火电空冷会议论文-直接空冷机组排汽管道系统阻力测试分析

第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集直接空冷机组排汽管道系统阻力测试分析石志奎惠超郭晓克（东北电力设计院吉林长春130021）【摘 要】针对目前直接空冷机组排汽管道系统大多配置排汽装置，因其阻力大、影响机组运行经济性等问题，根据两个典型机组的实际现场测试结果进行分析提出了改进措施：建议排汽管道系统取消排汽装置。【关键词】直接空冷排汽装置排汽管道系统排汽管道阻力0前言近年来，在我国的三北地区相继建设了一大批大中容量的直接空冷汽轮发电机组，设计时为了简化汽水系统（包括管道和设备），减少排汽管道对低压缸排汽口的推力，大多增设了带除氧功能的排汽装置。其优点是系统简化，除氧效果好。直接空冷机组排汽管道系统的作用是将汽轮机做功后的乏汽送至空冷平台上的各列凝汽器，排汽管道系统包括排汽装置（如果有）、排汽管道、管件和阀门。而排汽管道仅仅是排汽装置出口至空冷凝汽器入口之间的圆形管道（包括管件和阀门），如果不设排汽装置，排汽管道就是低压缸排汽口至空冷凝汽器入口之间的圆形管道。对于高位布置的排汽管道，整个排汽管道由主水平管道、主垂直管道水平分配管道，上升直管等组成。对于600MW空冷机组其排汽管道大多采用高位布置，少量采用树型（或叫V型）布置。本文仅对600MW等级直接空冷机组排汽管道系统进行探讨。1排汽管道系统阻力计算方法排汽管道系统阻力计算方法通常采用数值模拟的方法借助CFD（计算流体动力学）软件进行计算，根据计算结果提供最终全参数的数据分析，给出能够为工程设计提供依据的研究结论，提出排汽管道在各种工况下的总压降和典型管件的阻力系数，给出管道中各阻力构件的沿程阻力系数和局部阻力系数。排汽管道内的流体流动过程是有一定含液量的汽液两相流动，通过数值模拟计算结果，得到阻力系数与管道结构、流体物性以及流动状态的关系，然后采用与单相流体阻力计算相似的计算方法可以计算实际排汽管道的压降。摩擦阻力计算方法 （1）局部阻力计算 （2）式中： 摩擦压力损失和局部阻力损失，Pa； 摩擦阻力系数和局部阻力系数；通过数值模拟的方法获得;l，d管段长度和管子直径，m；为混合流体的平均密度，；为截面含液率；在排汽管道内，液相的密度远大于汽相，但是含液率却很低（一般小于10%），所以液滴所占据的面积份额非常小，含液率为8%时，截面含液率在1x10-4的范围内，因此完全可以忽略不计，可以认为混合物的密度为湿蒸汽的密度。由数模实验可以得出排汽管道各个局部构件的局部阻力系数，按照公式（1）或公式（2）结合实际排汽管道的参数即可计算出实际排汽管道的各个部分压降。2排汽管道系统阻力测试为了深入掌握排汽管道系统的实际运行阻力情况，现收集了两个运行电厂的实测值。根据现有的实测值进行分析研究。其中A电厂测试范围是整个排汽管道系统，B电厂测试范围仅是排汽装置及其之后的汇流对称Y型三通。2.1某A电厂排汽管道阻力现场测试记录某投产A电厂汽轮机为660MW超临界、一次中间再热、单轴、两缸（高中压合缸和一个低压缸）两排汽直接空冷凝汽式汽轮机，型号为NZK660-24.5/566/566-2，由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，汽轮机技术规范见表2.1.1，排汽装置技术规范见表2.1.2。为了掌握排汽装置和排汽管道的实际运行性能，该电厂决定对其汽轮机排汽装置和排汽管道进行性能试验。处理后的测试数据列表于表2.1.3。在排汽装置压损计算中，低压缸排汽压力为性能试验测点，排汽装置出口压力为DCS测点。排汽装置压损=低压缸排汽压力排汽装置出口压力。表2.1.1A电厂汽轮机技术规范名称单位设计数据型号NZK660-24.5/566/566-2型式超临界、一次中间再热、两缸两排汽、单轴、直接空冷凝汽式TMCR工况汽轮机排汽压力KPa16汽轮机发电机组功率MW699.4603汽轮机排汽量t/h1330.79排汽焓kJ/kg2449.3表2.1.2A电厂排汽装置参数如下：名称单位设计值进汽口尺寸mm70747530排汽口尺寸mm2X602020凝结水箱尺寸mm990013030正常水位mm1200高一水位mm1400高二水位mm报警水位1600低一水位mm1000低二水位mm800表2.1.3A电厂处理后的测试数据试验参数单位TMCR工况低压缸排汽压力1kPa17.206低压缸排汽压力2kPa17.169排汽装置出口压力(DCS测点)kPa16.350凝汽器#1排进口压力kPa14.969凝汽器#3排进口压力kPa14.795凝汽器#1排联箱压力(#6逆流风机位置)kPa15.260低压缸排汽压力平均值kPa17.188凝汽器进口压力平均值kPa14.882排汽装置压降kPa0.838排汽装置出口至空冷凝汽器进口压降kPa1.468低压缸排汽压力至空冷凝汽器进口压损kPa2.3062.2某B电厂汽轮机联合排汽装置性能试验测试记录某B电厂为亚临界直接空冷600MW机组，已于2006 年先后投产发电。