利用热液模拟评估余热锅炉性能

热液模拟可以提供详细的热回收蒸汽发生器(HRSG)数据,以帮助确定故障的根本原因,从各种机制预测磨损程度,评估锅炉的整体热效率。在本文中,给出了三个实例研究的结果,说明了热力学模拟所获得的实际效益。

电厂工作人员需要有关热回收蒸汽发生器(HRSGS)工艺条件的可靠信息,以确保安全运行和最佳性能。分布式控制系统(DCS)的当前和历史运行数据是一个有用的起点,但是它没有提供关于温度的详细信息,压力,或在余热锅炉的所有区域流动。这是通过运行过程的热液压模拟.更详细的数据有助于确定故障的根本原因或预测各种机制的磨损程度,包括流加速腐蚀(fac)疲劳,腐蚀疲劳,蠕变。模拟的另一个优点是,它可以作为一个“试验台”来评估设计或运行状态修改对效率或机组寿命的影响。

采用商用锅炉仿真工具对余热锅炉进行了三次热工水力模拟,用于实际工程评估。以下案例研究的结果如下:

    在三压余热锅炉中降低低压(LP)省煤器接近温度以提高效率的影响和可行性。
    操作设计用于连续管道燃烧而不进行管道燃烧的HRSG的可行性;由于需要更灵活的电厂负荷能力。
    ■预测HRSGS中FAC的最高风险位置。

软件描述和功能

商用热液压软件-KED股份有限公司的动力装置模拟器和设计师-用于这些案例研究。它允许对任何类型的锅炉进行建模,比如生物量,常规辐射锅炉,HRSGs或者集中太阳能发电站。每个模型由两个不同的模拟组件组成:热源(气体方案)和工作流体(水方案)。

燃气方案由多个元素组成,这些元素是联合循环电厂中典型的余热锅炉。该过程包括:

    燃气轮机(GT)提供烟气,这是热源。质量流量,温度,根据不同的设计工况和燃气轮机的技术指标,输入燃气成分。
    ■一系列的传热管束吸收烟气中的热量,并将其传递到内部包含的工作流体中。根据锅炉设计文件输入管束几何结构和特性。比如芬兰,材料,间距,管子数量,等等。
    在气路末端,烟囱元件允许监测最终排气温度。
    可选地,可以有管道燃烧器,这就增加了蒸汽产量和额外的燃料投入。
    ■计算气路中各元素之间的气体特性。

余热锅炉的典型气体方案如图1所示。

1。这里给出了一种典型的三压热回收蒸汽发生器(HRSG)气体方案。燃气轮机的进气道在左侧。气体通过不同的管束流向烟囱。显示选定的模拟输出参数,包括热量输入,温度,净电力输出。礼遇:利乐工程集团有限公司

一旦天然气计划完成填充,建立了模拟蒸汽生产和过热的水方案。该过程包括:

    ■水方案中建模的传热管是进口的,并与气体方案元件相连。两种方案的管束具有相同的性能。
    增加汽包元件并连接到省煤器,蒸发器,以及过热器(SH)管。
    ■汽包的自然循环是根据下水管道和给水器的几何结构,在汽包元件内的单独水方案中计算的。再一次,管束从气体方案中的蒸发器管束中导入。
    为给水和任何再循环阀增加了控制阀。
    ■增加了除气器等任何附加设备。
    最后,过热(干)蒸汽出口与汽轮机相连,它依次与发电机相连,提供来自余热锅炉的输出电力。

余热锅炉的典型供水方案如图2所示。

2。这里显示了典型的三压余热锅炉水方案。为了清晰起见,每个压力级的水管接头都有颜色:低压(黄色)。中间压力(绿色)高压(蓝色)。来自每个压力级的过热蒸汽被复制,以模拟第二个余热锅炉,并被送入与发电机(右下角)相连的汽轮机片。礼遇:利乐工程集团有限公司

所有输入数据都是从设计文档中提取的。最初,利用该装置的热平衡,建立了该模型以反映预期性能。此后,从工厂发送的运行数据,通常取自DCS,通过考虑污垢等降解机理,对模型进行了改进,以更好地反映装置的实际性能。

提高热效率:接近温度评估

下面的研究评估了在三压余热锅炉中降低低压省煤器接近温度对电厂整体效率的影响。

该厂由两个燃气轮机组成,通过再热向两个三压余热锅炉提供烟气。产生的蒸汽被送入一个单独的汽轮机。为了避免冷端凝结,采用再循环系统使低压省煤器水温保持在55C以上。最终接近温度由一个三通阀控制,该阀允许绕过省煤器,在水进入汽包之前冷却水。

