現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中機(jī)爐參數(shù)系列匹配優(yōu)化問題探討

(中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120)

1 概述

對于電站鍋爐、汽輪機(jī)機(jī)爐參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，是招投標(biāo)中確定發(fā)電項(xiàng)目主機(jī)參數(shù)選擇的主要依據(jù)，但從工程實(shí)踐及國內(nèi)/國際文獻(xiàn)比照角度，現(xiàn)行火電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于鍋爐、汽輪機(jī)的參數(shù)系列多源自前蘇聯(lián)文獻(xiàn)，其機(jī)爐參數(shù)匹配顯得偏于保守，存在較大優(yōu)化空間。為適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能降耗優(yōu)化主機(jī)參數(shù)的需要，本文按大中型機(jī)組及熱電聯(lián)產(chǎn)中小型機(jī)組，對這一問題進(jìn)行討論。

2 300 MW以上再熱機(jī)組規(guī)范優(yōu)化問題

對鍋爐與汽輪機(jī)初參數(shù)匹配通常按大中型機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行選用，推薦的主蒸汽壓降不大于5%，但對其進(jìn)一步優(yōu)化則缺乏指導(dǎo)性條款，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中的鍋爐設(shè)計(jì)壓力裕量仍然偏大(按文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料機(jī)爐運(yùn)行壓降多數(shù)為2.5%～3.5%)。而目前招投標(biāo)中仍然很少考慮優(yōu)化因素。如350 MW級的超臨界機(jī)組，汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)按國標(biāo)GB/T754為24.2 MPa.a，而幾大鍋爐廠的鍋爐設(shè)計(jì)壓力多為25.4 MPa.g，相應(yīng)的機(jī)爐壓降為[(25.5－24.2)/24.2]×100%=5.37%，對比設(shè)計(jì)院主蒸汽計(jì)算壓降3%～3.5%，裕量明顯偏大；但按此進(jìn)行機(jī)爐壓降優(yōu)化還需要得到行業(yè)規(guī)范的支持。

3 熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目規(guī)范優(yōu)化問題

對于中小型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及分布式能源項(xiàng)目中的燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐－蒸汽輪機(jī)機(jī)組，現(xiàn)行中小型火電廠規(guī)范及燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)設(shè)計(jì)規(guī)范中均缺乏明確規(guī)定，在招投標(biāo)文件中大多按現(xiàn)行電站機(jī)爐系列標(biāo)準(zhǔn)GB/T754及GB753為依據(jù)提要求；但該系列標(biāo)準(zhǔn)系以30多年前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SD264－1988為藍(lán)本，其機(jī)爐壓降高達(dá)10%左右，見表1。

表1 國內(nèi)中小型火電機(jī)組鍋爐－汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)

就節(jié)能降耗角度，主蒸汽的壓降高達(dá)10%以上是相當(dāng)不合理的，與設(shè)計(jì)院主蒸汽系統(tǒng)壓降計(jì)算的優(yōu)化結(jié)果也不相匹配，應(yīng)該進(jìn)行修訂調(diào)整。

4 機(jī)爐壓降偏大的歷史原因

現(xiàn)行鍋爐汽輪機(jī)參數(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)中的中小型機(jī)組參數(shù)匹配參照了前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)，而前蘇聯(lián)的機(jī)爐初參數(shù)匹配源于其當(dāng)時的技術(shù)水平相對落后，所用的管道內(nèi)壁粗糙度為0.2 mm，直管阻力系數(shù)高達(dá)0.018～0.022，熱壓彎頭等管件阻力系數(shù)也偏大；相比之下目前實(shí)際使用的無縫鋼管粗糙度按國際通用標(biāo)準(zhǔn)為0.0457 mm，直管阻力系數(shù)0.013～0.014，在四大管道優(yōu)化中普遍推薦使用彎管來替代彎頭，管件部分阻力系數(shù)比彎頭小很多；加上前蘇聯(lián)計(jì)算方法偏于保守，對于管件在計(jì)算局部阻力后另外再計(jì)算摩擦阻力，又考慮裕量，使得機(jī)組投運(yùn)后實(shí)際總的機(jī)爐壓降只有計(jì)算值的50%左右，以此為依據(jù)取用的機(jī)爐壓降必然偏大。

5 機(jī)爐壓降優(yōu)化的理論依據(jù)

