1、第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集127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
2、，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
3、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）2.mmlGpdA第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集128局部阻力计算（2）2jmGpA式中： 摩擦压力损失和局部阻力损失，Pa；
4、,mjp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， ； lgm)1(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
5、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
6、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 2.1.1 A 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 KPa 16第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集129名称 单位 设计数据汽轮机发电机组功率 MW 699.4603汽轮机排汽量 t/h 1330.79排汽焓 kJ/kg 2449.3表 2.1.2 A 电厂排汽装置参数如下：名称 单位 设计值进汽口尺寸 mm 7074753
7、0排汽口尺寸 mm 2X602020凝结水箱尺寸 mm 990013030正常水位 mm 1200高一水位 mm 1400高二水位 mm 报警水位 1600低一水位 mm 1000低二水位 mm 800表 2.1.3 A 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 1 kPa 17.206低压缸排汽压力 2 kPa 17.169排汽装置出口压力(DCS 测点) kPa 16.350凝汽器#1 排进口压力 kPa 14.969凝汽器#3 排进口压力 kPa 14.795凝汽器#1 排联箱压力(#6 逆流风机位置) kPa 15.260低压缸排汽压力平均值 kPa 17.18
8、8凝汽器进口压力平均值 kPa 14.882排汽装置压降 kPa 0.838排汽装置出口至空冷凝汽器进口压降 kPa 1.468低压缸排汽压力至空冷凝汽器进口压损 kPa 2.3062.2 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。第七届全
9、国火电空冷机组技术交流研讨会论文集130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 2.2.1 B 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 MW 600最大连续功率 MW 641.6末级动叶长度 mm 620给水回热系统 3 高加+1 除氧器+3 低加主蒸汽压力 MPa 16.67再热蒸汽压力 MPa 3.2主蒸汽温度 538再热蒸汽温度 538名称 单
10、位 设计数据主蒸汽流量 kg/h 1833370背压 kPa 15低压缸排汽流量 kg/h 12118602.2.2 B 电厂排汽装置技术规范名称 单位 设计值进汽口尺寸 mm 49126580排汽口尺寸 mm 600020凝结水箱尺寸 mm 658010000正常水位 mm 2200高一水位 mm 2400高二水位 mm 2600高三水位 mm 2800低一水位 mm 2000低二水位 mm 1800第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集131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 MW 598.1低压缸排汽压力 kPa 32.81排汽装置
11、出口压力 kPa 32.39排汽装置汽阻 kPa 0.43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/h 02.3 A 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，
12、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kPaA TMCR 16 1330.79 17.188 0.838B 100%额定负荷 15 1211.86 32.81 0.43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
13、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
14、 785Pa。下表为计算表格。第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集132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 P0 Kpa 汽机厂资料 17.188 32.81 17.1882 低压缸排汽量 M t/h 汽机厂资料 1330.79 1320 1330.793 低压缸排汽焓 i0 kj/kg 汽机厂资料 2449.3 2520 2449.34 装置阻力系数 4.695 4.4 4.45 入口压力 P1 Kpa P1=P0 17.188 32.810 17.1886 入口干度 x1 x1=f(P1,i1) 0.93453 0.949
15、82 0.934417 出口内径 d m d=6.02-2X0.02 5.980 5.980 5.9808 出口截面积 F m2 F=(d 2/4) 28.09 28.09 28.099 比容 v1 m3/kg v=f(P1, x1) 8.2421 4.5836 8.242110 密度 kg/m3 =1/v 0.121329 0.218171 0.12132911 体积流量 V m3/h V=M*v 10968482 6050305 1096848212 流量系数 f - f=1/2 0.50 0.50 0.5013 流速 m/s =V/(F*3600)*f 54.24 29.92 54.20
16、14 动压 hA Pa hA= 2/2* 178 98 17815 阻力 h Pa h 0=h A 838 430 785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（
17、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
18、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第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集133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）11Fpass
19、KAFpaucmrt tAuce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sm F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。Fupac1atk 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）111i oi iKAhhA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io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i外壁面的面积差异。 为翅片总
20、效率。o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）7.46100.985sstP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p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）1(,)ssFaPfmAutp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
21、条件后，机组背压即可确定。第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集1343.2 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
22、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
23、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 Pa 1600 800按汽机背压修正曲线计算的煤耗减少量 g/kw.h 2.65 1.65按汽机性能数据表计算的煤耗减少量 g/kw.h 0.53 0.26上表中按汽机背压修正曲线计算的煤耗减少量是不可信的，因为汽机厂的汽机背压修正曲线是根据通流面积的特性为机组性能考核验收而绘制的。而按汽机性能数据表计算的煤耗减少量是可信的，因为它真实反映了汽机性能，是根据汽机热平衡图提取的数据。因此取消排汽装置对于 A 电厂两缸两排汽机组可降低标准煤耗 0.53 g/kw.h，对于 B 电厂三缸四排汽机组可降低标准煤
24、耗 0.26 g/kw.h，其提高机组的经济性还是相当可观的。如果按年满发 5000 小时计，A 电厂一台 660MW 机组可节约标准煤 1749 吨，B 电厂一台 600MW 机组可节约标准煤 780 吨。当然以上节约的标准煤只是估算的，因为在机组低负荷或高背压下运行时排汽装置的阻力也会降低，体现的机组煤耗降低也不会明显，但数值是可供参考的。4 结论及建议由于排汽装置是方形结构，且工作在负压状态，为解决强度及变形问题必须在其内部设置大量的钢管支撑形成立体网格结构，这样就造成其阻力偏大，实际运行时的阻力远远大于制造厂提供的第七届全国火电空冷机组技术交流研讨会论文集135理论设计值，再根据上面全面经济性分析的结果，建议取消排汽装置。取消排汽装置之后汽水管道系统会复杂一些，但设备及管道的投资不会增加。如果选择适当的真空除氧设备，除氧效果也会有保证的。作者简介：作者：石志奎，男，长期从事发电厂热机和空冷岛汽水管道设计和研究。工作单位：东北电力设计院单位地址：吉林省长春市人民大街 4368 号电话：0431-85798575 E-mail：
