1 000 MW超超臨界汽輪機排汽通道優化研究與應用

李大才

（廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東 潮州 515723）

1 000 MW超超臨界汽輪機排汽通道優化研究與應用

李大才

（廣東大唐國際潮州發電有限責任公司，廣東 潮州 515723）

為進一步降低汽輪機排汽壓力，提高機組經濟性，實現節能減排，借助大型計算流體力學軟件工具，對哈汽1 000 MW汽輪機排汽通道蒸汽流場進行模擬研究，構建了包含低壓缸在內的整個排汽通道模型，對排汽通道進行優化，增設特定布置方式的均流、導流裝置，優化后低速區面積明顯減小，提高了凝汽器綜合性能，獲得了較高的經濟效益。

哈汽；超超臨界；排汽通道；導流裝置；優化

降低汽輪機排汽壓力是電廠提高機組經濟性、實現節能減排最直接、有效的方法之一。除加強運行維護管理外，對汽輪機排汽通道進行優化，增設特定布置方式的均流、導流裝置，使汽輪機排汽在凝汽器冷卻管束中的分配更加合理，充分利用凝汽器的有效換熱面積、提高凝汽器綜合性能，最終達到提高真空、降低排汽壓力的目的［1－2］。

廣東大唐國際潮州發電有限責任公司3、4號機組為1 000 MW超超臨界機組，為哈爾濱汽輪機有限責任公司（以下簡稱“哈汽”）與日本東芝株式會社（以下簡稱“東芝”）聯合設計、制造的CLN1000－25.0／600／600型超超臨界參數、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機。凝汽器由哈汽生產，為N－52500型雙背壓、雙殼體、單流程、表面式凝汽器，該凝汽器采用海水直流供水冷卻方式，冷卻水系統配套3臺循環水泵，3、4號機組循環水系統采用擴大單元制運行，以滿足機組在不同季節、不同負荷時對冷卻水量的要求。凝汽器抽空氣系統配套3臺真空泵，機組正常運行時，2臺運行，1臺備用。由于機組地處南方地區，全年平均溫度較高，自投產以來一直存在汽輪機背壓相對偏高的問題，導致機組煤耗率偏高。2014年5月，4號機組C修期間對低壓缸排汽通道進行技術改造，在低壓缸排汽通道處加裝了排汽導流裝置［3］。

1 排汽通道優化原理

汽輪機排汽壓力Pcx可由下式確定［4］：

式中：Pej為抽汽口壓力，kPa；ΔPrex為凝汽器蒸汽阻力，kPa；ΔPex為排汽缸阻力，kPa。ΔPex與排汽缸結構和氣體動力性能有關，對已運行機組為定值；ΔPrex和Pej與凝汽器工作性能密切相關，在其它條件不變的情況下，ΔPrex取決于管束布置與入口蒸汽流場的搭配；Pej則取決于真空泵的性能，在真空系統嚴密性和循環水入口溫度一定的條件下，Pej與不凝結蒸汽量有關，而不凝結蒸汽量多少也與管束布置同入口蒸汽流場搭配是否合理有關。所以，若低壓缸排汽流場布局問題得以解決，排汽壓力可有效降低［5］。

考慮到凝汽器喉部布置的抽汽管道、7號和8號低加、眾多支撐管以及小機排汽等可能對主機排汽流場產生不良影響，進而導致汽輪機排汽在凝汽器冷卻管束的分布不合理，在一定程度上影響了凝汽器的冷卻效果。

國外試驗結果表明，凝汽器冷卻管汽側換熱系數隨汽流速度而升高，并在汽流速度為40～50 m／s時達到最高，當汽流速度繼續升高，汽側換熱系數不再變化，同時汽阻增加，當蒸汽速度在50 m／s以下時，局部傳熱系數隨蒸汽速度而上升，當蒸汽速度達到50 m／s后，隨著蒸汽速度的上升，局部傳熱系數不再變化［6］。總傳熱系數為各局部傳熱系數的加權平均值，因此當流場趨于合理后凝汽器的總傳熱系數將增大。同理，若凝汽器冷卻管束入口蒸汽流場有較大低速區甚至漩渦區存在，該區域的換熱系數將偏小，即冷卻管汽側汽流速度過高，不會提高換熱系數，反而會增加汽阻；冷卻管汽側汽流速度過低（甚至為漩渦），該區域換熱系數將降低，這2種情況都不利于凝汽器性能的提高。若采取措施將上述高速（高于50 m／s）汽流區的部分蒸汽分配到低速區（相當于“削峰填谷”），不僅降低了高速區的汽阻，還可以提高低速區管束換熱系數，實現凝汽器總體傳熱系數和換熱效果的改善，對3、4號機組汽輪機排汽通道進行數值模擬研究，并提出相應的優化方案，改變汽流進入凝汽器冷卻管束的流場，以提高凝汽器的換熱性能，最終降低排汽壓力，提高機組經濟性［7］。

2 優化方案

汽輪機低壓缸排汽通道優化技術借助計算流體力學軟件工具，在模型試驗和相關理論指導的基礎上，根據電廠汽輪機低壓缸、凝汽器喉部以及凝汽器管束的結構圖紙，建立整個排汽通道數值模型，在確定凝汽器管束原有流場分布的基礎上，反復調整均流、導流裝置的布置方案，并對凝汽器管束入口蒸汽流場進行數值模擬研究，直至得到較為理想的凝汽器管束入口蒸汽流場，此時的布置方案即為優化方案。

