百萬千瓦火電新型凝汽器研發(fā)

1 緒論

凝汽器作為汽輪機(jī)組必不可少的重要輔機(jī)，其性能的優(yōu)劣將直接影響到電廠的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性。隨著國(guó)內(nèi)火電機(jī)組的大型化，對(duì)凝汽器的設(shè)計(jì)技術(shù)也提出了更高的要求。

上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠原采用的百萬千瓦等級(jí)火電機(jī)組凝汽器技術(shù)來源于西門子公司，但是在使用時(shí)會(huì)受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的約束，特別是出口項(xiàng)目，會(huì)使我公司的凝汽器產(chǎn)品在對(duì)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于不利的地位。

為了做強(qiáng)做精核心產(chǎn)品、提升設(shè)計(jì)技術(shù)水平、降本增效，自行研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的百萬等級(jí)火電機(jī)組新型凝汽器成為迫切需要。

2 凝汽器的功能

從傳熱學(xué)觀點(diǎn)上來看，凝汽器是一種熱交換設(shè)備，它采用水或空氣作為冷卻介質(zhì)，將汽輪機(jī)排汽凝結(jié)成水并帶走蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量。從熱力學(xué)觀點(diǎn)上來看，凝汽器在蒸汽動(dòng)力裝置的熱力循環(huán)過程中起著冷源的作用。凝汽器的基本任務(wù)有兩點(diǎn)：

（1）在汽輪機(jī)的排汽部分建立較低背壓環(huán)境，使蒸汽能夠最大限度地做功，以提高汽輪機(jī)的效率。

（2）將凝汽器凝結(jié)所產(chǎn)生高品質(zhì)的凝結(jié)水提供給鍋爐，形成水系統(tǒng)的封閉循環(huán)，提高水的利用效率。

對(duì)于大型凝汽器，除了凝結(jié)主汽輪機(jī)的排汽以外，還要凝結(jié)給水泵驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的排汽和汽輪機(jī)的旁路排汽，并對(duì)進(jìn)入凝汽器的各種疏水和補(bǔ)水進(jìn)行減溫減壓或加熱除氧。為提高整個(gè)裝置的效率，對(duì)凝汽器提出了更高的要求：

（1）凝汽器應(yīng)具有較高的傳熱系數(shù)。當(dāng)凝汽器的傳熱系數(shù)較高時(shí)，其傳熱效果也就越好，這樣就能夠產(chǎn)生較低的運(yùn)行背壓，提高汽輪機(jī)裝置的熱效率。

當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度保持不變的條件下，通過提高凝汽器的傳熱系數(shù)使得汽輪機(jī)背壓降低1kPa，則汽輪機(jī)的效率提高1%～2%，這對(duì)于大型電站系統(tǒng)來說是一個(gè)相當(dāng)可觀的數(shù)值。

（2）凝汽器對(duì)凝結(jié)水應(yīng)具有良好的回?zé)嶙饔?。良好的回?zé)嵝阅芸梢允鼓Y(jié)水出口溫度tc盡可能不低于凝汽器壓力Pc對(duì)應(yīng)的飽和溫度ts，以減少汽輪機(jī)回?zé)岢槠?，降低熱耗。定義δtc= ts-tc為凝結(jié)水過冷度，則過冷度越低，熱耗也越低。

在朗肯循環(huán)中，凝結(jié)水過冷度每增加1℃，大約要增加0.5%的熱耗。另外，由于凝結(jié)水的過冷，其中的含氧量也會(huì)加大。對(duì)于大型凝汽器，凝結(jié)水過冷度一般不超過1°C。

（3）蒸汽在凝汽器冷卻管之間的流動(dòng)阻力(汽阻)要小，以降低汽輪機(jī)排汽口的壓力和減小凝結(jié)水過冷度。

（4）冷卻水在凝汽器中的流動(dòng)阻力要小，以降低循環(huán)水泵的耗功。

（5）凝汽器應(yīng)具有良好的除氧能力，以防止凝結(jié)水管道和設(shè)備腐蝕。

（6）凝汽器應(yīng)具有較大的穩(wěn)定工作范圍，以適應(yīng)汽輪機(jī)的變工況要求。

（7）提高真空系統(tǒng)的氣密性，減少空氣漏入量，保證凝汽器的傳熱性能。

（8）凝汽器的總體結(jié)構(gòu)和布置方式應(yīng)便于制造、安裝和維修。

3 凝汽器主要技術(shù)參數(shù)

江蘇某1000MW超超臨界火電機(jī)組凝汽器主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

5 清潔系數(shù) 0.85 6 凝結(jié)水過冷度 ℃ ≤ 0.5 7 凝汽器設(shè)計(jì)端差 ℃ 6.033/5.712 8 水室設(shè)計(jì)壓力 MPa 0.6 9 管子總水阻 kPa ≤ 69.5 11 凝汽器凈重 kg 1200000 12 凝汽器運(yùn)行重量 kg 2650000

4 、百萬火電新型凝汽器研發(fā)

百萬火電凝汽器見圖1。

圖1 凝汽器外形

該百萬千瓦機(jī)組凝汽器型式為雙背壓、雙殼體、表面型、殼體和水室為全焊接結(jié)構(gòu)。凝汽器主要由殼體、接頸、水室等部件組成。循環(huán)水流程見圖2，循環(huán)水先流入第一個(gè)殼體(低背壓凝汽器)，然后經(jīng)第二個(gè)殼體流出（高背壓凝汽器）。

