超超临界机组氧化皮捕集装置研究与分析.pdf

收稿日期:作者简介:崇培安()男安徽滁州人工学硕士高级工程师 主要从事火电机组节能减排及灵活性方面研究工作超超临界机组氧化皮捕集装置研究与分析崇培安朱晓磊蔡溪柳(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司上海 西安交通大学西安)摘要:为解决氧化皮问题对电厂运行安全的威胁研发氧化皮主动式捕集技术并提出了 种捕集结构:环锥捕集腔、环形捕集腔和口袋捕集腔安装于主蒸汽管道弯头出口位置 数值结果表明环形捕集腔可利用.流量的主蒸汽将 以上颗粒分离出主蒸汽叶栅工作寿命大幅提高 携带颗粒的蒸汽进行汽固分离后送入高加具有最佳的热经济性 氧化皮捕集装置的研发与分析对于从根源上解决高参数汽轮机叶片颗粒冲蚀问题意义重大对超超临界锅炉抗蒸汽侧氧化具有推广示范作用关键词:超超临界氧化皮捕集主蒸汽汽固分离分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:前 言我国电力结构逐渐向更高效、清洁方向转型给超超临界机组的灵活运行提出了更高的要求 在快速启停、快速爬坡、超低负荷运行成为常态的现状下超超临界锅炉高温受热面氧化皮剥落造成的堵塞爆管和汽轮机固体颗粒冲蚀问题是最突出的问题之一 研究发现氧化皮颗粒的冲蚀会导致机组效率下降.为了解决氧化皮问题对电厂运行安全的威胁开展基于运行检修大数据的氧化皮综合治理的研究和实践对电力生产意义重大国内外电力工作者对减缓氧化皮对汽轮机叶栅冲蚀的研究主要集中于以下两方面优化喷嘴通道型线和喷嘴表面强化涂层 指出在喷嘴压力面尾缘附近设置台阶可以改变粒子撞击位置和撞击角度从而使喷嘴冲蚀率较小 对多种涂层进行了系统的高温 试验研究发现具有高硬度碳化铬涂层展示出优异的抗冲蚀性能 但学者们对锅炉蒸汽管系氧化皮颗粒前置分离技术研究较少 冯伟忠认为最有效的途径就是通过旁路将氧化颗粒直接排入凝汽器在申能外三机组配置大容量旁路来缓解 问题 设计了用在汽轮机前端蒸汽管道上的分离器用于机组启动阶段但给主蒸汽带来很大的压力损失 在再热蒸汽管道上设计了 种不同结构的颗粒分离器结果表明 和 的颗粒的分离效率分别达到了 和 神华国华研究院基于绥中发电公司 超临界汽轮机中压缸第一级受固体颗粒冲蚀的现象所设计的颗粒捕集器的压降仅为进口压力的.通过上述研究不难发现相比被动缓减氧化皮冲蚀技术主动的氧化皮捕集方案更具优势 设法在汽轮机前端净化蒸汽的同时尽可能降低颗粒分离器对机组发电经济性的影响是颗粒捕集器技术的发展方向对于从根源上解决高参数汽轮机叶片颗粒冲蚀问题意义重大 模型建立某 机组为/高效型超超临界抽凝供热机组为提高机组使用寿命主蒸汽管道采用双管布置方案 针对该机组汽轮机高压主蒸汽管道进行颗粒分第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.离器数值优化设计.位置选取与结构设计结合机组蒸汽管路布置图因 和 弯头出口位置有充裕空间选取在该处设置颗粒捕集结构如图 所示 利用颗粒通过弯管时离心力作用下的贴壁运动将颗粒送入捕集腔进而在汽流输送下分离出主蒸汽管道 结合文献调研和前期研究经验初步提出了图 所示的 种捕集结构:环锥捕集腔、环形捕集腔和口袋捕集腔图 叶片外弧面和内弧面表面形貌图 颗粒分离器结构示意图.物理模型按照所选位置主蒸汽管道及弯头尺寸进行几何建模管道内径壁厚弯头曲率半径 捕集器排汽管内径 弯头曲率半径 排汽管及弯头管材选用和主汽管道相同材质 弯管颗粒分离器分离颗粒的最佳区域应位于转向段出口横截面.倍管径的位置捕集板进口高度应为管径的 因此捕集结构 和捕集结构 进口最大高度分别为 和 捕集腔进口截面占管道总截面积均为 捕集结构 进口最大高度为捕集腔进口截面占管道总截面积约.种捕集结构几何模型如图 所示.