依據3、4號機組的結構圖紙，采用專業軟件構建了包含低壓缸在內的整個排汽通道模型，并利用計算流體力學的專用軟件對排汽通道蒸汽流場進行模擬研究［8］。根據模擬計算得到的原有結構下凝汽器管束入口蒸汽流場分布情況，有針對性地在凝汽器內的適當位置，沿橫向和縱向分別安裝流線型或平直型導流及均流裝置，對原有汽流進行適度引導，并對蒸汽流場進行優化，使汽輪機排汽進入冷卻管束的流場趨于合理，進而得到排汽通道優化的技術方案。

圖1為3、4號機組汽輪機排汽通道原型，圖2為汽輪機排汽通道數字模型以及導流裝置布置示意圖，圖中深色部件為計劃安裝的導流部件。

圖1 汽輪機排汽通道原型

圖2 汽輪機排汽通道優化模型以及導流裝置布置示意圖

圖3為3、4號機組汽輪機排汽通道優化前后冷卻管束入口蒸汽速度分布。可見，原有通道下管束入口存在很大低速區（圖中深藍色區域，速度在20 m／s以下），優化后低速區面積明顯減小。在優化后的蒸汽流場分布下，凝汽器冷卻管束在縱向和橫向的熱負荷分配比較合理，相當于增加了凝汽器的有效換熱面積，增大了凝汽器的總體換熱系數，使凝汽器換熱性能提高，排汽壓力降低，最終提高了機組經濟性。

圖3 汽輪機排汽通道優化前后冷卻管束入口蒸汽速度分布

3 效果分析

在低壓缸排汽通道優化改造前后，以4號機組凝汽器熱負荷3 926 377 MJ／h為基準，在不同冷卻水進口溫度、冷卻水流量為116 244 m3／h條件下，凝汽器平均壓力下降值見表1。在冷卻水進口溫度為30℃、同樣冷卻水流量條件下凝汽器平均壓力與熱負荷關系曲線見圖4。

表1 4號機組優化改造前后效果對比

由表1及圖4可見，在1 000 MW工況、冷卻水進口溫度為30℃時，低壓缸排汽通道優化改造后的凝汽器平均壓力較改造前降低約0.4 kPa；在冷卻水進口溫度為23.5℃時，低壓缸排汽通道優化改造后的凝汽器平均壓力較改造前降低約0.308 kPa；在冷卻水進口溫度為27℃時，低壓缸排汽通道優化改造后的凝汽器平均壓力較改造前降低約0.354 kPa；1 000 MW超超臨界機組在其它條件不變的情況下，汽輪機背壓每降低1 kPa，煤耗降低1.9 g／kWh，按2013年全年循環水平均溫度22.6℃、排汽壓力平均降低0.3 kPa計算，每年節約標準煤量2 850 t，節約燃料費用200萬元［9－10］。

圖4 4號機組凝汽器平均壓力與熱負荷關系曲線

4 結束語

在優化后的蒸汽流場分布下，凝汽器冷卻管束在縱向和橫向的熱負荷分配比較合理，增加了凝汽器的有效換熱面積，提大了凝汽器的總體換熱系數，最終提高了凝汽器換熱性能，獲得了較高的經濟效益，在同類型機組中具有一定的借鑒意義。

［1］ 曹枝陽.300 MW汽輪機低壓缸排汽通道優化改造［J］.熱力發電，2006，35（11）：35－41.

［2］ 林 琦，徐 升.600 MW汽輪機雙背壓運行的熱經濟性分析［J］.東北電力技術，2011，32（9）：41－43.

［3］ 邱東洲，金亞輝，馮 雷.國產300 MW汽輪機組真空低問題的解決［J］.東北電力技術，2004，25（8）：4－6.

［4］ 萬逵芳，李 敬，關 明.300 MW汽輪機排汽均流裝置對排汽壓力的影響及經濟性分析［J］.中國電力，2004，37（6）：53－56.

［5］ 劉暉明.汽輪機低壓缸排汽通道優化［J］.江西電力，2011，35（6）：58－60.

［6］ 萬逵芳，李景國，郭玉雙.不同蒸汽流場下凝汽器傳熱系數的數值計算［J］.沈陽工程學院學報（自然科學版），2011，7（1）：34－36.

［7］ 彭翔宇，王洪濤，萬逵芳.凝汽器管束入口蒸汽流場對汽輪機排汽壓力的影響［J］.熱力發電，2004，33（10）：59－61.

［8］ 翟建華.計算流體力學（CFD）的通用軟件［J］.河北科技大學學報，2005，26（2）：160－165.

［9］ 許朋江.4號機組低壓缸排汽通道優化改造前、后凝汽器性能試驗報告［R］.西安：西安熱工研究院有限公司，2014.

［10］ 萬逵芳，郭玉雙，關 明.300 MW機組采用多壓凝汽器的探討［J］.東北電力技術，2004，25（6）：20－22.

Optimization＆Application of the Exhaust Passage for 1 000 MW Ultra?supercritical Steam Turbine

LI Da?cai
（Guangdong Datang International Chaozhou Power Generation Co.，Ltd.，Chaozhou，Guangdong 515723，China）

In order to further reduce the steam turbine exhaust steam pressure，to improve unit economy and implement energy?saving emission reduction，simulation study on 1 000 MW steam turbine exhaust steam flow field channel is made with the aid of large CFD software tools.It has constructed the model of the whole exhaust passage containing low pressure cylinder，and steam discharging chan?nel optimized.Uniform flow and diversion device is additionally provided with a specific arrangement.The optimization improves the comprehensive performance of condenser，and receives a higher economic efficiency.

HTC；Supercritical；Exhaust steam passage；Diversion device；Optimization

TM621；TK263

A

1004－7913（2015）05－0020－03

李大才（1985—），男，學士，工程師，主要從事600 MW、1 000 MW機組運行管理工作。

2015－02－05）