接近温度是汽包饱和温度和进入汽包(或离开低压省煤器)的水之间的差异。本厂总平面布置如图1和图2所示。分别。低压省煤器配置的更多细节如图3所示。

三。这幅图更详细地显示了低压省煤器的水方案。接近温度显示在进入汽包前从测试点获取的红色框中。在这个迭代中,温度是154c,相当于8c的接近点。礼遇:利乐工程集团有限公司

如前所述,设置了余热锅炉模拟。一旦进入烟气,加热表面,鼓,汽轮机都是输入的,将输出与保证设计案例进行了比较。此外,电厂的DCS数据用于最终调整,以确保模拟尽可能接近实际运行条件。在评估时,电厂以8C LP接近温度运行余热锅炉。准备了三个负载情况,对应于100%,75%,以及45%的燃气轮机负荷。

对锅炉或余热锅炉进行精确模拟的主要优点是可以在不影响压力部件或设备完整性的情况下研究某些参数的影响。在这个项目的背景下,不同的测试案例运行的接近温度范围从原来的8C到1C。接近温度0C不视为汽包上游会发生闪蒸。这些测试案例的重点是评估对低压省煤器完整性的影响,管道,和阀门。

降低接近温度引起的主要风险如下:

    在省煤器中蒸。如果水在省煤器中蒸发,这可能导致流量中断,沉积形成,振动,流动停滞,导致管间胀差。
    通过汽包液位控制阀(LCV)和低压省煤器再循环阀闪蒸至蒸汽,通过气蚀造成严重侵蚀。

对所有易感组分的材料性能进行了综述,并得出结论,这些材料能够承受温度的升高。

降低接近温度使进入汽包的水接近饱和,因此,加速蒸发成蒸汽。这意味着需要较低的蒸发器循环比(进入饱和水蒸发所需的循环量)。导致蒸汽产量增加。果不其然,使用接近温度1C或2C可获得最高的效率增益。然而,金莎线上开户工业实践是保持接近点大于3c,以便在控制仪表和操作不确定性方面提供更多的误差空间。将接近温度从8C降低到3C导致功率增加0.8 mW至1.3 mW,取决于负载情况(表1)。

表1。此表显示了使用3c接近点的功率输出和效率增益。礼遇:利乐工程集团有限公司

模拟结果表明,当使用接近温度3c时,对部件完整性没有重大风险,并且预测这将导致100%燃气轮机负荷下约1.3兆瓦的发电量增加。假设价格为38美元/兆瓦时(即美国年平均批发电价2017,根据美国每年运行8000小时,每增加1兆瓦意味着每年净财务收益为30.4万美元。

随后,电厂实施了3C LP接近点,并确认100%负荷情况下的增益为1.26 mW。这证明了热液模拟预测的准确度在3%以内。

在其设计范围之外操作余热锅炉

以下是在设计范围之外运行HRSG(无管道燃烧)以实现更灵活的电厂操作的可行性研究总结。评估的电厂由10台燃气轮机组成,每个连接到一个余热锅炉。管道燃烧器安装在1号和5号厂房之间,气体从右向左流动(图4)。

4。该图显示了评估工厂压力部件布置的顶视图示意图。气体从右向左流动,管道燃烧器安装在1号过热器(SH 1)和SH 5之间的间隙内。礼遇:利乐工程集团有限公司

该过程最初是根据设计信息进行设置的,原始制造商热平衡,以及点火操作测试。对运行参数进行了调整,以确保模型与预期性能和记录的电厂运行数据具有良好的一致性。需要指出的是,由于各种因素的影响,模拟参数总是与实际锅炉参数略有不同。这些特殊的锅炉有超过100000小时的运行时间,并受到管内表面污染。此外,记录的数据有来自仪器和传感器的固有错误。此外,原始设备制造商(OEM)的热平衡计算通常是保守的,以确保在调试机组时满足或超过这些计算。

一旦模型准确反映了实际操作条件,它被修改为评估在不进行补充射击的情况下运行HRSGS的影响。GT参数汽包压力,输入给水流量。与此同时,在工厂的2号集管上安装了热电偶,以及省煤器上的选定管道和跳线。四个测试案例在没有管道燃烧器的情况下运行,来自DCS和热电偶的物理读数证实了模拟模型的有效性。

没有管道点火,余热锅炉可用热量较少,蒸汽产量减少。这会降低过热器中的蒸汽流量,导致管金属温度升高。SH 1和2最容易受到这种影响,因为它们直接位于燃气轮机排气的下游。模拟软件预测了最热的一排SH2的金属温度超过500C(由安装的热电偶确认)。

