600 MW超臨界機組引風(fēng)機增容改造分析

王 勇，李鵬飛

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036018)

600 MW超臨界機組引風(fēng)機增容改造分析

王 勇1，李鵬飛2

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036018)

介紹了某電廠600 MW機組汽動引風(fēng)機增容改造的情況，通過對小汽輪機、引風(fēng)機和煙道的優(yōu)化設(shè)計改造方案分析，選擇較優(yōu)方案進行改造，解決了脫硫、脫硝系統(tǒng)提效改造后存在的問題，提高了汽動引風(fēng)機運行的可靠性。

汽輪機；汽動引風(fēng)機；增容改造；煙氣管道

0 概述

某發(fā)電廠2×600 MW超臨界燃煤機組于2010年開始建設(shè)，2013年投運。根據(jù)國家和地方政府要求，該地的燃煤發(fā)電機組需在2017年底前完成改造，使煙氣污染物排放標準滿足粉塵不大于5 mg/Nm3，SO2不大于 35 mg/Nm3，NOX不大于50 mg/Nm3，而該發(fā)電廠現(xiàn)有煙氣排放處理設(shè)施無法滿足以上排放要求。

為滿足以上要求，改善本地區(qū)的大氣環(huán)境，建設(shè)綠色環(huán)保型電廠，該發(fā)電廠決定于2015年首先對1號機組脫硫、脫硝及除塵等煙氣處理裝置進行升級改造。

脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)提效改造后，在鍋爐BMCR工況下煙氣總阻力增加約1 700 Pa，查原有引風(fēng)機設(shè)計參數(shù)，在鍋爐BMCR工況下引風(fēng)機全壓為7 902 Pa，改造后風(fēng)機全壓需達到9 602 Pa，已超出原有引風(fēng)機的TB點出力，因此需要對引風(fēng)機及其相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)進行改造。

1 汽動聯(lián)合引風(fēng)機和汽輪機技術(shù)規(guī)范

1.1 汽動聯(lián)合引風(fēng)機

該電廠2×600 MW超臨界燃煤機組每臺爐配置2臺靜葉可調(diào)軸流式汽動引風(fēng)機。2臺引風(fēng)機并聯(lián)運行或單獨運行。對每臺引風(fēng)機而言，在40 %—50 % THA負荷以下定速運行，利用入口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)；當(dāng)負荷超過40 %—50 % THA時，將前導(dǎo)葉調(diào)節(jié)至0，利用轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。引風(fēng)機主要設(shè)計性能參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)機主要設(shè)計性能參數(shù)

1.2 引風(fēng)機驅(qū)動用小汽輪機

引風(fēng)機驅(qū)動用小汽輪機是由東方電氣集團東方汽輪機有限公司制造的。該小汽輪機為單缸、單流程、凝汽式、自帶水冷凝汽器汽輪機。其額定功率3.82 MW，最大連續(xù)功率4.821 MW，額定進汽壓力0.975 MPa，額定進汽溫度361.1 ℃，額定進汽流量21.37 t/h，汽輪機連續(xù)運行自動調(diào)速范圍為3 000—6 000 r/min。該小汽輪機正常工作汽源采用四段抽汽，啟動、調(diào)試及備用汽源來自輔助蒸汽。每臺引風(fēng)機小汽輪機各自配置1臺凝汽器，引風(fēng)機小汽輪機凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后打入主汽輪機的熱井中。

該小汽輪機主要設(shè)計性能參數(shù)如表2所示。

表2 小汽輪機主要設(shè)計性能參數(shù)

2 改造方案

2.1 現(xiàn)有引風(fēng)機性能評估

由于引風(fēng)機全壓增大，使引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和軸功率均增大，因此配套減速機齒輪箱以及驅(qū)動小汽輪機需相應(yīng)進行改造。

