給水泵汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效技術(shù)方案研究與應(yīng)用

引言

為了貫徹落實(shí)2020年煤電平均供電煤耗降至每千瓦時(shí)310g標(biāo)準(zhǔn)煤以下的要求[1],一些投產(chǎn)較早、煤耗較高的燃煤發(fā)電廠通過(guò)對(duì)老舊機(jī)組進(jìn)行提效改造來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高效益。某熱電廠主機(jī)為2×300Mw燃煤供熱機(jī)組,給水泵汽輪機(jī)為某廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TG○10/6-1型鍋爐給水泵汽輪機(jī),銘牌出力10Mw。根據(jù)該廠2018年進(jìn)行的給水泵汽輪機(jī)性能試驗(yàn),一號(hào)機(jī)組給水泵汽輪機(jī)300Mw工況下效率為68.242%,二號(hào)機(jī)組給水泵汽輪機(jī)300Mw工況下效率為72.85%,都低于當(dāng)前先進(jìn)水平。

1改造目標(biāo)和原則

1.1改造目標(biāo)

本項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)機(jī)組給水泵汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行深度定制提效改造,結(jié)合用戶真實(shí)運(yùn)行邊界,采用最新的通流技術(shù)重新優(yōu)化通流設(shè)計(jì),以提高給水泵汽輪機(jī)性能,實(shí)現(xiàn)小汽機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行和寬負(fù)荷高效的目標(biāo)。

1.2改造原則

在不影響安全和改造效果的前提下,盡可能利用原有設(shè)備,減少改造工作量:采用先進(jìn)的汽輪機(jī)改造技術(shù)進(jìn)行本汽輪機(jī)的技術(shù)改造:改造后的機(jī)組實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo),降低維護(hù)成本。小汽機(jī)外缸不變,小汽機(jī)與給水泵連接方式和位置、現(xiàn)有汽輪機(jī)基礎(chǔ)等不變:設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)符合標(biāo)準(zhǔn)要求:在保持現(xiàn)有熱力系統(tǒng)以及汽輪機(jī)冷再、四抽抽汽能力前提下,通過(guò)對(duì)小汽機(jī)通流部分進(jìn)行改造,達(dá)到提高汽輪機(jī)熱效率的目的。

2改造技術(shù)方案

本次改造有兩個(gè)主要目標(biāo):一是改造后采暖期不使用高壓汽源,避免高壓汽源引入造成小汽機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng):二是要求寬負(fù)荷高效,在供暖期和非采暖期小汽機(jī)均保持高效。所謂"高效寬負(fù)荷汽輪機(jī)"即變工況下依然具有較高的經(jīng)濟(jì)性,汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在汽輪機(jī)缸效率,而缸效率的高低直接與蒸汽流過(guò)葉柵通道損失的大小相關(guān),很多文獻(xiàn)都對(duì)減小葉柵的能量損失進(jìn)行了大量而細(xì)致的研究。葉型載荷特性與其氣動(dòng)性能密切相關(guān),葉片載荷特性不同,流經(jīng)葉柵轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置不同,對(duì)端部二次流的影響程度差異明顯,從而影響葉柵損失。同時(shí),汽輪機(jī)末級(jí)恰降大、流動(dòng)速度高,尤其是動(dòng)葉通道內(nèi)的超音速汽流,很容易形成強(qiáng)激波,帶來(lái)無(wú)法避免的激波損失。末級(jí)靜葉按照自適應(yīng)性成型規(guī)律能夠影響動(dòng)靜之間參數(shù)的大小及其沿徑向的分布規(guī)律,從而改變末級(jí)的流場(chǎng)特性,降低損失。

小汽輪機(jī)在變負(fù)荷運(yùn)行時(shí),因流量、轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,各級(jí)速度三角形會(huì)偏離設(shè)計(jì)值,導(dǎo)致變負(fù)荷性能下降。為解決高效寬負(fù)荷運(yùn)行問(wèn)題,本次改造主要從兩方面入手:其一,全面分析小汽輪機(jī)所有運(yùn)行工況,評(píng)估各個(gè)工況的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)及其對(duì)電廠整個(gè)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性影響權(quán)重,最終合理選擇一個(gè)最優(yōu)工況點(diǎn)作為設(shè)計(jì)工況,使變工況對(duì)性能的影響降到最小。其二,優(yōu)化小汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì),精心設(shè)計(jì)進(jìn)汽攻角、反動(dòng)度,使葉片自身的變工況性能較原設(shè)計(jì)得到大幅提升。

