雙背壓汽輪機冷端系統(tǒng)的優(yōu)化

高清林

(福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 泉州 362000)

1 概 述

冷端系統(tǒng)是凝汽式汽輪機裝置的一個重要輔助系統(tǒng),其性能的好壞將直接影響整個裝置的經(jīng)濟性和安全性。多壓凝汽器作為一項大機組的節(jié)能新技術(shù),在一定的條件下,能提高凝汽器的真空度、減少凝汽器的冷卻面積或減少循環(huán)冷卻水流量,從而提高機組循環(huán)熱效率、減少投資或降低運行成本,因而在大型多排汽口汽輪機中,得到了日益廣泛的應(yīng)用,在20世紀90年代,我國新建的大型電站也開始逐步普及使用雙壓凝汽器。

2 雙壓凝汽器冷端系統(tǒng)存在的問題

至今,雙背壓汽輪機在國內(nèi)電站中的應(yīng)用已有多年,但其冷端系統(tǒng)在設(shè)計和運行上,仍有許多方面有待進一步改進和完善。

2.1 凝結(jié)水的溫度

對于雙壓凝汽器,其高壓凝汽器凝結(jié)水的溫度高于低壓凝汽器凝結(jié)水的溫度,若簡單地依靠兩殼體之間的壓差,使高壓凝汽器的凝結(jié)水自流到低壓凝汽器,則最終由低壓凝汽器熱井輸出的凝結(jié)水溫度,將低于高壓凝汽器的凝結(jié)水溫度,降低了機組的熱經(jīng)濟性。

2.2 抽氣系統(tǒng)連接方式不盡合理

在汽輪機組正常運行過程中,為維持凝汽器內(nèi)已建立的真空,必須由抽氣系統(tǒng)連續(xù)不斷地把漏入真空系統(tǒng)的空氣和不凝結(jié)氣體(以下簡稱氣體)抽出,抽氣系統(tǒng)性能的好壞將直接影響到凝汽器的運行狀況。在現(xiàn)役的大型汽輪機組中,與雙壓凝汽器配套的抽氣系統(tǒng)大多采用并聯(lián)或串聯(lián)的連接方式。

采用并聯(lián)連接的抽氣系統(tǒng),由高、低壓兩凝汽器各自引出的抽氣管道分別接到抽氣母管上,再由抽氣母管連接到3臺抽氣設(shè)備(真空泵或抽氣器),如圖1(a)所示。這種連接方式,因高、低壓凝汽器的抽氣管道阻力相近,而兩管之間又存在著壓力差,又是匯集到同一母管后與抽氣設(shè)備相連接,這就難免會在兩管之間出現(xiàn)“排擠現(xiàn)象”,致使低壓凝汽器中的氣體又無法排凈。

圖1 雙壓凝汽器抽氣系統(tǒng)的連接方式

采用串聯(lián)連接的抽氣系統(tǒng),高壓凝汽器中兩管束區(qū)的氣體分別導(dǎo)入到同一水流程的低壓凝汽器,由低壓凝汽器引出的2根抽氣管道,匯集到抽氣母管后,再連接到抽氣設(shè)備,如圖1(b)所示。采用這種連接方式時,氣體依靠壓差由高壓凝汽器流向低壓凝汽器,增加了低壓凝汽器的抽氣負荷,對低壓凝汽器氣體的抽出可能產(chǎn)生不利影響,并且容易引起高、低壓凝汽器的相互干擾,影響凝汽器的傳熱性能。

由于抽氣系統(tǒng)設(shè)計的不合理,將會削弱雙背壓運行所帶來的好處,即使在真空嚴密性良好,換熱面清潔,循環(huán)水量正常的情況下,抽氣系統(tǒng)的缺陷仍會對凝汽器的運行狀況產(chǎn)生很大的影響,導(dǎo)致低壓凝汽器的端差偏大,真空偏低。

