大型汽輪機(jī)凝汽器后水室連通管設(shè)計(jì)優(yōu)化

胡昌斌，李彥，王小艷

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖南 長沙410007)

600MW 級汽輪發(fā)電機(jī)組目前是我國電力系統(tǒng)火電裝機(jī)的主力機(jī)組，對于濕冷機(jī)組，一般均設(shè)置2 臺凝汽器，其循環(huán)水側(cè)多采用單流程串聯(lián)方式，形成2 臺高、低背壓凝汽器，使得其比2 臺并聯(lián)單背壓凝汽器的熱效率要高出約0.2%～0.3%〔1〕。

采用高、低背壓凝汽器串聯(lián)，其后水室循環(huán)水連通管道布置比2 臺單背壓凝汽器要長，尤其需要穿越2 臺凝汽器之間的區(qū)域，而600 MW 機(jī)組主廠房設(shè)計(jì)中，毫無例外均在2 臺凝汽器連通管中心區(qū)域布置一個(gè)汽機(jī)房平臺柱子，在常規(guī)布置中，連通管不得不繞行以避開該柱子。

在后水室靠B 列區(qū)域，一般在運(yùn)行層布置2臺汽動(dòng)給水泵;中間層為2 臺汽動(dòng)給水泵小汽機(jī)的進(jìn)汽和排汽管道及排汽蝶閥、5 號和6 號低加抽汽管道等;在零米層，主要布置2 臺給水泵小汽機(jī)的集裝油系統(tǒng)裝置。從運(yùn)行層、中間層、零米層來看，這個(gè)區(qū)域不僅設(shè)備和管道較多，而且管徑也較大，尤其管徑為DN2 200 的連通管繞行，占用了較多的主廠房空間，使得該區(qū)域布置用地比較緊張。

如果能對2 臺凝汽器后水室連通管布置進(jìn)行優(yōu)化，則不僅可以緩解上述區(qū)域布置緊張的矛盾，還可以減少大口徑連通管道長度，甚至可以降低運(yùn)行阻力，使得電廠可以長期受益。

1 連通管常規(guī)設(shè)計(jì)方案

常規(guī)的凝汽器后水室連通管道布置方式一般有內(nèi)側(cè)布置和外側(cè)布置2 種方式。

1.1 連通管偏向凝汽器內(nèi)側(cè)布置方案

連通管布置在2 臺凝汽器的正下方，如圖1。這種布置方式的好處是節(jié)省占地;缺點(diǎn)是連通管影響凝汽器支墩的設(shè)置，1 臺凝汽器一般只能設(shè)置5個(gè)凝汽器支墩，凝汽器底板支墩間距較大，底板設(shè)計(jì)底梁多，耗用鋼材較多。為避開凝汽器支墩，連通管布置管線也較長，每臺機(jī)組2 根凝汽器后水室連通管長度約65 m，還要8 個(gè)90°焊接彎頭，彎頭阻力大。

圖1 連通管內(nèi)側(cè)布置方案

1.2 連通管偏向凝汽器外側(cè)布置方案

連通管偏向B 列柱側(cè)布置，如圖2。這種布置方式的好處是不影響凝汽器的支墩設(shè)置，每臺凝汽器可以設(shè)置9 個(gè)支墩，凝汽器底板支撐受力比較均衡合理;缺點(diǎn)是連通管布置在靠B 列柱側(cè)零米以下，需要占用凝汽器和B 列之間約7 m 的空間，還要設(shè)置后水室連通管坑，坑邊緣距B 列柱一般只有2 m 左右的空間，布置給水泵小汽機(jī)油系統(tǒng)集裝裝置就很緊張，其布置需要延伸至B 列柱軸線內(nèi)，對B 軸條孔穿管道十分不利;另外，外側(cè)布置連通管長度雖然比內(nèi)側(cè)布置略短，但1 臺機(jī)組2 根連通管長度也要57 m 左右，90°焊接彎頭同樣也需要8 個(gè)。

圖2 連通管外側(cè)布置方案

2 連通管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

2.1 優(yōu)化方案簡述

2 臺凝汽器后水室連通管之所以采用內(nèi)側(cè)或外側(cè)布置，是因?yàn)樵? 臺凝汽器后水室之間有土建，設(shè)置了1 個(gè)汽機(jī)平臺柱子。如果沒有該柱子，就可以用直通的方式連接后水室連通管，不僅管線最短，90°彎頭數(shù)量也可以減少。

從土建結(jié)構(gòu)受力分析上來看，該柱無法取消，因此，不能忽視該柱子的存在進(jìn)行連通管優(yōu)化。那么在有柱子存在的前提下，還能不能實(shí)現(xiàn)連通管的直通布置呢?