汽轮机为600MW 亚临界、冲动反动联合式、一次中间再热、单轴、三缸（高中压合缸和两个低压缸）四排汽直接空冷凝汽式汽轮机，型号为NZK600-16.7/538/538-2，由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司制造，汽轮机技术规范见表2.2.1，排汽装置技术规范见表2.2.2。为了掌握排汽装置的实际运行性能，哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司委托西安热工研究院有限公司对其汽轮机排汽装置进行性能试验。排汽装置性能试验数据及计算结果见表2.2.3。表2.2.1B电厂汽轮机技术规范名称单位设计数据型号NZK600-16.7/538/538-2型式亚临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、直接空冷凝汽式额定功率MW600最大连续功率MW641.6末级动叶长度mm620给水回热系统3高加+1除氧器+3低加主蒸汽压力MPa16.67再热蒸汽压力MPa3.2主蒸汽温度538再热蒸汽温度538名称单位设计数据主蒸汽流量kg/h1833370背压kPa15低压缸排汽流量kg/h12118602.2.2B电厂排汽装置技术规范名称单位设计值进汽口尺寸mm49126580排汽口尺寸mm600020凝结水箱尺寸mm658010000正常水位mm2200高一水位mm2400高二水位mm2600高三水位mm2800低一水位mm2000低二水位mm1800表2.2.3排汽装置性能试验数据及计算结果试验工况单位100%额定负荷机组负荷MW598.1低压缸排汽压力kPa32.81排汽装置出口压力kPa32.39排汽装置汽阻kPa0.43排汽装置出口汽温71.17排汽压力对应饱和温度71.2排汽装置出口压力对应饱和温度70.89排汽装置出口凝结水温度70.82凝结水过冷度0.38凝结水补水流量t/h02.3A电厂和B电厂排汽装置阻力对比分析A电厂和B电厂的主要区别是A电厂为超临界660MW机组，B电厂为亚临界600MW机组，所以相同工况条件下两个机组的低压缸排汽量应该相近。另外A电厂是两缸两排汽的汽轮机，单个排汽装置，排汽由单个排汽口经Y型三通（裤衩管）分为两根DN6000的排汽口。而B电厂是三缸四排汽的汽轮机，两个排汽装置，排汽由每个排汽装置的排汽口直接排到DN6000的排汽管道。A电厂排汽装置增加了Y型三通，所以阻力一定会有所增大。从A电厂和B电厂的测试中可以看出A电厂排汽装置的阻力大于B电厂，先将两个电厂的两个相近的工况数据列表对比。电厂工况低压缸设计背压kPa低压缸排汽流量t/h（设计背压时）低压缸排汽测量压力kPa排汽装置汽阻kPaATMCR161330.7917.1880.838B100%额定负荷151211.8632.810.43现以A电厂TMCR工况的测试为对比基点。B电厂的100%额定负荷当汽机排汽压力为15KPa时低压缸排汽流量1211.86t/h，当背压为32.81kPa时低压缸排汽流量估算为1320t/h（按A厂汽机的热平衡图TRL工况为背压34KPa，排汽流量1326.54t/h），此时按排汽装置出口排汽焓为2520kj/kg。经A厂TMCR工况排汽装置阻力838Pa试算得排汽装置的局部阻力系数为4.695（相对于排汽装置出口6020X20流速），B厂THA工况高背压工况阻力430Pa试算得排汽装置的局部阻力系数为4.4，再由局部阻力系数为4.4算得B厂TMCR工况（为了和A厂比较背压，流量和排汽焓取值相同）排汽装置的局部阻力为785Pa。下表为计算表格。序号名称符号单位公式及计算A电厂TMCRB电厂THA高背压B电厂TMCR1背压P0Kpa汽机厂资料17.18832.8117.1882低压缸排汽量Mt/h汽机厂资料1330.7913201330.793低压缸排汽焓i0kj/kg汽机厂资料2449.325202449.34装置阻力系数4.6954.44.45入口压力P1KpaP1=P017.18832.81017.1886入口干度x1x1=f(P1,i1)0.934530.949820.934417出口内径dmd=6.02-2X0.025.9805.9805.9808出口截面积Fm2F=(d2/4)28.0928.0928.099比容v1m3/kgv=f(P1, x1)8.24214.58368.242110密度kg/m3=1/v0.1213290.2181710.12132911体积流量Vm3/hV=M*v1096848260503051096848212流量系数f-f=1/20.500.500.5013流速m/s=V/(F*3600)*f54.2429.9254.2014动压hAPahA=2/2*1789817815阻力hPah0=hA838430785从上表可以看出相同条件下A电厂排汽装置TMCR的汽阻大于B电厂的排汽装置的汽阻，其数值差53Pa。