对于某些燃气轮机负荷,SH 1和2的温度超出了设计范围。管子由t11材料制成,在136barg的全设计压力下,未满足ASME锅炉及压力容器规范计算的最小壁厚准则。

模拟软件允许计算每个元件之间以及加热表面每排之间的温度。在第1页和第2页,行与行之间预计只有几度的差异,符合原始设备制造商的计算。然而,这两个模块之间的温差在没有管道点火的情况下变得更为重要。

为了保持SH 2管道符合ASME锅炉和压力容器规范的第一节要求,应限制工作压力,以降低温度升高时的厚度要求。提出了新的运行条件,并增加了保守性,保证了新运行方式下的安全可靠运行。

在三维建模仿真软件中进行了简单的有限元分析。在SH 1和2模块上评估由热液压模拟中计算的温度梯度引起的应力。这表明,两个模块之间的连接管道应力最高。这种管道的设计已经具有相当大的运动自由度,并且预计能够承受新的热位移。

由于未点火操作的建议操作压力较低,省煤器冒冒蒸汽和闪蒸的危险,以及相关的管道和阀门,出席了。较低的压力导致较低的水饱和温度。热液压模拟提供了整个水方案的蒸汽分数,并强调了省煤器管道和汽包LCV中的一些潜在蒸汽生产。

基于部分省煤器旁路,建立了一个潜在的解决方案。这将允许一部分低压给水绕过省煤器并在出口混合,从而使高压省煤器出口温度降低到饱和以下。通过热液模拟,工程师可以计算所需的旁路量,以确保锅炉的运行条件是安全的。

HRSGS中FAC风险评估

本文最后一个案例研究涉及使用热液模拟来补充HRSGS中的FAC评估。fac是导致电厂管壁减薄的局部降解机制。这会导致失败。从根本上讲,fac是一个化学机械过程,其中流体化学条件与充分的近壁质量通量使内部磁铁矿层加速溶解。

FAC主要出现在输送单相水或两相水和蒸汽的碳钢部件中。它不会发生在干蒸汽中。fac的速率很大程度上取决于管道材料成分,温度,以及水化学。在接近150摄氏度的温度下,当pH值和氧浓度较低时,碳钢组分中最大。在较高的pH值(接近目标范围)下,磨损率迅速降低,所有其他因素都是相等的。几何变化和其他流动扰动也通过增加局部质量通量和局部流动产生显著影响。蒸发器内的蒸汽质量对其流动条件也有很大影响。

图5显示了不同参数下由fac引起的磨损率。低合金钢中加入铬和少量钼后,磁化率大大降低。这些元素的作用是降低保护磁铁矿层的溶解性,增加薄膜的粘附性,因此减少了FAC磨损的可能性。

5。根据实验数据,给出了不同参数下的流动加速腐蚀磨损率。fac磨损随着速度的增加而增加(左上角)。最大温度在100C到200C之间(中上)随着铬和钼含量的增加而降低(右上角)。随着水的酸碱度(左下)和溶解氧(中下)的降低,磨损率也随之降低。最后,流形(kr_mmer)具有最高的几何因子(右下角)。礼遇:利乐工程集团有限公司

在这种情况下,锅炉模拟的使用有助于确定可能增加FAC风险的区域。前一节介绍了五个因素。它们是物质成分,流体温度,酸碱度,氧浓度,以及局部流体速度/质量。热液模拟可以预测流体温度,速度,以及蒸发器中的蒸汽质量。

水流相对容易用手工计算,但蒸发器回路中的条件需要复杂的迭代计算。热液模拟考虑了整个余热锅炉;因此,在不同的条件下,可以研究表面活性剂的作用。这些可以包括与补充射击和不补充射击的比较,低负荷运行条件;以及改变蒸发器压力的影响。

利用设计和运行数据,建立了与以往研究案例相似的锅炉模型。一旦模型根据实际操作条件进行了验证,根据上述影响因素确定了危险成分。锅炉热工水力模拟的输出数据用作经验计算的电子表格输入。该方程中使用的模拟输出数据包括体积流体速度,蒸汽质量分数,以及温度。其他参数从设计文件中提取,例如组件的几何图形。水化学参数,比如酸碱度和溶解氧,根据操作数据估计。

评估结果提供了在实际运行条件下,余热锅炉最容易受到FAC影响的部件的排名。这可用于创建集中检查计划,包括超声波检测和内视镜测量。热液模拟也有助于解决蒸发器中发现的任何FAC问题。使用热液模拟来补充FAC研究的主要好处是能够获得原本未知的流量和温度数据。ω

-让马克莫纳克是Tetra工程集团公司的项目工程师。(四人网