2.3 循環(huán)水系統(tǒng)的缺陷

近年來,隨著雙背壓運行優(yōu)勢的日益顯現(xiàn),一些火電廠也紛紛對大、中型汽輪機的凝汽器進行技術(shù)改造,其中典型的事例是將300MW機組的凝汽器,由單壓改為雙壓。為節(jié)省技改費用,有些電廠就簡單地將圖2(a)中一側(cè)管束出口的冷卻水,直接引入另一側(cè)入口,將原來的單壓雙流程凝汽器改造為雙壓雙流程凝汽器,如圖2(b)所示。這種改造看似改動很小,殊不知該方案如果不成倍增大冷卻管內(nèi)水的流速,其循環(huán)水量將成倍減少,滿足不了機組要求;如果要增加流速保證水流量,則水阻將大大增加,而且需要更換揚程更高的循環(huán)水泵,這就增加了設(shè)備投資和運行費用,大大削弱了雙背壓運行的優(yōu)勢,同時,循環(huán)水流速的提高,還會導(dǎo)致冷卻管入口處沖擊腐蝕更加嚴重,影響凝汽器的安全運行。

圖2 雙壓凝汽器循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)化

3 冷端系統(tǒng)的設(shè)計與運行優(yōu)化

3.1 凝結(jié)水的回?zé)岢?/h3>

實際上,采用雙背壓運行對汽輪機熱經(jīng)濟性提高的原因之一,是提升了凝結(jié)水的出口溫度以及減少了末級低壓加熱器抽汽量。為此,在進行雙壓凝汽器設(shè)計時,應(yīng)考慮將低壓凝汽器的凝結(jié)水輸送到高壓凝汽器中(如圖3所示),利用高壓凝汽器中的蒸汽,將其加熱到高壓凝汽器壓力所對應(yīng)的飽和溫度,并使凝結(jié)水得到初步除氧,以減小凝結(jié)水的過冷度和溶氧量,提升凝結(jié)水的出口溫度,減少末級低壓加熱器的抽汽量,達到降低發(fā)電熱耗率的效果。

圖3 雙壓凝汽器結(jié)水的回?zé)岢?/p>

3.2 抽氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

在考慮雙壓凝汽器抽氣系統(tǒng)的連接方式時,應(yīng)注意防止低壓凝汽器的抽氣不足和避免高、低壓凝汽器抽氣管道之間的相互排擠。

對采用串聯(lián)連接抽氣系統(tǒng)的在役雙壓凝汽器,為彌補低壓凝汽器的抽氣不足,一方面應(yīng)使氣體在低壓凝汽器的冷端盡可能地冷卻到較低的溫度,以減輕抽氣負荷;另一方面應(yīng)選取容量較大的抽氣設(shè)備,加大抽氣量。

對采用并聯(lián)連接抽氣系統(tǒng)的在役雙壓凝汽器,為避免高、低壓凝汽器的抽氣管道之間相互排擠,可在高壓凝汽器的抽氣管道上設(shè)置調(diào)節(jié)氣門,以便在運行中根據(jù)機組負荷變化調(diào)節(jié)該抽氣管道的阻力,使兩管出力均衡,在高壓凝汽器的真空基本不變的情況下,提高低壓凝汽器的真空。

要徹底解決抽氣系統(tǒng)存在的問題,最好的方式是采用單獨連接的抽氣系統(tǒng),即高壓凝汽器的抽氣管道單獨連接到1臺抽氣設(shè)備(另設(shè)1臺備用),低壓凝汽器的抽氣管道單獨連接到另1臺抽氣設(shè)備(另設(shè)1臺備用),如圖1(c)所示。兩抽氣管道相互獨立,互不影響,徹底消除了兩抽氣管道的“排擠現(xiàn)象”。

