超臨界600 MW濕冷機(jī)組冷端系統(tǒng)的改進(jìn)

李永利

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025)

超臨界600 MW濕冷機(jī)組冷端系統(tǒng)的改進(jìn)

李永利

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京 100025)

對(duì)凝汽器、循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設(shè)備的出力能力進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)汽輪機(jī)增容改造后對(duì)冷端系統(tǒng)設(shè)備的要求，分析計(jì)算出增容改造后冷端系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)具備的出力能力，并提出對(duì)應(yīng)設(shè)備的改造范圍、改造關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵部件的選型原則，以及對(duì)比改造前后的效果。

濕冷機(jī)組； 冷端優(yōu)化； 經(jīng)濟(jì)性

Abstract： To satisfy the uprating requirement of a steam turbine, an evaluation was conducted on the capacity of its cold end equipment, such as the condenser and circulating pump, etc., together with a calculation on the capacity that the cold end equipment should have after uprating of the steam turbine. On above basis, the range and key points of the retrofit as well as the selection of corresponding equipment were proposed, while a comparison was made simultaneously on economic efficiency of the unit before and after the retrofit.

Keywords： wet cooling unit; cold end optimization; economic efficiency

目前，常規(guī)純凝式火力發(fā)電廠中能量轉(zhuǎn)換效率約為42%，蒸汽的大部分能量都損失在汽輪機(jī)冷端，即大部分的熱能被凝汽器中的循環(huán)水帶走。目前國(guó)家節(jié)能減排的力度逐年增大，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃綱要》、《萬(wàn)家企業(yè)節(jié)能低碳行動(dòng)方案》已將節(jié)能減排列為燃煤發(fā)電企業(yè)發(fā)展的兩個(gè)約束性指標(biāo)。某廠響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，對(duì)汽輪機(jī)實(shí)施增容提效改造，對(duì)以凝汽器、循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估及配套改造。

為提高循環(huán)水泵的安全可靠性，延長(zhǎng)循環(huán)水泵檢修周期，同時(shí)配合汽輪機(jī)增容提效改造的工作要求，決定對(duì)以循環(huán)水泵為主的冷端系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造。汽輪機(jī)增容改造后，汽輪機(jī)主、再熱蒸汽參數(shù)不變，在VOW工況下主蒸汽流量由原設(shè)計(jì)的1 913 t/h增大至1 943 t/h；機(jī)組額定出力由原設(shè)計(jì)的600 MW增容至630 MW。改造后凝汽器的面積裕量由原設(shè)計(jì)的27%優(yōu)化至16%，滿足凝汽器的設(shè)計(jì)要求[1]。

1 機(jī)組概況

1.1 汽輪機(jī)

汽輪機(jī)型號(hào)為N630-24.2/566/566，其型式為超臨界、一次中間再熱、(高中壓合缸)三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造加工能力等因素的影響，汽輪機(jī)效率較低，熱耗偏高，在經(jīng)濟(jì)性方面和安全、可靠性方面都存在較多問(wèn)題。為提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性與安全性，擬對(duì)汽輪機(jī)實(shí)施通流改造。

1.2 凝汽器

凝汽器型號(hào)為N-34000，其型式為雙背壓、雙殼體、表面型、雙汽室、八水室，殼體和水室為全焊接結(jié)構(gòu)?？偫鋮s面積為 34 000 m2，冷卻面積裕量為27%，冷卻水量為72 000 t/h。在TMCR工況下，設(shè)計(jì)面積裕量為27%，同類機(jī)組常規(guī)設(shè)計(jì)面積裕量為13%～15%。目前堵管率小于1%，凝汽器清潔度良好，無(wú)泄漏，真空度達(dá)到優(yōu)秀值。

1.3 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵型號(hào)為88LKXA-20.3，立式、單吸單級(jí)、內(nèi)體可抽式斜流泵，具體參數(shù)見(jiàn)表1。電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YL3000-16/2150-1，功率為3 000 kW。

表1 循環(huán)水泵參數(shù)

循環(huán)水泵自投產(chǎn)以來(lái)頻繁出現(xiàn)軸套脫落、導(dǎo)軸承斷裂、內(nèi)接管斷裂等問(wèn)題導(dǎo)致循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)軸瓦振動(dòng)大的故障，威脅機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。每臺(tái)循環(huán)水泵每次大修備件材料及修理費(fèi)用約50萬(wàn)元，人工費(fèi)約25萬(wàn)元，A級(jí)檢修時(shí)間約為50天，在此期間機(jī)組單泵運(yùn)行給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