分析其原因主要是A电厂的汽轮机为两缸两排汽（对应一个排汽装置），B电厂的汽轮机为三缸四排汽（对应两个排汽装置），又因为两缸两排汽的一个排汽装置与三缸四排汽的两个排汽装置相比较，两缸两排汽的排汽装置结构尺寸要紧凑些，汽阻必然要大一点。以上分析的可靠性主要取决于B电厂THA高背压工况的低压缸排汽量1320 t/h，此值越大其排汽装置的阻力系数越小（因为测得的阻力430Pa已定），阻力系数越小B电厂TMCR工况排汽装置的阻力越小，A电厂和B电厂TMCR工况下的排汽装置阻力差值越大，两缸两排汽的排汽装置的阻力增加值越大。从A电厂TMCR工况的测试结果看，排汽装置出口至空冷凝汽器进口压降为1468Pa，而相同条件下，不带裤衩管的排汽管道的阻力也就650Pa，所以裤衩管的阻力约为818Pa，其局部阻力系数约为4.41，接近排汽装置的局部阻力系数为4.695。其原因如下：根据A电厂的排汽装置详图，其裤衩管内部充满1146钢管支撑的立体网格，裤衩管入口处有效截面积38.47m2，裤衩管喉部椭圆管有效截面积2X16.85m2，裤衩管出口有效截面积2X22.72m2，而排汽管的截面积2X28.09m2，排汽装置入口（低压缸排汽口）的截面积53.27m2。所以裤衩管进出口之间是有很大的缩径，而且会有强烈的紊流发生，所以阻力会很大。3排汽管道系统阻力对机组经济性分析为了分析取消排汽装置使排汽管道系统阻力减少对机组经济性的影响，根据机组背压的减少值折算到机组发电理论标准煤耗减少量。3.1影响直接空冷机组排汽背压的因素当忽略排汽在空冷凝汽器管束内的流动压降时，排汽凝结温度ts与凝汽器热负荷和冷却空气参数之间的关系为： （3）式中，为排汽饱和蒸汽流量，r为蒸汽饱和温度下的汽化潜热，为空冷凝汽器迎风面面积，为空冷凝汽器迎风面风速，和为空气的密度和比热，为空冷凝汽器进口空气温度。k和A为空冷凝汽器传热系数和总传热面积，总传热面积A通常用管外面积Ao表示，即管外光管和翅片部分面积之和。KA可表示为： （4）其中，hi和ho为管内排汽凝结换热系数和管外空气对流换热系数，和为管内污垢热阻和管外积灰热阻，为管壁材料的导热系数，为管壁厚度。为管内壁面面积，此处忽略了管内外壁面的面积差异。为翅片总效率。通常用如下经验公式表述饱和蒸汽压力ps和温度之间的对应关系： （5）将公式（3）和（4）带入（5），并考虑汽轮机排汽到凝结水联箱的压降，即可得到机组背压的计算公式（6）。对于确定的翅片管束形式，当忽略污垢和积灰热阻时，机组背压的影响因素可表示为： （6）可见，直接空冷机组背压取决于排汽流量、空气流量、空冷凝汽器进口空气温度以及排汽管道系统的压降。本文只讨论排汽管道系统压降的变化对机组经济性的影响。当直接空冷系统冷却空气流量和排汽流量一定，环境气象条件不变时进口空气温度一定。因此，当给定排汽流量、操作运行方式以及环境气象条件后，机组背压即可确定。3.2排汽装置阻力对机组经济性分析通过以上分析，排汽装置的阻力较大，远大于汽机厂给出的设计值（0.1kPa）。如果取消排汽装置，对于B电厂三缸四排汽机组可以减少阻力800Pa，在汽机背压不变条件下可增加空冷换热器的传热温差1，从而在设计阶段可以减少空冷换热器面积。或者是空冷换热器面积不变条件下，汽机背压可以从17KPa降到16.2KPa。对于A电厂两缸两排汽机组（排汽装置出口接裤衩管）可以减少阻力约1600Pa，可以增加空冷换热器的传热温差2，从而在设计阶段可以减少空冷换热器面积。或者是空冷换热器面积不变条件下，汽机背压可以17KPa降到15.4KPa。而且随着汽机背压水平的降低传热温差增加的越多或者是汽机背压降低的越多，所以取消排汽装置可以减少空冷换热器面积或降低汽机背压，从而提高空冷岛的经济性。根据A电厂两缸两排汽机组和B电厂三缸四排汽机组的TMCR工况热平衡图按锅炉效率91%，取消排汽装置之后排汽管道系统阻力的减少量就是排汽装置的阻力（这里低压缸排汽口下面的垂直管道和弯头的阻力可以忽略不计）。在排汽流量、空气流量、空冷凝汽器换热面积、空冷凝汽器进口空气温度均保持不变的条件下，按汽机背压修正曲线计算和按汽机性能数据表计算在TMCR工况下取消排汽装置使机组发电理论标准煤耗减少量见下表：单位A电厂两缸两排汽机组B电厂三缸四排汽机组排汽装置阻力Pa1600800按汽机背压修正曲线计算的煤耗减少量g/kw.h2.651.65按