答案是肯定的。優(yōu)化方案是這樣考慮的:首先大膽假設(shè)讓汽機(jī)平臺柱子穿過凝汽器后水室連通管，然后再小心求證其合理性。

由于600 MW 級機(jī)組循環(huán)水管直徑一般為DN2 200，土建工字鋼柱斷面一般為400 mm×600 mm，柱子穿過連通管是沒有問題的。為防止柱子與連通管內(nèi)循環(huán)水接觸，在柱子穿過連通管處設(shè)置1 個(gè)套管，套管設(shè)在連通管上，與鋼柱之間留有間隙，柱子不直接接觸連通管內(nèi)循環(huán)水;為減少連通管內(nèi)套管對循環(huán)水的阻力，套管采用低流阻翼形截面。內(nèi)側(cè)連通管可以從2 個(gè)水室相對的側(cè)面直接引出和引入，連通管極短，只需2 m 左右，且不需要彎頭，連通管中心標(biāo)高約3.0 m 左右。外側(cè)連通管布置在內(nèi)側(cè)連通管下方，中心標(biāo)高約－1.8 m 左右，連通管長度約20 m，彎頭數(shù)量可以減少為2 個(gè)。

該布置方案不影響凝汽器支墩的設(shè)置，也有足夠的場地布置小汽機(jī)油系統(tǒng)集裝裝置。

根據(jù)上述優(yōu)化思路，金竹山電廠一期工程的實(shí)施方案鋼柱穿循環(huán)水管方案如圖3。

圖3 優(yōu)化后連通管布置方案

2.2 連通管優(yōu)化方案措施

那么在連通管內(nèi)插入鋼柱套管是不是會(huì)增加連通管的流動(dòng)阻力呢?計(jì)算表明，只要精心設(shè)計(jì)，通過如下措施，就能將阻力損失降到最低，甚至比連通管優(yōu)化布置前的阻力損失還要小。

2.2.1 連通管管徑適當(dāng)放大

2.2.2 采用低流阻翼形套管

由于內(nèi)側(cè)連通管長度僅有2 m，柱子又處于2 m 連通管中間，套管外形要能放得下，又要降低阻力，還要考慮便于加工制作，初步考慮有以下3 種外形可供選擇(如圖4)。

圖4 低流阻翼形套管比較圖

不等長翼形套管阻力系數(shù)最小，但加工制作工序比較復(fù)雜;翼形套管阻力系數(shù)較小，加工制作也比較方便;長圓柱形套管雖然加工制作方便，但阻力系數(shù)較大。在上述3 種套管形式中，翼形套管從阻力系數(shù)到加工制作都比較適中，推薦作為連通管優(yōu)化方案套管的形式。

2.3 優(yōu)化方案阻力計(jì)算

根據(jù)選定的套管形式，結(jié)合工程實(shí)際，繪出優(yōu)化方案圖平面、斷面計(jì)算模型如圖5。

圖5 低流阻翼形套管阻力計(jì)算模型圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)〔3〕中對應(yīng)上述布置方案的套管局部阻力系數(shù)計(jì)算公式如下:

對應(yīng)金竹山電廠一期工程

DM=0.54 m;D0=2.44 m;t=1.5 m;l1=2.43 m;y=0.11 m;W0=1.95 m/s;F0=4.52 m2;ν=10－6m2/s(20°水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù))

SM=DM×l1=0.54×2.43=1.31 m2

根據(jù)Re'M

〔3〕得:τ≈0.5;Cx≈0.06

將上述數(shù)據(jù)代入:

查參考文獻(xiàn)〔4〕中得:3×30° 5 片90°焊接蝦米彎頭阻力系數(shù)ξ彎頭=0.48

忽略管道沿程阻力，后水室連通管優(yōu)化前后阻力差值計(jì)算如下:

對于外側(cè)連通管，優(yōu)化前有4 個(gè)90°彎頭，優(yōu)化后有2 個(gè)90°彎頭

Δh外，優(yōu)化后－Δh外，優(yōu)化前=1.92-4.87=－2.95(kPa)

對于內(nèi)側(cè)連通管，優(yōu)化前有4 個(gè)90°彎頭，優(yōu)化后沒有90°彎頭

Δh內(nèi)，優(yōu)化后－Δh內(nèi)，優(yōu)化前=0.06-4.87=－4.81(kPa)

上述計(jì)算說明，在采取多項(xiàng)優(yōu)化措施后，優(yōu)化方案與常規(guī)方案相比，內(nèi)側(cè)和外側(cè)連通管流動(dòng)阻力分別降低了2.95 kPa 和4.81 kPa，平均阻力降低了約80%，效果十分顯著。