由流體力學(xué)基本方程可以推得主蒸汽系統(tǒng)比壓降公式如下：

式中： Δp為主蒸汽系統(tǒng)壓降(MPa)；p為汽輪機(jī)進(jìn)口主蒸汽壓力(MPa)；Le為管線當(dāng)量計(jì)算長度(m)；λ為直管摩擦阻力系數(shù)；D為主蒸汽管內(nèi)徑(m)；W為主蒸汽管管內(nèi)流速(m/s)；v為與主蒸汽壓力相匹配的蒸汽比容(m3/kg)；ζe為阻力因子；C1為流速因子，由于流速W取值與蒸汽參數(shù)關(guān)系不大，C1值變化不大。C2為氣體特性因子，對于中壓、次高壓、高壓、超高壓及超臨界機(jī)組的C2值分別為1.049、1.007、0.939、0.962及0.994，變化較小。

根據(jù)文獻(xiàn)的分析，按國際通用的Crane手冊查取的管件阻力系數(shù)已包括管件展開長度的摩擦阻力在內(nèi)，則在已知管線展開長度L及以彎管為代表的管件數(shù)n時的當(dāng)量計(jì)算長度為：

式中：L為管系直管段長度(m)；Ld為管件當(dāng)量長度(m)；R/D為管件相對于管徑的彎曲半徑。

由于阻力系數(shù)λ的變化不大，ζe主要取決于當(dāng)量長度Le及管徑D；對于中小型機(jī)組來說λ值略大，Le及D均較小，ζe值的總體水平仍與大中型機(jī)組相當(dāng)。

在典型的工程技術(shù)條件下，按公式(1)、(2)所估計(jì)的主蒸汽系統(tǒng)比壓降見表2。

表2 典型條件下的主蒸汽系統(tǒng)壓降估算數(shù)據(jù)(適用于彎管替代彎頭時)

據(jù)以上分析，對于大中型機(jī)組：

(1)當(dāng)采用較大單管設(shè)計(jì)容量使主管內(nèi)徑較大(例如鄒縣三期600 MW機(jī)組主蒸汽系統(tǒng)采用單管制連接方式)。

(2)因主廠房布置優(yōu)化使四大管道長度更短情況下，主蒸汽系統(tǒng)的比壓降有可能控制在3.5%以內(nèi)。對于中小型機(jī)組的主蒸汽合理壓降仍可控制在與大中型機(jī)組同等范圍內(nèi)即5%以內(nèi)；對于燃機(jī)/余熱鍋爐－蒸汽輪機(jī)機(jī)組，主蒸汽系統(tǒng)的優(yōu)化比壓降可以控制的更低；沒有必要取到10%的高值。

6 機(jī)爐壓降優(yōu)化的實(shí)踐

6.1 大中型再熱機(jī)組

國內(nèi)從ALSTOM引進(jìn)的330 MW及鄒縣三期600 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)壓降均不到3.5%；ALSTOM－SIEMENS設(shè)計(jì)的外高橋電廠二期參數(shù)為25 MPa 的900 MW超臨界機(jī)組，主蒸汽壓降按0.805 MPa取用，鍋爐設(shè)計(jì)壓力為25.76 MPa，機(jī)爐設(shè)計(jì)壓降僅為3.2%，按投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)仍有裕量，表明在大中型再熱機(jī)組中的機(jī)爐壓降上具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)化空間。

6.2 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)及中小型機(jī)組

新近設(shè)計(jì)的崇明島燃機(jī)配高壓機(jī)組的機(jī)爐主蒸汽壓降為(12.85－12.473)/12.473=3%，比表1中的配套數(shù)據(jù)要小得多。最近對于某分布式能源項(xiàng)目燃?xì)廨啓C(jī)/余熱鍋爐－供熱汽輪機(jī)機(jī)爐初參數(shù)匹配檢查中發(fā)現(xiàn)，初設(shè)中按機(jī)爐參數(shù)匹配確定的主蒸汽壓降為(9.8－8.83)/8.83=10.98%，大大超標(biāo)，審查中要求設(shè)計(jì)院根據(jù)理論計(jì)算并參照該項(xiàng)目老廠實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)(約為3%左右)比算，調(diào)整到3%～4%，達(dá)到合理水平。

7 對行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修訂及完善建議

(1)對大中型鍋爐的蒸汽參數(shù)在大火規(guī)規(guī)定基礎(chǔ)上按設(shè)計(jì)院四大管道優(yōu)化成果進(jìn)行優(yōu)化，以降低鍋爐設(shè)計(jì)裕量并調(diào)低給水泵選型壓頭裕量。

(2)對中小型供熱機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的機(jī)爐參數(shù)匹配，不再套用前蘇聯(lián)的蒸汽鍋爐→汽輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)系列參數(shù)，而應(yīng)支持按設(shè)計(jì)院主蒸汽壓降優(yōu)化成果或燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)來選取。