從設(shè)備投資看,抽氣系統(tǒng)采用串聯(lián)連接時只需配備2臺抽氣設(shè)備,采用并聯(lián)連接時也只需配備3臺抽氣設(shè)備,而采用單獨連接則需配備4臺抽氣設(shè)備;但從機組運行的熱經(jīng)濟性看,串聯(lián)、并聯(lián)、單獨連接方式依次見好。為既能減少設(shè)備投資,又能提高機組運行經(jīng)濟性,還可將抽氣系統(tǒng)按并聯(lián)連接方式設(shè)計,并在高、低壓凝汽器的抽氣管道之間增設(shè)聯(lián)絡(luò)門及其保護聯(lián)開邏輯,如圖1(d)所示。在機組正常運行時,聯(lián)絡(luò)門關(guān)閉,抽氣系統(tǒng)按獨立方式運行,一旦運行的任何1臺抽氣設(shè)備故障跳閘,聯(lián)絡(luò)門將快速開啟,恢復(fù)并聯(lián)運行方式,待故障處理后,聯(lián)絡(luò)門重新關(guān)閉,恢復(fù)正常的獨立運行方式。

3.3 循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化

3.3.1 循環(huán)水系統(tǒng)的改造

如果將原來的單壓雙流程凝汽器改為雙壓單流程凝汽器,如圖2(c)所示,這種改造雖然由雙流程變?yōu)閱瘟鞒?但循環(huán)水流經(jīng)冷卻管的次數(shù)不變,水阻等其它參數(shù)也基本不變,循環(huán)水量仍可滿足需求;同時,這種改造方案對凝汽器本身改動很少,投資不多。

3.3.2 循環(huán)水系統(tǒng)的優(yōu)化運行

由汽輪機原理可知,在一定條件下,提高凝汽器的真空可以增加汽輪機的功率。但并非真空越高越好,只有當(dāng)汽輪機因真空提高所獲得的功率增量與為提高真空而使循環(huán)水泵耗功增量之差為最大時,所對應(yīng)的真空才是最佳真空。如果一味地增加冷卻水量,使凝汽器內(nèi)的真空高于最佳真空,反而會使電廠出力減少。在不同季節(jié)、不同負荷下,可以通過循環(huán)水泵投運臺數(shù)的合理組合,使機組微增出力與循環(huán)水泵耗功增量之差達到最大值,以使循環(huán)水系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)運行方式。

3.3.3 利用循環(huán)水供熱

雙壓凝汽器的采用雖然在一定程度上減少了冷端損失,但循環(huán)冷卻水還是帶走了大量的熱量,這些熱量由于品位低而難以回收利用。為了實現(xiàn)廢熱利用,可對純凝汽式的雙壓凝汽器進行循環(huán)水供熱的改造,實現(xiàn)低真空或半面純凝半面低真空的供熱運行方式,使循環(huán)冷卻水達到較高的溫度,為周邊居民取暖或生活供應(yīng)熱水,如圖2(d)所示。運行中通過對循環(huán)水泵和閥門的控制,調(diào)節(jié)供熱的循環(huán)水溫度和水量,可以滿足非采暖期、采暖初期、采暖高峰期等不同熱負荷的供熱需要。

4 結(jié)束語

為充分發(fā)揮雙背壓汽輪機的技術(shù)優(yōu)勢,最大程度地體現(xiàn)其經(jīng)濟效益,在對其冷端系統(tǒng)進行優(yōu)化時,不能僅局限于凝汽器本身,還應(yīng)顧及到抽氣系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。對于凝汽器,應(yīng)考慮低溫凝結(jié)水的回?zé)岢?力求減小凝結(jié)水的過冷度和溶氧量;而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行,應(yīng)以最佳真空為其優(yōu)化目標,并考慮利用循環(huán)冷卻水供熱,以利節(jié)能減排;在設(shè)計抽氣系統(tǒng)時,既要注意防止低壓凝汽器的抽氣不足,也要注意避免高、低壓凝汽器抽氣管道之間的相互排擠。

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