2.1確定機(jī)組熱力邊界

根據(jù)改造要求和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,得到給水泵汽輪機(jī)實(shí)際熱力邊界和出力需求如表1所示。

從表1可以看出,給水泵汽輪機(jī)在變工況運(yùn)行時(shí),四抽壓力隨著主機(jī)負(fù)荷降低而降低,疊加抽汽供熱影響,降低幅度更大,導(dǎo)致在40%~75%低負(fù)荷時(shí),四抽參數(shù)降低明顯,比容增加較多,反而超過(guò)了THA工況的容積流量,這是本項(xiàng)目機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的重要特點(diǎn)。

2.2改造方案技術(shù)特點(diǎn)

本次改造主要從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行邊界和需求出發(fā),實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷高效運(yùn)行,同時(shí)解決原機(jī)組存在的問(wèn)題。

2.2.1多級(jí)流場(chǎng)計(jì)算

為準(zhǔn)確獲得小汽輪機(jī)在各個(gè)運(yùn)行工況下的整機(jī)性能,本次改造進(jìn)行了多級(jí)、變工況、全三維黏性流場(chǎng)求解,計(jì)算通過(guò)求解雷諾平均的Navier-stokes方程得到,控制方程如下:

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

能量方程:

其中,湍流模型采用基于ssT模型的K-o方程,并結(jié)合自動(dòng)壁面函數(shù)處理方法,空間離散采用有限體積法,方程采用基于壓力與速度耦合關(guān)系的方法進(jìn)行求解:相鄰兩排葉片通過(guò)混合平面模型實(shí)現(xiàn)上下游流動(dòng)數(shù)據(jù)的傳遞。多級(jí)計(jì)算每排葉片通道網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)約30萬(wàn)。變工況時(shí),根據(jù)機(jī)組熱力邊界改變汽輪機(jī)進(jìn)口總溫、總壓,改變工作轉(zhuǎn)速和出口靜壓。

2.2.2新型通流葉型優(yōu)化

在小汽輪機(jī)變工況時(shí),流量、恰降、轉(zhuǎn)速的變化將造成速度三角形改變,使葉片進(jìn)口氣流角偏離設(shè)計(jì)值,進(jìn)而造成較大的攻角損失,甚至在葉片內(nèi)背弧發(fā)生流動(dòng)分離。針對(duì)小汽輪機(jī)變工況的運(yùn)行特點(diǎn),本次改造以氣動(dòng)性能較好的后加載葉型為母型,優(yōu)化出具有良好攻角適應(yīng)性的高效葉型,以滿足機(jī)組寬負(fù)荷高效運(yùn)行的要求。

(1)攻角適應(yīng)性分析:

攻角適應(yīng)性主要由葉片進(jìn)汽邊附近的造型決定。基于小汽輪機(jī)變工況條件,選取根、中、頂3個(gè)典型截面進(jìn)行分析。圖1~圖3給出了3個(gè)典型截面攻角與葉型損失的關(guān)系,從圖中可以看出,攻角在±30o范圍內(nèi),損失系數(shù)變化基本不超過(guò)0.5%。根截面葉型在＋30o攻角時(shí)損失系數(shù)開(kāi)始增大,但增加值不超過(guò)1%。從整體來(lái)看,中截面變工況性能最好(損失系數(shù)變化不超過(guò)0.2%),而葉片通道葉展中部流量占比較高,這將保證葉片具有較好的整體變工況性能。

（2）馬赫數(shù)適應(yīng)性分析:

馬赫數(shù)適應(yīng)性主要由葉片喉部之后的型線決定,本文計(jì)算了小汽輪機(jī)100%THA及常用工況75%THA下整個(gè)流場(chǎng)情況,以末三級(jí)葉片根、中、頂三個(gè)截面的馬赫數(shù)為例,計(jì)算結(jié)果如圖4~圖6所示。

精心設(shè)計(jì)優(yōu)化葉片背弧喉部下游型線的彎曲變化,可使葉型在不同工況馬赫數(shù)條件下都具有較低的葉型損失系數(shù)。如圖7~圖9所示,在本文計(jì)算的小汽輪機(jī)變工況馬赫數(shù)范圍內(nèi),葉片根、中、頂三個(gè)截面的葉型損失系數(shù)變化較小。

2.2.3給水泵汽輪機(jī)通流選型優(yōu)化（最大出力）

由于給水泵汽輪機(jī)的出力用于驅(qū)動(dòng)給水泵,故理論上小機(jī)最大的輸出功率對(duì)應(yīng)給水泵的最大出力,而給水泵的出力可以由主機(jī)鍋爐的上水量、揚(yáng)程等參數(shù)確定。在此基礎(chǔ)上考慮給水泵的效率、小機(jī)與泵之間的傳遞損失等功率損耗,并預(yù)留一定百分比的功率余量,即可確定給水泵汽輪機(jī)的最大功率。