3 連通管優(yōu)化布置方案效益估算

3.1 流動(dòng)阻力降低

由于沿程流動(dòng)阻力與局部阻力相比數(shù)值較小，可以忽略不計(jì)，優(yōu)化方案與常規(guī)方案相比，內(nèi)側(cè)和外側(cè)連通管流動(dòng)阻力分別降低了2.95 kPa 和4.81 kPa，平均阻力降低了約80%。

按阻力減少2.95 kPa 的保守估算，相當(dāng)于每臺機(jī)組循環(huán)水泵軸功率減少11.765QH=11.765×2×8.82×2.95/10≈61(kW)，2 臺機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)5 000 h，每年可節(jié)省廠用電610 MWh。

3.2 節(jié)省連通管材料

按經(jīng)常采用的連通管偏內(nèi)側(cè)布置方案，每臺機(jī)組按DN2 200 連通管65 m 計(jì)(含8 個(gè)彎頭)，需要鋼材約49.35 t。

優(yōu)化后的連通管布置方案，每臺機(jī)組按DN2 400連通管22 m 計(jì)(含2 個(gè)彎頭)，需要鋼材約18.22 t，加上2 個(gè)套管重量1.38 t，合計(jì)重量為19.6 t。

每臺機(jī)組可以節(jié)省鋼材49.35－19.6=29.75 t，按電廠2 臺機(jī)組一期工程計(jì)算，連通管優(yōu)化方案可節(jié)省鋼材約60 t。

3.3 對小機(jī)油系統(tǒng)布置的改善

從圖3 可以看出，優(yōu)化連通管設(shè)計(jì)后，連通管在汽機(jī)基礎(chǔ)外側(cè)的寬度只有3 m，靠B 列柱側(cè)還有6.2 m 的凈空，有足夠的空間布置2 臺給水泵小汽輪機(jī)的集裝油系統(tǒng)。

4 注意事項(xiàng)

4.1 穿套管的鋼柱布置方位

顯而易見，套管長軸平行連通管流向流動(dòng)阻力是最低的，這就要求套管內(nèi)的鋼柱長軸與連通管流向平行。但從土建專業(yè)受力結(jié)構(gòu)的要求認(rèn)為鋼柱長軸垂直連通管比較好。

工程實(shí)踐中可以通過對鋼柱設(shè)置加強(qiáng)板，增加鋼柱短軸方向慣性矩，以維持鋼柱長軸平行連通管流向。

4.2 與凝汽器廠家先期配合

由于優(yōu)化方案涉及到凝汽器后水室與連通管的接口方向，所以在凝汽器設(shè)備訂貨時(shí)就要提前與廠家進(jìn)行優(yōu)化方案的接口配合，將優(yōu)化接口在制造廠內(nèi)做好，否則設(shè)備到現(xiàn)場后，再臨時(shí)修改接口方向難度較大。

4.3 套管與鋼柱間隙

為防止套管與鋼柱發(fā)生膨脹變形引起漏水，設(shè)計(jì)和施工時(shí)要在鋼柱四周和套管之間預(yù)留約20 mm的膨脹間隙。

凝汽器后水室連通管優(yōu)化布置方案首先應(yīng)用在金竹山電廠一期工程中，效果良好。

5 結(jié)論

凝汽器后水室連通管優(yōu)化設(shè)計(jì)方案有利于汽機(jī)房布置優(yōu)化、凝汽器本體設(shè)計(jì)和給水泵汽輪機(jī)油系統(tǒng)布置。

實(shí)施該方案后2 臺機(jī)組可節(jié)省鋼材近60 t，每年節(jié)省廠用電量約610 MWh，且電廠可以長期受益。

由于優(yōu)化設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)施，效益顯著，在后續(xù)的工程設(shè)計(jì)中，該方案得到了推廣利用。本方案雖然是針對600 MW 機(jī)組雙背壓凝汽器連通管進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化，但對于1 000 MW 級汽輪發(fā)電機(jī)組的多背壓凝汽器同樣具有參考價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

〔1〕齊復(fù)東，賈樹本，馬義偉． 電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)〔M〕．北京:水利電力出版社，1990．

〔2〕中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局． GB50764—2012 電廠動(dòng)力管道設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕． 北京:中國計(jì)劃出版社，2012．

〔3〕華紹曾，楊學(xué)寧． 實(shí)用流體阻力手冊〔M〕． 北京:國防工業(yè)出版社，1985．

〔4〕西北電力設(shè)計(jì)院． 電力工程水務(wù)設(shè)計(jì)手冊〔S〕． 北京:中國電力出版社，2005．