根據(jù)引風(fēng)機現(xiàn)場測試結(jié)果看，當(dāng)1號機組在負荷600 MW運行時，引風(fēng)機全壓最高為7 029 Pa。當(dāng)機組在滿負荷660 MW運行時，引風(fēng)機全壓勢必繼續(xù)增大，據(jù)風(fēng)機廠家估算，屆時1號機組將難以選用靜調(diào)風(fēng)機而被迫改為動調(diào)風(fēng)機。為保證引風(fēng)機方案不做更大的改動，有必要將1號機組整個煙氣系統(tǒng)的阻力進行核減。

通過數(shù)值模擬后初步估算，將1號機組空預(yù)器至脫硫吸收塔之間的煙道進行優(yōu)化設(shè)計，可以降低煙氣阻力約500 Pa，再加上脫硝系統(tǒng)改造后空預(yù)器阻力可以降低約500 Pa，則1號機組也可以選用靜調(diào)引風(fēng)機。

2.2 引風(fēng)機及其配套系統(tǒng)改造方案

由于煙氣系統(tǒng)阻力的增加，需對引風(fēng)機進行改造，本次引風(fēng)機改造的方案有：引風(fēng)機本體改造+更換齒輪箱+小汽輪機通流改造(方案1)和串聯(lián)增壓風(fēng)機改造(方案2)。其中方案1可利用原有引風(fēng)機基礎(chǔ)，對減速機和小汽輪機基礎(chǔ)僅做局部改動，工程具體實施時需對基礎(chǔ)進行核算，必要時需對基礎(chǔ)進行加固處理；而方案2則需新建風(fēng)機房、風(fēng)機基礎(chǔ)等。

原引風(fēng)機間后側(cè)距離廠區(qū)道路還有約26 m的空間，初步判斷可以滿足新增增壓風(fēng)機設(shè)備本體的布置，但對于新建增壓風(fēng)機間以及進出口煙道的連接則比較困難，并且會涉及地下管線的改造。將1號機組空預(yù)器至脫硫吸收塔之間的煙道進行優(yōu)化改造后，引風(fēng)機后煙道仍可以利用原有煙道走向及支架，場地條件滿足要求。

2.3 引風(fēng)機及其配套系統(tǒng)改造方案比較

引風(fēng)機改造方案對比如表3所示。由表3可以看出，串聯(lián)增壓風(fēng)機的方案雖然能徹底解決新增阻力問題，但其占地面積大，會引起地下管線的改造。由于電機功率的增加，造成高廠變高壓側(cè)超出額定負荷幅度較大，長期運行時電耗增加，節(jié)能效果差，也有悖于當(dāng)前“引增合一”的配置潮流。因此，綜合考慮后，本次改造決定采用方案1。

2.4 引風(fēng)機改造后性能

按方案1要求，引風(fēng)機廠家提供了1號機組引風(fēng)機改造后的選型參數(shù)表和性能曲線，如表4和圖1所示。

表3 引風(fēng)機改造方案對比

表4 1號機組引風(fēng)機改造后選型參數(shù)

圖1 1號機組引風(fēng)機改造后性能曲線

3 小汽輪機通流改造

3.1 改造方案

(1) 更換汽輪機噴嘴組。因引風(fēng)機出力增大，小汽輪機出力需相應(yīng)增加，小汽輪機進汽流量需相應(yīng)增大。更換小汽輪機噴嘴組確保機組進汽量及出力增大，以滿足引風(fēng)機要求。

(2) 更換小汽輪機轉(zhuǎn)子。引風(fēng)機小汽輪機出力增大，機組排汽量增大，末級葉片長度需增大。更換舊轉(zhuǎn)子以滿足所有葉片強度要求。所有動葉片全新設(shè)計，末級葉片由原170 mm增大到210 mm。