原電廠設(shè)計(jì)時(shí),給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水量為1165m3/h,考慮了10%余量,給水泵容量在給水系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的基礎(chǔ)上再考慮10%的余量,故選定給水泵出口流量為1280m3/h,揚(yáng)程為2190m,因此改造前小汽機(jī)最大出力定型為12Mw。本次改造對(duì)電廠實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了充分調(diào)研,改造后小汽機(jī)通流選型對(duì)應(yīng)的最大出力優(yōu)化為10Mw,實(shí)現(xiàn)與小機(jī)實(shí)際運(yùn)行出力需求的最優(yōu)匹配。

2.2.4閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)

選用成熟且已優(yōu)化完成的閥門型線,匹配好流動(dòng)狀態(tài),通過(guò)調(diào)節(jié)主蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度和數(shù)量,可降低流動(dòng)損失,減少調(diào)閥寬負(fù)荷工況的節(jié)流損失。

由表2可知,原設(shè)計(jì)低壓汽源調(diào)門為8個(gè)小85的蒜頭閥,過(guò)流速度超過(guò)規(guī)范值,閥門節(jié)流損失大。改造采用8個(gè)小100的球形閥,過(guò)流速度比改造前降低了27.7%,減少過(guò)流閥門損失約1%,汽機(jī)效率提升約1%。

2.2.5變轉(zhuǎn)速末級(jí)葉片選型優(yōu)化

低壓末級(jí)通流面積大、葉片高,葉片通流部分根部和頂部的流動(dòng)差異非常大,因此末級(jí)動(dòng)、靜葉片的型線以及彎扭規(guī)律的優(yōu)劣相對(duì)于壓力級(jí)顯得更為重要。氣動(dòng)設(shè)計(jì)上,需要保證額定工況和變工況整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都具有較高的氣動(dòng)性能。在進(jìn)行末級(jí)葉片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí),對(duì)其變工況性能給予了特別關(guān)注。如圖10所示,選用的末級(jí)葉片余速損失在所有工況均優(yōu)于改造前。

通常意義上來(lái)講,年平均負(fù)荷較大、背壓較低的機(jī)組可選擇末級(jí)葉片長(zhǎng)一些,但是具體選擇何種末級(jí)葉片受多種因素影響,其中機(jī)組年平均負(fù)荷的影響較背壓的影響要大得多。因此對(duì)改造機(jī)組來(lái)說(shuō),在背壓一定的情況下,配合機(jī)組常年運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間選擇合適的末級(jí)葉片,對(duì)于改造機(jī)組保持寬負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

2.2.6汽封技術(shù)優(yōu)化

原有汽封是高低齒結(jié)構(gòu),且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行,汽封間隙因汽封摩擦、變形而增大。本項(xiàng)目汽封采用鑲齒片的結(jié)構(gòu),配合獨(dú)特的轉(zhuǎn)子凸臺(tái),具有良好的密封效果。通流葉頂汽封推薦使用常規(guī)梳齒結(jié)構(gòu),配合獨(dú)特的圍帶凸臺(tái)設(shè)計(jì),具有良好的密封效果。

3改造效果

本項(xiàng)目完成改造后,在整個(gè)供熱季高壓汽源均沒(méi)有參調(diào),保證了機(jī)組的安全運(yùn)行穩(wěn)定。和改造前比,給水泵汽輪機(jī)效率有了較大幅度提升,限于現(xiàn)場(chǎng)條件目前只完成了THA工況性能試驗(yàn),給水泵汽輪機(jī)缸效高達(dá)83.9%,達(dá)到了本次改造的目標(biāo)值,具體數(shù)據(jù)如表3所示。

4結(jié)論

本文從多方面論述了為提高給水泵汽輪機(jī)寬負(fù)荷高效靈活運(yùn)行性能所進(jìn)行的研究工作和成果,總結(jié)如下:

(1)對(duì)于小型汽輪機(jī)的提效改造,調(diào)研和掌握其實(shí)際運(yùn)行情況和確定數(shù)據(jù)十分重要,這是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)和基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)定制化高效通流設(shè)計(jì),給水泵汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷高效運(yùn)行,缸效相對(duì)值提升10%以上,缸效絕對(duì)值(83.9%)也達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,充分證明了電廠大型輔機(jī)設(shè)備給水泵汽輪機(jī)的節(jié)能潛力。