汽轮机快冷系统优化设计分析

摘要:汽轮机的快速冷却可有效缩短冷却时间,缩短检修工期,提高发电机组的可用率。文章在分析了汽轮机快速冷却方法的基础上,针对所存在的问题结合实例提出了对快冷系统的改进措施。改进后的快冷系统比现在使用的系统更简单、经济。这为同类型机组采用汽轮机快速冷却提供了实践经验和参考。

关键词:汽轮机;快冷系统;优化设计;系统改进

中图分类号:TK262文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)13-0043-02

随着国民经济的高速发展,电网容量和单机容量迅速增长,近年来新装大型机组陆续投入运行。如何提高大型机组的等效可用系数,缩短检修工期,汽轮机停机后缩短冷却时间是一个关键的环节,是近年来大型汽轮机投入运行后亟需解决的一个新兴学科。

一、汽轮机快冷技术

我国对快冷技术的实验研究是从20世纪80年代开始的,采用的冷却介质和冷却方法多种多样,冷却介质有空气和蒸汽两种,冷却方式有蒸汽冷却、压缩空气冷却、抽真空空气冷却等。目前,汽轮机快速冷却基本采用蒸汽和空气两种冷却介质,主要冷却方式有蒸汽冷却、压缩空气冷却和抽真空冷却3种。

常用的是蒸汽冷却和压缩空气冷却。由于压缩空气冷却控制方式灵活,效果直接而得到比较普遍的使用。但须设置专门的加热装置,而加热装置工作的可靠性会直接影响冷却效果甚至是汽轮机的安全。由于抽真空冷却的方法其冷却介质—空气的湿度、洁净度等品质难以保证;空气流量不易调节,冷却速率难以控制;吸入的环境空气流量偏小,而且这期间必须维持凝汽器真空,冷却过程中汽轮机轴封蒸汽参数不易控制等问题,使抽真空冷却方法未得到广泛的应用。

寻找一种系统简单,操作控制方便,既能使汽轮机在短时间内快速冷却下来,又能保证设备安全的快速冷却方法是很有必要的。

二、系统优化分析

本方案是在安阳华祥发电有限责任公司#10机上改进并实施的。

(一)原设备及系统状况

A发电有限责任公司#10机各配一台江苏省扬中市华能电力设备修造厂生产的YQL汽轮机快速冷却装置。

型号:YQL-II 150;加热功率:150kW

设计压力:0.6MPa;最高加热温度:400℃

电压:380V;最大流量:60m3/min

原快冷系统的热风一路是从高排进,在高缸内逆流,经调速汽门、主汽门后排大气。另一路是从中压缸进汽调节门后进,经中缸、低缸顺流从连通管及轴封两端漏出。

(二)高排逆止门气源系统

高排逆止为气动翻板式,快冷管接入高排逆止门前,当热空气送入时,容易把高排逆止门门板顶离门座,从而使热空气进入再热管道和再热器,造成气源的浪费。为此,我们对高排逆止门气源系统进行了改进如图1所示:

从而在投快冷时打开门1,关闭门2,压缩空气进入高排逆止阀关闭一侧的活塞腔室,即可保持高排逆止阀在强关阀位,避免了空气的泄漏。

(三)压缩空气来气管上调节门的设计选型计算

为了实现快冷全过程的自动控制,在压缩空气来气管上加装一个调节门。

设:调节门前绝对压力P1=0.539MPa;

调门后绝对压力P2=0.294MPa;

调门前后压差ΔP=0.245MPa;

空气温度t=20℃;空气比重R=1;

流量G=44m3/min=2640 m3/h;

确定流量特性系数Cv

当ΔP=0.245

Cv=G

=2640

根据计算结果,选用吴中仪表厂生产的HSC套筒单座调节阀80×50其Cv=50,满足设计要求。

(四)空气量与加热温度关系的计算

由于加热的空气量不同,所产生的温度也就不同,为了能更好的对温度进行控制,在设定了某一温度时,就应有相应的流量与之匹配,为此,应给出两者的关系式。

根据能量平衡,加热器放出的热量=冷空气吸收的热量

3600N=60.G.Cmp(t2-t1)

式中N:加热器功率kW,由说明书知N=150kW;

G:冷空气流量m3/min;

Cmp:定压比热kJ/m3.k Cmp=1.3;

t2.t1:出、入加热器的风温℃,设t1=20℃常温;

代入式中:3600×150=60G×1.3×(t2-t1)

54×104=78G(t2-t1)

∴G=6923/(t2-20)

