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      1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水管系節(jié)能降壓優(yōu)化布置

      2022-05-23 05:44:04劉安倉陳建忠謝穎紈楊寶鄂陳明光
      發(fā)電設(shè)備 2022年3期
      關(guān)鍵詞:吊架凝結(jié)水加熱器

      劉安倉, 陳建忠, 謝穎紈, 楊寶鄂, 唐 強(qiáng), 江 永, 陳明光

      (1. 中國(guó)華能集團(tuán)有限公司南方分公司,廣州 510623;2. 華能汕頭海門發(fā)電有限責(zé)任公司,廣東汕頭 515000;3. 重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

      在計(jì)算機(jī)科技水平不斷發(fā)展的背景下,大批有利于電廠技術(shù)革新與管理提升的工具和手段出現(xiàn),并為電廠中各環(huán)節(jié)的工藝改進(jìn)、挖潛增效方案的實(shí)現(xiàn)提供了便利[1-2]。在工程實(shí)踐應(yīng)用中,凝結(jié)水管系的流程長(zhǎng),與之連接的設(shè)備和閥門多,管道的結(jié)構(gòu)安全性要求高,空間布置的位置有限,流動(dòng)阻力、應(yīng)力分布、空間布置等因素相互制約,導(dǎo)致凝結(jié)水管系的優(yōu)化難度大[3-6]。

      采用PDMS軟件和數(shù)值分析方法,對(duì)某電廠1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水管系進(jìn)行了可視化建模,并進(jìn)行管道應(yīng)力和流動(dòng)阻力計(jì)算,研究管系的應(yīng)力分布和流動(dòng)阻力分布規(guī)律,進(jìn)一步提出減小凝結(jié)水管系流動(dòng)阻力和強(qiáng)化管道應(yīng)力安全性的優(yōu)化布置方案。

      1 凝結(jié)水管系建模和分析方法

      1.1 物理模型

      以凝結(jié)水泵出口為模型起點(diǎn),除氧器進(jìn)口為模型的終點(diǎn),采用PDMS軟件,進(jìn)行三維管系建模。凝結(jié)水管系模型見圖1。受汽輪機(jī)房布置的限制,該凝結(jié)水管系的加熱器布局分散,管系流程較長(zhǎng),彎頭和閥門較多。

      圖1 凝結(jié)水管系模型圖

      1.2 管道應(yīng)力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

      采用Caesar Ⅱ軟件校核管道應(yīng)力分布,并為管道布置及支吊架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。壓力、質(zhì)量和其他持續(xù)機(jī)械載荷產(chǎn)生的縱向應(yīng)力總和應(yīng)不超過熱態(tài)條件下的許用應(yīng)力。管道應(yīng)力校核分別采用一次應(yīng)力和二次應(yīng)力校核。

      一次應(yīng)力的校核公式為:

      SSUS=S1=0.75iMA/Z+pd12/(d22-d12)≤Sh

      (1)

      式中:SSUS為縱向應(yīng)力的總和;S1為持續(xù)載荷;i為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù);MA為持續(xù)載荷引起的總彎矩;Z為抗彎截面系數(shù);p為管道介質(zhì)壓力;d12為管道內(nèi)徑;d22為管道外徑;Sh為熱態(tài)條件下的許用應(yīng)力。

      二次應(yīng)力的校核公式為:

      Se=iMc/Z≤λ(1.25Sc+1.25Sh-S1)

      (2)

      式中:Se為二次應(yīng)力;Mc為二次載荷引起的總彎矩;λ為應(yīng)力系數(shù);Sc為材料在環(huán)境溫度下的許用應(yīng)力。

      1.3 支吊架計(jì)算和校核

      采用EHS軟件,結(jié)合Caesar Ⅱ軟件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,對(duì)支吊架的布置進(jìn)行校核計(jì)算,并對(duì)支吊架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和布置。

      優(yōu)化后的凝結(jié)水管系支吊架在安裝和工作狀態(tài)下,最大載荷為該處支吊架結(jié)構(gòu)載荷的70%以內(nèi),彈簧支吊架的最大載荷變化率為20%,根據(jù)NB/T 47039—2013 《可變彈簧支吊架》彈簧支吊架的最大載荷變化率小于25%,設(shè)備端口應(yīng)力最大增加7.5%,仍在10%的裕量之內(nèi),管道一次、二次應(yīng)力裕量充足。

      1.4 流動(dòng)阻力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

      Flowmaster軟件具有高效的計(jì)算效率、精確的求解能力、便捷快速的建模方式等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)1 000 MW機(jī)組的凝結(jié)水管系,以凝結(jié)水泵出口為模型起點(diǎn),除氧器進(jìn)口為模型的終點(diǎn),包括全部管子、閥門和彎頭等組件為基本建模單元,采用Flowmaster軟件建立流動(dòng)阻力計(jì)算模型,并分析流動(dòng)阻力分布與機(jī)組負(fù)荷變化的關(guān)系。