数值方法描述高压蒸汽管道内运动采用三维稳态黏性流动的时间平均连续方程、动量方程和能量方程 采用耦合求解器对图 颗粒分离器几何模型上述控制方程进行离散求解 模型对存在高应变率、漩涡和分离的流动具有较好的表现本文汽流场计算选取 模型近壁区选用 壁面函数法处理定义 以及设置 参数提高导流板与管壁连接处狭缝的网格质量单个模型网格总共 万 通过边界层加密使无量纲参数 在所有工况下小于 最终网格质量保持在.以上对于高压蒸汽管道内的稀相气固两相流动可以采用单向耦合的分散颗粒群模型进行模拟 颗粒运动方程描述为:()()()上式右边的前两项分别表示颗粒受到的气动阻力和重力其它诸如附加质量力、压力梯度力、力、力、力和热泳力等在超临界蒸汽参数下要比气动阻力小得多因此未作考虑.边界条件选取 工况作为计算工况主蒸汽管道进口给定总温 和总压 出口给定流速为/颗粒排出管出口则根据工况不同设置不同的质量流量汽流进口攻角和湍流强度分别设为 和 所有固体壁面设置光滑壁面及无滑移流动条件 为了分析颗粒排出管流量对装置捕集效率的影响计算中对每种捕集器结构分别开展了 种排气管流量计算 种排气管流量占单根主蒸汽管总流量的比例 分别为.、.、.、.和.结合对氧化皮颗粒尺寸分布的实测结果本文在计算中设置了、和 共 种单一尺寸颗粒 进口颗粒采用零滑移速度、均匀分布根据计算域网格尺度兼顾计算效率和计算精度每种尺寸颗粒在各调节阀进口均匀撒播 个代表性颗粒这些颗粒的运动被跟踪来描述离散相的平均运动行为汽 轮 机 技 术 第 卷 结果分析与讨论贴壁运动的颗粒会在蒸汽携带下进入捕集腔室进而从排汽管排出进行不同方式的回收利用主流蒸汽则直接进入主汽阀 由于捕集结构安装于主蒸汽管路上无疑会对进入汽轮机的主蒸汽产生压损因此捕集结构的第一个设计要点就是要最小的阻力损失 其次应尽可能有效地将 以上的颗粒特别是 以上的氧化皮颗粒滤除出主蒸汽即颗粒分离效率 要高第三尽管输送粒子的蒸汽可进行不同用途处理但考虑到工艺过程的损失还是应尽可能减少这部分蒸汽的消耗量即应尽量降低输送颗粒蒸汽量占总蒸汽量的百分比 模拟结果将从以上 个关键参数来对不同结构颗粒分离器进行比较分析.结果定性分析以机组 工况作为计算工况图 所示为.工况下捕集结构 蒸汽管路纵向切面流场结果 可以看到尽管在主蒸汽管道内设置了颗粒分离装置但整个管路流场非常均匀主蒸汽管道进出口压力损失很小主蒸汽温度基本维持恒定主蒸汽管道汽流速度保持在/量级符合主蒸汽管道设计使用条件图 .工况下捕集结构 蒸汽管路纵向切面流场结果展示.不同尺寸颗粒分离情况分析在.工况下捕集结构 对不同尺寸颗粒的分离情况如图 所示 随着颗粒尺寸的增大在惯性力作用下越来越多的颗粒贴近弯管压力面内壁运动进入捕集腔的粒子数量逐渐增多颗粒的分离效率(被分离出主蒸汽管道的粒子质量占来流粒子总质量的百分比)随粒子尺寸图.工况下捕集结构 对不同尺寸颗粒的分离情况增大而增大 由于捕集腔两侧回流影响部分已进入收集腔的粒子被汽流重新带出粒子的分离效率降低.不同捕集结构.工况下捕集结构 和 对 颗粒的捕集情况如图 所示 对比图()可以看出相对捕集结构 捕集腔两侧的蒸汽回流作用最弱颗粒顺利进入捕集腔内使分离效率提高 而由于进口结构影响蒸汽在捕集结构 进口处回流严重大量粒子被蒸汽卷出逃逸分离效率急剧下降图.工况下捕集结构 和 对 颗粒的捕集情况第 期崇培安等:超超临界机组氧化皮捕集装置研究与分析.不同输送颗粒蒸汽流量影响 种结构捕集器在不同流量下对不同尺寸颗粒的分离效率如图 所示 由图 可见 种捕集结构的捕集效率随携带颗粒蒸汽量 的增大而增大 同样工况下捕集结构 和 对 以上颗粒的捕集效率要比 高 对于 以上的大尺寸氧化皮颗粒捕集结构 与捕集结构 的分离效率相差不大 而对于 中等尺寸颗粒 的捕集效率要高出 .工况下捕集结构 和 对 以上颗粒的分离效率达到 而当输送颗粒的蒸汽量继续增加至 以上颗粒的分离效率仅增加 即是说当 .后继续增加输送粒子的蒸汽量捕集结构 和 的分离效率增加缓慢而需要耗费的蒸汽流量却大幅增加 因此可将该.作为最佳分离点图 种结构捕集器在不同流量下对不同尺寸颗粒的分离效率.