(五)快冷系统方式的改进

为了使快冷系统在投入运行时更安全、更方便,我们对原系统进行了较大的改进。系统改进后,采取空气串联的形式。将高压缸进汽导管疏水的母管加粗,并使其疏水管与进入中缸导管的加热空气管相连,中间加两道隔离门,使得高压缸流出的热空气直接引入中压缸进行冷却。取消原设计中如三抽、四抽、中低缸连通管等处的排气口。

这种设计思想有以下几方面的优点:

1.节约能源。因为进入高压缸冷却的气源在冷却缸体的同时,也会被高压缸所加热,这种气源进入中压缸时,正好与其壁温相适应,即充分利用了高压缸体的蓄热。

2.增加停机后机组的安全性。原快冷系统在投入时,高压缸的排气要经调速汽门、主汽门才能排出。这样一来,一则是的系统安全性差,二则是易引起门芯的氧化与结垢。系统改进后,从根本上改变了这种被动局面。

3.节约气量,保证其它用气设备的正常工作。原快冷方式从高、中缸处同时引入空气,在电厂气量一定的情况下,显得气量不足,一方面是冷却的速度下降,另一方面,使得其它用气设备因气压低而工作失常。系统改进后,采用串联供气,节约了气量,加快可冷却效果,也保证了其它用气设备的正常工作。

4.使热空气温度与汽缸壁温更加匹配。原系统高压缸采用逆流,而中压缸采用顺流,造成加热器出口温度无法同时适合两种壁温。系统改进后,只需把空气加热到一个与高排壁温相对应的值,而不必顾及中缸,便于运行操作。

5.增强了快冷系统投入的及时性。由于采用串联供气,仅依高排壁温做参考,即使在机组刚停机,也可投入快冷。因为,满负荷停机时,高排壁温最高380℃,而空气的温度可加热到400℃。

(六)运行方式的改进

改进后的快冷系统在投运时,采用真空法。它利用老厂或临机向辅助联箱供汽,由辅助蒸汽再向轴封送汽封,并保持较低的真空值(20～50kPa)。这样一来可以相对加快缸体的冷却速度,同时又保持机房内不受热空气的污染。

三、汽机缸体冷却时间与壁温的经验公式

汽机在自然冷却时,其温降曲线满足对数曲线型式,由此可推导出其每台机的冷却经验公式,并可由此计算出汽缸从某温度冷却到常温的时间,以便与投入快冷缩短的时间相比较。

设:汽缸某点壁温由T2经h小时后,降温至T1(环境温度忽略),则根据对数曲线:

h=K×Ln(T2/T1)

式中K:是与缸体形状、表面积、保温材料等有关的系数。

在机组停机后,只需实际记录一段时间内的T2 T1值,代入公式即可得出系数K。

根据#9机故障后自然降温情况,我们算出K=230

通式为:h=230Ln(T2/T1)

停机时,缸温490℃,268.5小时(11.19天)后,缸温自然冷却至150℃,自然冷却平均温降率为1.27℃/小时。

而用经验公式计算:h=230Ln(490/150)=272.3小时(11.34天)。

从以上计算可知,自然冷却时间与经验公式计算出的时间在11天内,仅相差3.77小时,说明了经验公式有一定的精确度。它是一种计算缸体自然冷却有效的简易方法,特别适合于现场使用。如果采用分段计算,K值就是一个与不同时段对应的常数,这将会提高计算的精确度。

四、关于寿命损耗的分析

根据有关资料计算证明,对于汽缸和转子来讲,当其温降率在10℃/小时以内时,通过计算得知,其对汽缸和转子的寿命影响可以忽略不计。我们在设计时是以5℃/小时以内控制的,这样更不会有大的问题,根据电厂已有的压缩空气量和空气加热器容量而言,一般温降率是不会超过5℃/小时,能控制在4℃/小时左右。即使强迫冷却停机以57℃/小时的温度变化率变化时,它的寿命损耗也只有0.0025%/次。而现场一般快冷的温度变化率在5℃/小时以内,使用一次寿命损耗会更低。由此可见,现场使用快冷对机组寿命的影响可以忽略不计。

参考文献

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[2]杨利国,高彦庭.300MW汽轮机空气快冷试验研究[J].河北电力技术,1997,(3).

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[4]朱苏里,于达仁.600MW汽轮机停机快速冷却系统及其应用[J].汽轮机技术,1997,39(4).

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作者简介:王斌 (1970-),男,辽宁宽甸人,龙煤集团鸡西分公司矸石热电厂工程师,研究方向:热能工程、汽轮机。