      管系摩擦阻力采用Colebrook-White模型方法計(jì)算,相關(guān)計(jì)算式如下:

      (3)

      式中:f為直管流動(dòng)阻力系數(shù);fl為對(duì)應(yīng)層流狀態(tài)的直管流動(dòng)阻力系數(shù);ft為對(duì)應(yīng)湍流狀態(tài)的直管流動(dòng)阻力系數(shù);ε為管道相對(duì)粗糙度;Re為雷諾數(shù)。

      彎頭流動(dòng)阻力的計(jì)算式如下:

      (4)

      式中:Δp1為彎頭流動(dòng)阻力;kb為彎頭流動(dòng)阻力系數(shù);CRe為層流修正系數(shù);Cε為表面粗糙度修正系數(shù);ρ為流體密度;v為流體流速。

      根據(jù)閥門的流動(dòng)阻力系數(shù)曲線及流動(dòng)阻力系數(shù)隨閥門開度變化曲線,閥門流動(dòng)阻力的計(jì)算式如下:

      (5)

      式中:Δp2為閥門流動(dòng)阻力;ka為閥門流動(dòng)阻力系數(shù)。

      采用上述流動(dòng)阻力計(jì)算模型,對(duì)原始凝結(jié)水管系流動(dòng)阻力進(jìn)行計(jì)算,并與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明:總流動(dòng)阻力相對(duì)偏差小于1.3%,模型能較好地反應(yīng)管系中凝結(jié)水的流動(dòng)阻力。

      2 凝結(jié)水管系仿真

      2.1 流動(dòng)阻力分布

      流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果表明,機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),從凝結(jié)水精處理出口到除氧器的凝結(jié)水管系(不含低壓加熱器)的總流動(dòng)阻力為0.159 MPa。

      凝結(jié)水管系的流動(dòng)阻力分布表明,低壓加熱器旁路系統(tǒng)和閥門的布置對(duì)局部流動(dòng)阻力有顯著影響。以5號(hào)低壓加熱器為例,2個(gè)T形三通和3個(gè)閥門組成加熱器的進(jìn)出口管道及旁路系統(tǒng)見圖2。低壓加熱器正常運(yùn)行時(shí),凝結(jié)水流經(jīng)圖2箭頭所標(biāo)注的T形三通元件,凝結(jié)水的流動(dòng)方向急劇改變,并且容易形成渦流等二次流動(dòng),產(chǎn)生了顯著的局部流動(dòng)阻力。T形三通處的局部流動(dòng)阻力超過2 000 Pa,最大值為6 000 Pa,遠(yuǎn)大于常規(guī)彎頭的局部流動(dòng)阻力(100~300 Pa)。因此,低壓加熱器旁路系統(tǒng)和閥門的布置,有較大的優(yōu)化潛力。

      圖2 5號(hào)低壓加熱器的凝結(jié)水管路結(jié)構(gòu)圖

      2.2 應(yīng)力分布及支吊架布置

      CaesarⅡ軟件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明,凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力較小,在機(jī)組滿負(fù)荷條件下具有足夠的柔性,能夠防止管道因熱脹冷縮、管道支承或端點(diǎn)附加位移造成應(yīng)力問題。凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力最大值為42.6 MPa,該處管道的許用應(yīng)力為126.8 MPa;二次應(yīng)力最大值為206.4 MPa,該處管道的許用應(yīng)力為276.3 MPa。凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)規(guī)范,支吊架布置合理,加熱器及水泵接口處的應(yīng)力分布符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范。應(yīng)力分析結(jié)果表明,凝結(jié)水管系的剛性較小,有一定的優(yōu)化布置潛力,例如可以減小管道彎頭數(shù)量、管道壁厚和管徑等。

      3 優(yōu)化方案

      根據(jù)應(yīng)力分析和流動(dòng)阻力計(jì)算的結(jié)果,結(jié)合機(jī)組凝結(jié)水管系的實(shí)際布置情況,提出機(jī)組凝結(jié)水管系的優(yōu)化布置方案,合理改進(jìn)局部流動(dòng)阻力較大的結(jié)構(gòu),并在管道空間布局允許的條件下,盡可能對(duì)管道裁彎取直。為了充分利舊,降低成本,管道直徑等尺寸不變。

      3.1 7/8號(hào)低壓加熱器局部管道優(yōu)化

      圖3為7/8號(hào)低壓加熱器的出口管路連接到凝結(jié)水主管道的實(shí)際結(jié)構(gòu),在7/8號(hào)低壓加熱器的出口端,匯合處是突擴(kuò)結(jié)構(gòu)的2個(gè)T形三通,造成該處的局部流動(dòng)阻力較大,而且2條支路在匯入主路前是平行的。

