′—节流后压力;P2′—节流后排汽压力.

在绝热等焓前提下,对节流前后蒸汽做功能力进行分析,P1>P1′,P2=P2′,H1=H1′.由图5可知,ΔH(1-2)>ΔH(1′-2′),节流后蒸汽做功能力减小值为ΔWt=ΔH(1-2)-ΔH(1′-2′)[3].

(4)

实际做功过程中应考虑汽轮机的内效率η,即图6中0—1—2过程,在改造经济性分析时应同时予以核算修正[4].

图6 实际做功流程示意

2.3 改造方案的设计与实施

根据上述分析结论,对上汽155型汽轮机,应采用如下方案对原中低压缸连通管进行升级改造.

(1) 沿用原中压缸排汽和低压缸进汽接口尺寸,取消分流及调节阀门,采用倒U单管单蝶阀型新式中低压缸连通管,单根倒U型DN1400管路连接排、进汽口.改造前中低压缸连通管连接方式如图1所示.

(2) 在中压缸排汽口上方加装DN1400蝶阀一台,从根本上解决节流损失问题,提高机组效率.

(3) 配套增加管道膨胀区,削弱管道热应力,完全消除管道振动及渗漏隐患.

该方案已获得上海汽轮机厂的认可,主设备已投料生产,年内可完成改造并投入运行[5-7].改造后中低压缸连通管如图7所示.

注:箭头为蒸汽流程.

3 改造方案的节能效果评价与分析

3.1 节能量计算

按照上述改造方案,依据TRL工况下热平衡图中低压缸连通管参数,比较计算管道改造后的节能量,测算表如表1所示.

由计算结果可以得知,改造后发电煤耗降低0.641 7 g/kWh,该电厂年利用小时数为5 377.37 h,对于单台300 MW机组改造后,年节煤量为:

0.641 7×300 000×5 377.37×10-6=1 035t

可见,连通管改造后年节约标煤逾1 035 t,节能效益显著.在国家政策要求燃煤电厂年均煤耗降低至310 g/kWh的背景下,对连通管升级改造是一项快捷直接的有效节能措施.

3.2 经济性分析

3.2.1 增发电量计算

在相同TRL工况下,改造后低压缸节流损失由0.025 8 MPa降至0.011 5 MPa;低压缸进汽实际焓降由611.111 7 kJ/kg提高至614.519 4 kJ/kg,提高了3.786 3 kJ/kg.按低压缸内效率90%计算,发电能力值增加为:

3.2.2 经济效益核算

该电厂年利用小时数为5 377.37 h,上网电价为0.414 43元/kWh,按进气量不变,发电能力增加来核算,改造后的全年经济效益为:

0.614 4×1 000×0.414 43×

5 377.37=137.117 3万元

3.2.3 投资回收期

根据上海汽轮机厂的改造报价,设备生产、阀门订购、管道改造及现场施工总投资金额为260万元,其回收周期为:

表1 中低压缸连通管改造项目节能量测算

注:连通管的管道损失和阀门损失均为设计值;低压缸的排汽压力和进汽量均是TRL工况下的值;低压缸发电负荷为定量.

4 结 语

单双单双截止阀型中低压缸连通管改造为倒U单管单蝶阀型新式中低压缸连通管具有较高的节能收益,改造方案技术成熟、结构简单、投资较少,改造后可有效减少节流损失,年节约标准煤逾1 035 t,在进汽量不变的前提下,年增加收益约137万元,降低煤耗0.641 7 g/kWh,是一种简单可靠的节能增效技术.

目前,国内类似的仍在营运的旧型连通管机组约有60台,如果该技术得到全面应用,每年将节约标准煤逾6×104t,减少温室气体排放1.5×105t,二氧化硫1.4×103t,氮氧化物400 t.可见,本改造技术具有重大的节能减排效益,应全面推广.

[1] 吴望一.流体力学:上册[M].北京:北京大学出版社,2015:112-130.

[2] 吴季兰.汽轮机设备及系统:第2版[M].北京:中国电力出版社,2015:175-181.

[3] 李维特,黄保海.汽轮机变工况热力计算[M].北京:中国电力出版社,2003:218-220.

[4] 沈士一,庄贺云,康松,等.汽轮机原理[M].北京:中国电力出版社,2011:10-25.

[5] 《1 000 MW超超临界火电机组施工技术丛书》编委会.汽轮机设备安装[M].北京:中国电力出版社,2013:66-68.

[6] 张建业.国华太仓电厂汽轮机通流改造项目设计与效果分析[D].北京:华北电力大学,2015.

[7] 张建平.300 MW供热汽轮机流通管的改造[J].山西科技,2015,30(1):45-47.

(编辑 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

简介：殷宏业(1976-),男,本科,工程师,辽宁本溪人.主要研究方向为发电厂运行检修管理和节能优化.E-mail:7385338@qq.com.

TK263

A

1006-4729(2016)06-0529-05