2 原冷端系統(tǒng)設(shè)備評(píng)估

2.1 凝汽器

精確核算并確定凝汽器循環(huán)水的增加量是改造的重要依據(jù)。對(duì)改造機(jī)組而言，制約凝汽器循環(huán)水量的主要因素是凝汽器冷卻水的流速。該廠凝汽器冷卻水管使用的是鈦管，目前常規(guī)濕冷機(jī)組鈦管的管內(nèi)流速在2.3～2.5 m/s，若流速繼續(xù)升高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，鈦管存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，故該流速為凝汽器改造的限值條件。按上述原則核算，在凝汽器面積不變的情況下，循環(huán)水流量由原設(shè)計(jì)的72 000 m3/h增大到79 000 m3/h，此時(shí)水阻約為83 kPa。經(jīng)計(jì)算此時(shí)凝汽器背壓可由原設(shè)計(jì)的4.9 kPa降低至4.6 kPa，降低0.3 kPa(見(jiàn)表2)。

表2 冷端改造前后凝汽器參數(shù)對(duì)比

2.2 循環(huán)水泵

2.2.1 改造前設(shè)備基本情況

(1) 改造前循環(huán)水泵性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 改造前循環(huán)水泵性能參數(shù)

(2) 循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

為保證改造的科學(xué)性，對(duì)循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集(見(jiàn)表4)。

表4 循環(huán)水系統(tǒng)實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.2.2 目前運(yùn)行工況分析

目前，該廠循環(huán)水泵根據(jù)循環(huán)水實(shí)際水溫情況，實(shí)施高、低雙速運(yùn)行方式。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及歷年運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出改造前循環(huán)水泵各工況運(yùn)行參數(shù)[2](見(jiàn)表5)。

表5 改造前循環(huán)水泵各工況運(yùn)行參數(shù)

從表5數(shù)據(jù)分析得知[3]：

(1) 一機(jī)一泵低速運(yùn)行時(shí)，Q=39 600 m3/h,600 MW機(jī)組冬季要求Q=43 206 m3/h。所以，一機(jī)一泵低速運(yùn)行時(shí)可以保證機(jī)組在545 MW以下對(duì)循環(huán)水量的要求。

(2) 一機(jī)一泵高速運(yùn)行時(shí)，Q=49 500 m3/h可以滿足機(jī)組600 MW負(fù)荷冬季對(duì)循環(huán)水量的要求，但不能滿足630 MW負(fù)荷的要求。630 MW冬季滿負(fù)荷要求為54 233 m3/h，尚差4 733 m3/h，差值比例為8.7%，所以一機(jī)一泵高速運(yùn)行時(shí)可以保證機(jī)組在545 MW以下對(duì)循環(huán)水量的要求。

(3) 一機(jī)二泵高速運(yùn)行時(shí)，總流量Q=78 840 m3/h ，600 MW機(jī)組夏季要求∑Q=71 631 m3/h，所以一機(jī)二泵可以滿足機(jī)組600 MW負(fù)荷夏季對(duì)循環(huán)水量的要求，但不能滿足630 MW負(fù)荷的要求。630 MW夏季滿負(fù)荷要求為88 770 m3/h，單泵44 385 m3/h，總水量尚差13 530 m3/h，差值比例為15.2%。

(4) 二機(jī)三泵(兩高一低)運(yùn)行時(shí)，總流量∑Q=129 240 m3/h，單機(jī)平均流量為64 620 m3/h，冷卻倍率為56.8，此水量可滿足初夏及發(fā)電負(fù)荷在540 MW以下對(duì)循環(huán)水量的要求。

(5) 泵的運(yùn)行效率都不在高效區(qū)。增加循環(huán)水流量由原設(shè)計(jì)的72 000 m3/h增大到79 000 m3/h，循環(huán)水泵出力增大了7 000 m3/h，此外循環(huán)水泵還需提供開(kāi)式水約9 200 m3/h的水量，故原循環(huán)水泵的出力不能滿足要求，需對(duì)循環(huán)水泵實(shí)施以增容和提高可靠性為目的的優(yōu)化改造。

3 冷端系統(tǒng)改造方案

3.1 改造范圍

(1) 原凝汽器滿足汽輪機(jī)增容提效改造要求，不需改造[4]。

(2) 原循環(huán)水泵不滿足汽輪機(jī)增容提效改造要求，需進(jìn)行增容改造。

(3) 機(jī)組原設(shè)計(jì)冷端系統(tǒng)管道及附屬設(shè)備滿足要求，不需改造。

3.2 循環(huán)水泵改造方案

3.2.1 改造原則

(1) 泵組基礎(chǔ)臺(tái)板保持不變，吐出口管道布置保持不變。

(2) 泵組各季節(jié)運(yùn)行方式保持不變。

(3) 泵組a、b、c外接管保持不變，外部尺寸不變。

3.2.2 改造后循環(huán)水泵水力特性計(jì)算

各種運(yùn)行方式裝置的特性方程為[4]：

(1)