不同压损特性对于不规则捕集结构其对主蒸汽带来的阻力损失则通过进出口压损来计算 图 所示为 种分离结构在不同 工况下阻力损失 可以看到对于特定的捕集结构由于局部阻力系数恒定在主流蒸汽参数微小变化下捕集结构对主蒸汽所带来的压力损失基本不变 其中捕集结构 和 的压损相当约 捕集结构 的压损高达 图 种结构捕集器压损特性因此综合捕集器分离效率和系统压损同样工况下环形进口捕集结构 最佳 热经济性影响用于携带颗粒的蒸汽量并非完全浪费掉利用挡板分离器或旋风分离器将汽固混合物中的氧化皮颗粒分离后剩余的洁净蒸汽仍然可以进一步回收利用包括重新引入主蒸汽、送入高加加热给水、送入蒸汽吹灰系统吹扫受热面、驱动小汽轮机做功等不同方式 图 所示为外置分离装置结构示意图 通过搭建热力系统对不同蒸汽回收方式进行热力参数分析图 外置分离装置结构示意图.引入主蒸汽由于压力过高不仅对外置分离器及辅助管路的材料及工艺要求极高并且难以找到合适的位置将干净蒸汽引回因此该方法的实施比较困难.送入高加通过对 超超临界机组携带颗粒的蒸汽参数及高压加热进口蒸汽参数计算当将.的气固混合物分离后送入高加时对机组热耗和功率的影响分别为.和汽 轮 机 技 术 第 卷.如图 所示 当将 的气固混合物送入高加时对机组热耗和功率的影响分别为.和.图.工况下蒸汽回收送入高加.送入蒸汽吹灰系统回收蒸汽送入(或经减温减压)蒸汽吹灰系统对锅炉受热面上的积灰进行吹扫减少对屏式过热器或低温再热器的抽汽量 通过对 机组的主蒸汽参数和为吹灰系统提供汽源的低温再热器出口蒸汽参数计算当将.的气固混合物送入吹灰系统时对机组热耗和功率的影响分别为.和.当将 的气固混合物送入高加时对机组热耗和功率的影响分别为.和.推动小汽轮机做功回收蒸汽可以推动一台小型汽轮机进行做功如驱动一些风机降低厂用电消耗 该方案对机组经济性影响微乎其微但初始投资较高综合对比上述方案结合初始投资和热经济性影响将蒸汽进行汽固分离后送入高加是较为经济的选择 结 论研究了主蒸汽管道内的氧化皮颗粒捕集器得到如下结论:()捕集器的安装位置要考虑有较充裕的空间位置同时尽可能处于管路下游压力相对较低处保证其运行安全可靠性()机组启、停、快速升降负荷阶段此时应开启颗粒分离器()环形进口弯管捕集结构 可利用.流量的主蒸汽将 以上颗粒分离出主蒸汽叶栅工作寿命大幅提高()当将.的气固混合物分离后送入高加时对机组热耗影响为.热经济性较好参 考 文 献 ./.():.():.:.冯伟忠.超超临界机组蒸汽氧化及固体颗粒侵蚀的综合防治.中国电力():.:.():.徐亚涛张 磊张俊杰.汽轮机进汽固体颗粒捕集技术研究.山西电力():.(上接第 页)凝汽器真空低跳机产生的“凝汽器故障”信号 后如果 送出的凝汽器压力闭锁旁路控制要求同时存在将产生凝汽器不可用信号控制逻辑将停止向凝汽器排放核岛蒸汽当凝汽器液位跳机值被触发 系统送汽轮机跳机信号至 直接产生凝汽器故障信号送核岛反应堆紧急停堆控制保护产生凝汽器故障信号后的 内禁止凝汽器不可用信号闭锁旁路系统在凝汽器液位产生的“凝汽器故障”信号 后如果 送出的凝汽器压力闭锁旁路控制要求同时存在将产生凝汽器不可用信号控制逻辑将停止向凝汽器排放核岛蒸汽()系统与 系统传递凝汽器压力、凝汽器液位定值保护采用开关量确保了信号传递的稳定性并失效安全 结束语综上基于该项目较 典型设计的诸多差异通过对凝汽器水位、凝汽器压力进行瞬态分析和计算对凝汽器故障信号、凝汽器不可用信号相关控制逻辑进行了适应性调整和改进设计在确保凝汽器、汽轮机等重要设备的运行控制符合设备本身的设计要求前提下修改后的凝汽器故障、凝汽器不可用控制逻辑设计方案能够满足各工况下核岛蒸汽的安全排放要求此项目技术方案为 以及华龙一号核电站类似技术问题的解决提供了借鉴相关分析结果和控制逻辑已在部分 以及华龙一号核电站中成功应用参 考 文 献 广东核电培训中心编.压水堆核电站系统与设备(上册).北京:原子能出版社.姜成仁丁佳鹏.核电厂凝汽器故障信号定值的计算与分析.核动力工程():.杨世铭陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社.第 期崇培安等:超超临界机组氧化皮捕集装置研究与分析