600 MW機(jī)組凝結(jié)水過冷度對(duì)熱經(jīng)濟(jì)性的影響

李 偉

（國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031）

凝汽設(shè)備是汽輪機(jī)組的重要輔機(jī)之一，是電廠熱力循環(huán)中的重要一環(huán)，對(duì)整個(gè)火電廠的建設(shè)和安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著決定性的影響。由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行等方面的缺陷，新老機(jī)組凝汽器都不同程度地存在著凝結(jié)水的過冷卻現(xiàn)象。凝結(jié)水的過冷卻，一方面降低了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，另一方面導(dǎo)致凝結(jié)水溶氧量增多，加劇了低壓回?zé)嵯到y(tǒng)的腐蝕，不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。因此有必要對(duì)凝結(jié)水過冷卻現(xiàn)象加以重視，以提高機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。

根據(jù)現(xiàn)代矩陣分析方法定量研究凝結(jié)水過冷度對(duì)某600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響，并從凝汽器的運(yùn)行以及檢修維護(hù)等角度，提出減小凝結(jié)水過冷度的對(duì)策，以此來提高機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 凝結(jié)水過冷度的定義及其表示方法

1.1 定義

凝結(jié)水過冷度可定義為在凝汽器殼體中的絕對(duì)靜壓力下凝結(jié)水離開熱井時(shí)的溫度與凝汽器中蒸汽的飽和溫度之差[2]，如圖1所示。

圖1 凝結(jié)水過冷度的熱單位表示示意圖

1.2 表示方法

1.2.1 溫度形式

式中：Δtc為凝結(jié)水過冷度；ts為凝汽器絕對(duì)壓力下的飽和溫度；tc為凝汽器熱井中凝結(jié)水溫度。

1.2.2 熱單位形式

2 凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生原因及其影響因素[2，3]

2.1 凝汽器內(nèi)管束排列不好

凝汽器內(nèi)由于冷卻水管布置過密和排列不當(dāng)，使蒸汽空氣混合物通往凝汽器的管束中心和下部時(shí)遇到很大的流動(dòng)阻力，即存在很大的汽阻，引起凝汽器內(nèi)部絕對(duì)壓力從凝汽器入口到抽氣口逐漸降低，使得凝汽器大部分區(qū)域的蒸汽實(shí)際凝結(jié)溫度要低于凝汽器入口處的飽和溫度，形成了過冷度；同時(shí)造成蒸汽負(fù)荷大部分集中在上部的幾排銅管，蒸汽所凝結(jié)的水通過過密的管束，在冷卻水管的外側(cè)形成一層水膜，再次冷卻凝結(jié)水。加之排汽不能回?zé)釤峋心Y(jié)水，更加劇了凝結(jié)水的過冷卻。其中，凝汽器的汽阻過大是影響凝結(jié)水過冷度的一個(gè)很重要的因素。

2.2 空氣漏入凝汽器或抽氣器工作不正常

在機(jī)組運(yùn)行過程中，處于真空條件下的凝汽器、汽輪機(jī)的排汽缸以及低壓給水加熱系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性變差，則造成空氣的漏入；另一方面，抽氣器工作不正常，不能及時(shí)地把凝汽器內(nèi)的空氣抽走。這2方面使得凝汽器中積存的空氣等不凝結(jié)氣體增加。這樣不僅在冷卻水管的表面會(huì)構(gòu)成傳熱不良的空氣膜，降低傳熱效果，增加傳熱端差；同時(shí)由于凝汽器內(nèi)的蒸汽混合物中空氣成分的增高，蒸汽分壓力的數(shù)值相對(duì)于混合物的總壓力就會(huì)降低，這種蒸汽含量較少的空氣蒸汽混合物將在更低溫度的情況下凝結(jié)，因而產(chǎn)生了凝結(jié)水的過冷卻。

2.3 凝汽器水位過高

運(yùn)行中，凝汽器水位過高，將使凝汽器下面部分凝汽器銅管浸入凝結(jié)水中，由于下面幾排銅管中的冷卻水又帶走了一部分凝結(jié)水的熱量，導(dǎo)致凝結(jié)水產(chǎn)生過冷卻。

2.4 凝汽器冷卻水入口溫度和流量的影響

試驗(yàn)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在一定的蒸汽負(fù)荷下，當(dāng)冷卻水入口溫度降低或流量增加時(shí)，凝汽器壓力降低，真空增加，進(jìn)入熱井的凝結(jié)水的過冷度將增大。

2.5 蒸汽負(fù)荷的影響

凝汽器蒸汽負(fù)荷的大小對(duì)凝結(jié)水過冷度也有一定的影響。根據(jù)前蘇聯(lián)的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于汽流向心式凝汽器，隨著蒸汽負(fù)荷的提高，過冷度增大。而對(duì)于汽流側(cè)流式凝汽器，蒸汽負(fù)荷升高時(shí)，過冷度減小。對(duì)于非回?zé)崾侥鳎羝?fù)荷減小時(shí)，將不可避免地會(huì)引起過冷度增加。

3 凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組性能的影響

由于凝結(jié)水的過冷卻，使傳遞給冷卻水的熱量增加，冷源損失增大，導(dǎo)致系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性下降。凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響可以參考圖1，本文借助矩陣法和偏微分理論對(duì)某引進(jìn)型600 MW機(jī)組進(jìn)行定量分析，該機(jī)組的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)見參考文獻(xiàn)[1]的附錄所示。根據(jù)火電廠熱力系統(tǒng)汽水分布通用矩陣方程[4]，可以寫出該機(jī)組熱力系統(tǒng)的汽水分布方程：