(3) 更換各級隔板及導(dǎo)葉。

(4) 齒輪箱殼體不變，更換齒輪箱內(nèi)所有組件，使減速比滿足小汽輪機和引風(fēng)機變化要求。

(5) 提供轉(zhuǎn)子支架。

(6) 引風(fēng)機改造后第一臨界轉(zhuǎn)速1 325 r/min。

3.2 改造后小汽輪機性能

原小汽輪機TB點蒸汽流量為39.5 t/h，改造后TB點蒸汽流量為42.33 t/h，單臺小汽輪機增加蒸汽流量2.83 t/h，則每臺爐需增加蒸汽流量為5.66 t/h。改造工程的施工圖說明，每臺機組四段抽汽除供熱力系統(tǒng)、給水泵汽輪機以及引風(fēng)機小汽輪機用汽外，剩余的最大可允許廠用抽汽量為83 t/h，減去東露天煤礦礦區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和采暖所需蒸汽68 t/h，即使在采暖期也還有15 t/h的蒸汽裕量，可以滿足改造工程滿負荷時小汽輪機增容改造所需增加的蒸汽量。機組在低負荷工況或一臺機組停運以及一臺機組運行、另一臺機組啟動時，僅靠四段抽汽不能保證對引風(fēng)機小汽輪機的供汽，需要增加從冷段的抽汽或啟動鍋爐供汽來補充。1號機組小汽輪機改造后的熱力數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 1號機組小汽輪機改造后的熱力數(shù)據(jù)

4 1號機組煙道優(yōu)化改造方案

針對電廠現(xiàn)有煙氣管道分布情況，計算其阻力分布情況，找出其中阻力較大的部件、不合理的連接方式以及不合理的空間布置方式，然后對其進行優(yōu)化改造，從而達到優(yōu)化運行的目的。

電廠中尾部煙道主要分為：空預(yù)器出口至除塵器入口煙道、除塵器出口至引風(fēng)機入口煙道、引風(fēng)機出口到冷卻塔入口煙道、冷卻塔入口到脫硫塔入口煙道。

本項目基于計算流體力學(xué)技術(shù)，對煙道采用1:1三維實體建模并進行了數(shù)值模擬分析。主要結(jié)論有以下幾個方面。

4.1 空預(yù)器出口至除塵器入口煙道的改造

首先，將改造前的先轉(zhuǎn)彎后分流煙道改為先分流后轉(zhuǎn)彎煙道，以避免流體的沖撞；其次，將改造前的直角彎頭均改為彎徑比盡量大的緩轉(zhuǎn)彎頭，如圖2所示。

對空預(yù)器出口至除塵器入口段煙氣阻力進行分析。利用數(shù)值計算方法獲得改造前的空預(yù)器出口至除塵器入口段A，B側(cè)煙氣阻力值分別為128.94 Pa和167.24 Pa，優(yōu)化后煙氣阻力為40.15 Pa和54.21 Pa，分別下降了88.79 Pa和113.03 Pa。若單獨計算A風(fēng)機和B風(fēng)機側(cè)壓降，則取平均值100.91 Pa。

4.2 除塵器出口至引風(fēng)機入口煙道的改造

首先，將改造前的合并之后再豎直轉(zhuǎn)彎煙道改為先轉(zhuǎn)彎后合并煙道，以避免流體的沖撞；其次，將改造前的矩形管改為圓管；最后，對連續(xù)轉(zhuǎn)彎形成的空間彎頭進行優(yōu)化改造，如圖3所示。

圖3 除塵器出口至引風(fēng)機入口煙道改造前后對比

對除塵器出口至引風(fēng)機入口段煙氣阻力進行分析。利用數(shù)值計算方法獲得改造前除塵器出口至引風(fēng)機入口段A，B側(cè)煙氣阻力值分別為254.93 Pa和249.64 Pa，優(yōu)化后煙氣阻力均為26.68 Pa，分別下降228.25 Pa和222.96 Pa。

4.3 引風(fēng)機出口至冷卻塔入口煙道的改造

首先，將改造前的引風(fēng)機出口段加長，避免過大的擴散角以及煙氣快速撞擊直管段壁面帶來的動能損失；其次，將2個風(fēng)機出口管道與主管段連接處的急轉(zhuǎn)彎頭變?yōu)榫忁D(zhuǎn)彎頭，減小轉(zhuǎn)角處的動能損失，同時使匯流處的匯流角減小，避免2股流體90°對沖產(chǎn)生的巨大阻力損失；將匯流結(jié)束后管道段中的所有緩轉(zhuǎn)彎頭角度全部減小為30°，并增加連續(xù)彎頭之間的距離；最后，將匯流之后的管道段由原來的矩形截面管改為圓截面管，如圖4所示。