式中：HZ為揚(yáng)程，m；Q為流量，m/s。下標(biāo)11、12、23、24分別表示一機(jī)一泵、一機(jī)二泵、二機(jī)三泵、二機(jī)四泵。

根據(jù)上述特性方程繪制裝置特性曲線[5](見(jiàn)圖1)。

圖1 改造后循環(huán)水泵特性曲線

3.2.3 改造技術(shù)方案

(1) 更換循環(huán)水泵導(dǎo)葉體，在導(dǎo)葉體上部增加1個(gè)導(dǎo)軸承，由于循環(huán)水泵振動(dòng)源主要為吸入口水力變化引起，在導(dǎo)葉體上增加一個(gè)導(dǎo)軸承，使循環(huán)水泵的穩(wěn)定性大幅提高，抗振性能增強(qiáng)(見(jiàn)圖2)。

圖2 改造后導(dǎo)葉體示意圖

(2) 將賽龍軸承改為橡膠軸承，提高減振性能，并在中間支架上部加裝兩根內(nèi)接管，采用工業(yè)水冷卻潤(rùn)滑循環(huán)水泵導(dǎo)軸承，下導(dǎo)軸承增加5 cm的阻水邊，以保證含有雜質(zhì)的長(zhǎng)江水不會(huì)進(jìn)入導(dǎo)軸承，延長(zhǎng)軸承使用壽命。將中間軸承支架筋板進(jìn)行加強(qiáng)，增強(qiáng)抗振性能。

(3) 內(nèi)接管材質(zhì)改為不銹鋼材質(zhì)，提高耐腐蝕性，有效抵抗長(zhǎng)江水對(duì)內(nèi)接管的腐蝕，延長(zhǎng)內(nèi)接管的使用壽命。

(4) 對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高效率，使循環(huán)水流量由72 000 m3/h增大至79 000 m3/h。

3.2.4 設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

(1) 根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選用優(yōu)秀水力模型進(jìn)行模型換算設(shè)計(jì)。

(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證原泵的安裝基礎(chǔ)和吸入水池不變。

(3) 根據(jù)水利模型設(shè)計(jì)加工制造改造后閉式葉輪，增加了泵體及葉輪密封環(huán)，在泵體和葉輪密封環(huán)配合處比原泵增加了碰摩風(fēng)險(xiǎn)，因此該配合間隙應(yīng)符合設(shè)計(jì)間隙，并保證現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝。

(4) 中間支架加工為整圈配合，應(yīng)保證加工精度，中間支架外徑與外筒體配合符合廠家設(shè)計(jì)間隙(0.025～0.061 mm)。

(5) 由于機(jī)組由600 MW增至630 MW后，泵的設(shè)計(jì)參數(shù)(流量和揚(yáng)程)也相應(yīng)地要增大，泵的設(shè)計(jì)比轉(zhuǎn)速由500變?yōu)?80，泵的水力元件(葉輪、導(dǎo)葉體等)要重新設(shè)計(jì)和更換。

(6) 由于水力元件的改變，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要圍繞水力元件的改變而改變。

(7) 水泵、電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)保證符合原泵的基礎(chǔ)安裝尺寸和吸入流道規(guī)范的要求。

(8) 整體更換循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)，電機(jī)功率由3 000 kW增加至3 400 kW，除滿足循環(huán)水泵軸功率需要外，還應(yīng)增加高低速切換柜，實(shí)現(xiàn)在不拆線情況下進(jìn)行循環(huán)水泵的高低速切換。

3.2.5 改造后整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度校核

(1) 最小軸徑強(qiáng)度校核。

(2)

式中：d為軸徑，mm;M為力偶距，N·m；P為軸功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，rad/s;[τ]為許可強(qiáng)度極限， kg/cm2。

軸材質(zhì)為35CrMo，取P=3 400 kW，n=2.7 rad/s，[τ]=610 kg/cm2,得d=194.3 mm。實(shí)際套筒聯(lián)軸器卡環(huán)處取軸徑d=204.9 mm>194.3 mm,故最小軸徑滿足強(qiáng)度要求。

(2) 軸向推力校核。

軸向推力F由軸向水推力F1和泵轉(zhuǎn)子重力F2兩部分組成。

F1=KγAHg

(3)式中：K為軸向力系數(shù)，取0.8；γ為長(zhǎng)江水的密度，取1.03 g/cm3；A為葉輪吸入面積，取1.34 m2；H為揚(yáng)程，取21.18 m；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