式中：A為熱力系統(tǒng)的主系數(shù)矩陣；αi為抽汽矩陣；αk為輔助汽水矩陣；ql為輔助能量矩陣。輔助汽水具體劃分參見文獻(xiàn)[4]。

凝結(jié)水過冷度引起機(jī)組抽汽量變化屬于小擾動(dòng)范疇[5]，因此可認(rèn)為過冷度增大時(shí)，僅對(duì)末級(jí)抽汽加熱器產(chǎn)生影響，而對(duì)進(jìn)出系統(tǒng)的輔助汽水流量和輔助能量沒有影響，考慮到的變化不會(huì)對(duì)輔助汽水流量以及輔助能量產(chǎn)生影響，因此將式（3）兩邊分別對(duì)求取偏微分，可得：

化簡后得：

根據(jù)汽水分布方程中關(guān)于 qi，γi，Ti定義[4]，可得：

將式（6），（7）代入式（5）并整理得

式（8）即為凝結(jié)水過冷度對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量影響的分析計(jì)算表達(dá)式，根據(jù)該式可方便的計(jì)算出凝結(jié)水過冷度變化對(duì)各級(jí)回?zé)岢槠康挠绊憽?/p>

根據(jù)循環(huán)熱效率的計(jì)算式[6]

將式（9）對(duì)凝結(jié)水過冷度求偏微分得：

而機(jī)組比功率方程[6]：

將（10）式兩邊求偏微分，并整理得：

式（12）即為凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組作功影響的分計(jì)算式，根據(jù)該式可計(jì)算出凝結(jié)水過冷度變化對(duì)汽輪機(jī)組作功量的影響。

機(jī)組吸熱量方程為Q=h0+αz·rσ-，且凝結(jié)水過冷度變化不會(huì)影響機(jī)組吸熱量大小，即，因此將=0 和式（11）代入式（10）并整理得凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組循環(huán)熱效率影響的計(jì)算式：

將該機(jī)組某一工況下的熱力系統(tǒng)參數(shù)，代入上述所推導(dǎo)的定量分析式中，即可得計(jì)算凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。分別選取凝結(jié)水的過冷度為1℃，2℃，3℃，4℃和5℃時(shí)，計(jì)算了其對(duì)600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響大小，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 凝結(jié)水過冷度對(duì)600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算結(jié)果

由表1可知，當(dāng)凝結(jié)水過冷度達(dá)到5℃時(shí)，對(duì)機(jī)組相對(duì)循環(huán)效率降低0.0737%，通過計(jì)算，其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響大小是0.134 g/（kW·h），以機(jī)組年平均運(yùn)行7000 h計(jì)，一年就多耗標(biāo)煤941.4 t。因此，凝結(jié)水過冷度對(duì)大型機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性具有較大的影響，且過冷度越大，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性越差。

4 減少凝汽器過冷度對(duì)策[2，7]

凝結(jié)水過冷度威脅機(jī)組安全性和可靠性，同時(shí)也給機(jī)組經(jīng)濟(jì)性帶來一定的下降。且過冷度的存在還使凝結(jié)水溶氧量增加影響到低壓給水系統(tǒng)腐蝕。因此要從各個(gè)方面引起足夠的重視，降低凝結(jié)水過冷度，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性，主要措施有：

（1）在運(yùn)行中，要保證設(shè)備的嚴(yán)密性，防止空氣漏入。這不僅是為了維持凝汽器的高真空度，也是防止凝結(jié)水過冷產(chǎn)生的有效措施之一。

（2）運(yùn)行中嚴(yán)格控制凝汽器水位。要求運(yùn)行人員對(duì)凝汽器水位進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)視，并可裝設(shè)凝汽器水位調(diào)節(jié)器和報(bào)警裝置，防止水位過高，還可采用凝汽器低水位運(yùn)行方式以對(duì)于舊式凝汽器改造與使用。

（3）在檢修過程中檢查凝汽器內(nèi)結(jié)構(gòu)裝置，對(duì)真空系統(tǒng)跑水查漏，重點(diǎn)檢查的部位，如凝汽器喉部，低壓抽汽管路，低壓缸接合面對(duì)凝汽器水位調(diào)節(jié)器及軸封壓力調(diào)節(jié)器等。對(duì)抽真空系統(tǒng)，應(yīng)盡量保持真空泵或抽汽器的效率，以便及時(shí)抽出凝汽器內(nèi)部凝結(jié)氣體。

5 結(jié)束語

（1）從不同方面分析了凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因。以某引進(jìn)型600 MW機(jī)組為例，應(yīng)用現(xiàn)代矩陣分析方法和偏微分理論，定量分析了凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。計(jì)算結(jié)果表明，凝結(jié)水過冷度對(duì)大型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響，控制和消除凝結(jié)水過冷度，可顯著提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（2）在凝汽器的運(yùn)行監(jiān)測中，凝結(jié)水過冷度過大還會(huì)影響凝結(jié)水的含氧量，因此是一個(gè)不容忽視的問題，應(yīng)保證其盡可能的減小、控制和消除，來提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性，進(jìn)一步提高機(jī)組的效率。

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