圖4 引風(fēng)機出口至冷卻塔入口煙道改造前后對比

對引風(fēng)機出口至冷卻塔入口段煙氣阻力進行分析。利用數(shù)值計算方法獲得改造前引風(fēng)機出口至冷卻塔入口段A，B側(cè)煙氣阻力值分別為753.58 Pa和575.62 Pa，優(yōu)化后煙氣阻力分別為436.02 Pa和401.81 Pa，分別下降317.56 Pa和173.81 Pa。

(4) 冷卻塔入口至脫硫吸收塔入口煙道的改造優(yōu)化方案。首先將改造前的煙道變徑段加長，減少煙道驟減帶來的動能損失；其次將改造前的矩形管改為圓管，如圖5所示。

圖5 冷卻塔入口至脫硫吸收塔入口煙道改造前后對比

對冷卻塔入口至脫硫吸收塔入口段煙氣阻力進行分析。利用數(shù)值計算方法獲得改造前冷卻塔入口至吸收塔入口段A，B側(cè)煙氣阻力值分別為20.40 Pa和22.75 Pa，優(yōu)化后煙氣阻力均為7.49 Pa，分別下降12.91 Pa和15.26 Pa。

因此空預(yù)器至脫硫吸收塔的阻力，對于A風(fēng)機段改造后可下降661.98 Pa，對于靠近冷卻塔的B風(fēng)機段改造后可下降512.94 Pa。

從以上優(yōu)化結(jié)果可以看出，1號機組兩側(cè)煙道阻力平均下降587.46 Pa。一般情況下，理論計算和實際情況的誤差在15 %—20 %，取15 %，則煙道阻力可降低499.34 Pa。本次改造按降低500 Pa來核算引風(fēng)機壓頭。

煙道改造范圍：從空預(yù)器出口到吸收塔入口的所有煙道以及部分支撐。

5 改造后的效果

汽動聯(lián)合引風(fēng)機增容改造完成后，在正常運行工況下，對改造后的汽動聯(lián)合引風(fēng)機性能曲線和參數(shù)進行了分析。分析結(jié)果表明，改造后引風(fēng)機運行的穩(wěn)定性及可靠性得到了很大提高，同時滿足了脫硝、脫硫以及除塵系統(tǒng)提效改造的要求。改造后，小汽輪機以及風(fēng)機軸瓦振動都達到了優(yōu)秀值，如表6所示。

表6 A，B汽動風(fēng)機軸瓦振動匯總 μm

6 結(jié)論

考慮系統(tǒng)運行安全可靠性、場地條件、改造周期、改造成本等因素，本次汽動聯(lián)合引風(fēng)機改造采用“引風(fēng)機本體改造+更換齒輪箱+小汽機通流改造”方案。為滿足1號機組靜調(diào)引風(fēng)機選型所需，同步進行1號機組煙氣系統(tǒng)煙道優(yōu)化改造。改造后，汽動聯(lián)合引風(fēng)機各項參數(shù)指標以及煙道阻力均達到了要求。該電廠引風(fēng)機以及配套系統(tǒng)的改造為同類汽動聯(lián)合引風(fēng)機的改造提供了思路和方法。

1 朱法華，王 圣，趙國華，等．GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》分析與解讀[M]．北京:中國電力出版，2013.

2 劉朝安．脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機和引風(fēng)機間的協(xié)調(diào)控制策略[J]．電力安全技術(shù)，2014，16(4):20-22.

2017-02-20；

2017-05-21。

王 勇(1976—)，男，高級工程師，主要從事汽機主輔機新技術(shù)應(yīng)用、節(jié)能以及可靠性研究工作，email：wangyong01976@163.com。

李鵬飛(1987—)，男，助理工程師，主要從事電廠節(jié)能改造相關(guān)方面的工作。