      圖3 7/8號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水出口管路實(shí)際結(jié)構(gòu)

      提出的優(yōu)化布置方案見圖4。將2根出口支管利用1個(gè)Y形三通連接,匯合處的彎頭角度為120°,匯合后的管子直徑與主管道的管徑一致,匯合后的管子經(jīng)1個(gè)Y形三通匯入主管道。

      圖4 7/8號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水出口管路優(yōu)化布置方案

      3.2 6號(hào)和5號(hào)低壓加熱器局部管道優(yōu)化

      圖5為6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路的實(shí)際結(jié)構(gòu)。

      圖5 6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路的實(shí)際結(jié)構(gòu)

      該實(shí)際結(jié)構(gòu)包括2個(gè)T形三通,有利于旁路系統(tǒng)及閥門組的布置。但是,在正常運(yùn)行時(shí),凝結(jié)水流經(jīng)T形三通時(shí),需要轉(zhuǎn)向90°,并且彎頭結(jié)構(gòu)較差,導(dǎo)致局部流動(dòng)阻力較大。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),將旁路閥門位置垂直向上移動(dòng),局部?jī)?yōu)化布置方案見圖6。加熱器正常運(yùn)行時(shí),凝結(jié)水經(jīng)T形三通的直通道、彎頭和閥等,進(jìn)入和流出低壓加熱器,旁路系統(tǒng)則由T形三通的分支通道和閥門構(gòu)成。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是凝結(jié)水的局部流動(dòng)阻力顯著減小,閥門布置和支撐等也比較方便,管道結(jié)構(gòu)緊湊。

      圖6 6號(hào)低壓加熱器凝結(jié)水旁路優(yōu)化布置方案

      5號(hào)低壓加熱器的管道局部?jī)?yōu)化布置方法和優(yōu)化方案與6號(hào)低壓加熱器基本相同。

      3.3 優(yōu)化方案的仿真結(jié)果與分析

      凝結(jié)水管系布局優(yōu)化方案確定后,首先,將優(yōu)化后的模型放入汽輪機(jī)房總體模型中,經(jīng)檢查確認(rèn),管路無碰撞,優(yōu)化方案的布局可行。其次,經(jīng)Caesar Ⅱ軟件計(jì)算,優(yōu)化后的凝結(jié)水管系的一次應(yīng)力及二次應(yīng)力均符合設(shè)計(jì)規(guī)范,加熱器及凝結(jié)水泵接口處的應(yīng)力分布符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范。最后,經(jīng)EHS軟件校核支吊架布置,優(yōu)化方案合理。

      凝結(jié)水管系優(yōu)化布置后的流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果見表1。優(yōu)化布置后,凝結(jié)水管系總流動(dòng)阻力(不含加熱器)降低約20%,效果比較明顯。

      表1 凝結(jié)水管系優(yōu)化布置后的流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果

      根據(jù)應(yīng)力分析的計(jì)算結(jié)果,與優(yōu)化前的計(jì)算結(jié)果相比,凝結(jié)水管系布置優(yōu)化后,管道的一次應(yīng)力最大值增加了約6%,為該處管道許用應(yīng)力的39.6%,二次應(yīng)力僅減小了3.7 MPa。優(yōu)化布置的凝結(jié)水管系在設(shè)計(jì)條件下仍然具有足夠的柔性。

      3.4 節(jié)能效果

      按照計(jì)算結(jié)果,當(dāng)機(jī)組為100%負(fù)荷,即單臺(tái)凝結(jié)水泵優(yōu)化前后的功率分別為552 kW和541 kW時(shí),凝結(jié)水泵的泵功率消耗下降了11 kW。按電廠每年運(yùn)行5 000 h,2臺(tái)凝結(jié)水泵計(jì)算,凝結(jié)水泵電耗減小11萬kW·h。凝結(jié)水泵節(jié)約的電功率全部上網(wǎng),上網(wǎng)電價(jià)按0.4元/(kW·h)計(jì)算,每年增加的收入為4.4萬元。優(yōu)化方案的經(jīng)濟(jì)效益較好。

      4 結(jié)語

      對(duì)該電廠1 000 MW機(jī)組凝結(jié)水管道系統(tǒng)布置進(jìn)行了優(yōu)化研究,得到以下結(jié)論:

      (1) 合理優(yōu)化布置管道及閥門后,凝結(jié)水管系仍然具有足夠的柔性,其一次應(yīng)力和二次應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍以內(nèi)。

      (2) 凝結(jié)水管系繁雜,合理優(yōu)化管道及閥門布置,能夠明顯降低管道局部流動(dòng)阻力和總流動(dòng)阻力。按照優(yōu)化方案,凝結(jié)水管系的流動(dòng)阻力可降低約20%,有較好的節(jié)能效果。

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