經(jīng)計(jì)算得到F1為229.32 kN,F2為68.6 kN,軸向推力為297.92 kN。由性能曲線查得H0=45.5 m，得F1max=492.94 kN, 因而推力值提供合理[6]。

(3) 筒體強(qiáng)度計(jì)算校核。

(4)

式中：p為筒體的關(guān)閉壓力，取0.455 MPa(455 m揚(yáng)程)；r為筒體內(nèi)徑，取1 100 mm；t為筒體壁厚，取20 mm。

得到筒體強(qiáng)度為31.28 MPa,而88LKXA-20.3G型泵筒體材料為Q235B，其極限強(qiáng)度為48 MPa，因而筒體強(qiáng)度足夠[2]。

4 改造后運(yùn)行情況分析

改造后循環(huán)水泵運(yùn)行曲線見(jiàn)圖3。

圖3 改造后循環(huán)水泵運(yùn)行曲線

(1) 一機(jī)一泵高速運(yùn)行時(shí)，回水閥開(kāi)度為50%，運(yùn)行工況點(diǎn)為A點(diǎn)，流量54 720 m3/h，滿足冬季單臺(tái)泵流量要求；回水閥開(kāi)度為40%，運(yùn)行工況點(diǎn)為A′點(diǎn)，流量49 860 m3/h，滿足630 MW負(fù)荷下，90%工況下對(duì)冷卻水量的要求。一機(jī)一泵低速運(yùn)行時(shí)，回水閥開(kāi)度為40%，運(yùn)行工況點(diǎn)為A″點(diǎn)，流量43 200 m3/h，滿足630 MW負(fù)荷下，75%工況下對(duì)冷卻水量的要求。

(2) 一機(jī)二泵低速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)為B點(diǎn)，流量77 760 m3/h，滿足春秋季滿負(fù)荷和夏季75%工況下對(duì)冷卻水量的要求。

(3) 一機(jī)二泵(高、低速)并列運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)為C點(diǎn)，流量83 340 m3/h，滿足春秋季滿負(fù)荷和夏季90%工況下對(duì)冷卻水量的要求。

(4) 一機(jī)二泵高速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)為D點(diǎn)，流量88 920 m3/h，滿足夏季滿負(fù)荷工況下對(duì)冷卻水量的要求。

(5) 二機(jī)三泵(一高二低)運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行工況點(diǎn)為E點(diǎn)，流量135 000 m3/h，平均每臺(tái)機(jī)組67 500 m3/h，滿足冬季滿負(fù)荷工況下對(duì)冷卻水量的要求。

(6) 循環(huán)水泵運(yùn)行效率，除冬季一機(jī)一泵高速運(yùn)行是80%外，其余運(yùn)行工況點(diǎn)效率都在85%以上，而改造前運(yùn)行的平均效率為76.3%，故改造后泵體的效率提高約8.5%。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，該廠已完成汽輪機(jī)增容提效改造及冷端系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化改造，機(jī)組已安全穩(wěn)定運(yùn)行約一年，改造后機(jī)組熱耗較改造前降低約320 kJ/(kW·h)，煤耗降低約11.8 g/(kW·h)，大幅提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性水平。改造后冷端系統(tǒng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)滿足機(jī)組實(shí)際運(yùn)行要求。循環(huán)水泵軸瓦振動(dòng)、瓦溫等運(yùn)行數(shù)據(jù)達(dá)到優(yōu)秀值，設(shè)備安全性及可靠性大幅提高，取得了預(yù)期效果。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì). 電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范汽輪機(jī)機(jī)組篇: DL 5011—1992[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 1992: 66-126.

[2] 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. 離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范 精密級(jí): GB/T 18149-2000[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2004.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)離心泵. 技術(shù)條件(II)類: GB/T 5656—2008[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[4] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50660—2011[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2012.

[5] 關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)宇航出版社, 2011: 256-378.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 離心泵、混流泵、軸流泵與旋渦泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行: GB/T 13469—2008[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.

ImprovementonColdEndSystemofa600MWSupercriticalWetCoolingUnit

Li Yongli

(Shenhua Guohua (Beijing) Electric Power Research Institute Co., Ltd., Beijing 100025, China)

2016-07-25；

2016-10-16

李永利(1981—)，男，工程師，從事能源動(dòng)力設(shè)備的設(shè)計(jì)、檢修、維護(hù)運(yùn)行、改造等工作。

E-mail: ty-lyl@163.com

TK264.1

A

1671-086X(2017)05-0371-05