圖2 循環(huán)水流程

4.1 新型管束

凝汽器管束是凝汽器的重要組成部分，是核心的換熱部件。合理的管束布置一般應(yīng)遵循以下原則：

（1）在管束之間和管束與殼體壁之間應(yīng)設(shè)置一定寬度的蒸汽通道，使蒸汽自由地流向管束的各個(gè)部分而使熱負(fù)荷均勻；

（2）管束外圍幾排管子應(yīng)適當(dāng)排列，以便有足夠的通流面積，必要時(shí)布置汽流小通道，使進(jìn)入管束的蒸汽速度不超過50m/s；

（3）蒸汽-空氣混合物向抽氣口流動(dòng)時(shí)，其路徑要短而直，以降低汽阻；

（4）為了更有效地冷卻被抽出的空氣和殘余的未凝結(jié)蒸汽，以減小抽氣設(shè)備的負(fù)荷，必須劃分出部分冷卻管作為獨(dú)立的空氣冷卻區(qū)。為了提高空氣冷卻區(qū)的傳熱效果，汽-氣混合物應(yīng)有較高的流速，但不宜超過50m/s；

（5）為了減少凝結(jié)水的過冷度和含氧量，空氣冷卻區(qū)的布置應(yīng)盡量使主凝結(jié)區(qū)落下的凝結(jié)水不與空氣含量高的汽-氣混合物相接觸，并有適量的蒸汽流向管束下部回?zé)崮Y(jié)水；

（6）在主凝結(jié)區(qū)內(nèi)盡量不設(shè)擋板，以避免汽流的紊亂；如設(shè)置擋板，應(yīng)考慮汽流規(guī)律，擋板要少而精。

出于對(duì)百萬千瓦火電機(jī)組汽機(jī)房整體布局考慮，凝汽器總體外形設(shè)計(jì)方案已經(jīng)定型，采用新的管束型式，外圍邊界條件不可以進(jìn)行調(diào)整。相應(yīng)布置管束的殼側(cè)汽空間尺寸保持不變，只能在現(xiàn)有的空間里布置新的管束。

此次管束的研發(fā)根據(jù)典型百萬千瓦等級(jí)凝汽器的邊界條件進(jìn)行的。在分析各流派管束優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定新型管束的布置型式。通過計(jì)算機(jī)軟件的模擬仿真，對(duì)凝汽器殼側(cè)分析截面上的流場(chǎng)情況做出定性和定量的分析，包括速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、空氣濃度、換熱系數(shù)等進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，計(jì)算結(jié)果以彩色矢量圖和云圖的方式直觀地表達(dá)出來。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，判斷管束內(nèi)部空氣是否出現(xiàn)淤積，通過改變空冷區(qū)的位置，或開蒸汽通道將空氣導(dǎo)入空冷區(qū)等方法改變網(wǎng)格單元，監(jiān)測(cè)對(duì)整個(gè)管束的傳熱系數(shù)的影響，再重新進(jìn)行分析，直到得到理想的仿真結(jié)果為止。

4.2 殼體模塊

凝汽器殼體長(zhǎng)期處在真空下工作，為了保證穩(wěn)定性和剛度，殼體必須進(jìn)行足夠的加強(qiáng)。凝汽器殼體采用支撐管加強(qiáng)，隔板通過支撐管與殼體連接，沿冷卻管長(zhǎng)度方向采用許多鋼管和圓鋼焊接在前后水室腔體上，加上管束和空冷區(qū)包殼等部件，使殼體組成一個(gè)整體鋼性結(jié)構(gòu)。此外，該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性還能夠保證凝汽器的對(duì)半模塊式運(yùn)輸。

殼體模塊的研發(fā)通過運(yùn)用Ansys有限元分析方法對(duì)采用新管束布置的殼體模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布的分析。主要分析新管束布置的殼體模塊(四管束)在自重載荷作用下的應(yīng)力、變形分布。

殼體模塊體分析采用有限元計(jì)算軟件Ansys進(jìn)行，軟件版本為10.0。由凝汽器結(jié)構(gòu)可知凝汽器殼側(cè)主要有殼體、管板、管束和隔板等組件。考慮到該結(jié)構(gòu)形式左右對(duì)稱且僅受自重載荷，實(shí)際分析中處于提高計(jì)算效率考慮，取結(jié)構(gòu)的一半作為計(jì)算模型。新管束布置的殼側(cè)有限元模型見圖3。

圖3 有限元?dú)んw模型

結(jié)構(gòu)殼體、底板、管板和隔板屬于薄板結(jié)構(gòu)，用shell63彈性殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。凝汽器換熱管數(shù)多達(dá)上萬根，整個(gè)管束的軸向剛度較大所以用MPC184剛性梁?jiǎn)卧M管束。整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分64889個(gè)單元、66884個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4 殼體網(wǎng)格

整個(gè)計(jì)算結(jié)構(gòu)受自重載荷作用，管束總重53.5×4t ，結(jié)構(gòu)對(duì)稱邊界施加對(duì)稱位移約束、底板兩邊施加軸向位移約束。新管束布置的殼體模塊（四管束）計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 殼體豎向位移

圖6 殼體應(yīng)力

圖7 殼體底板豎向位移

圖8 殼體底板應(yīng)力

根據(jù)以上新管束殼體模塊布管方案在自重載荷下的分析計(jì)算可見：新方案經(jīng)布管結(jié)構(gòu)調(diào)整殼體中心豎向位移較小，底板最大應(yīng)力較低。通過分析證明新管束殼體在結(jié)構(gòu)受力平均分配上更合理，有一定的優(yōu)化改進(jìn)。

4.3 管、隔板排列形式優(yōu)化

凝汽器殼體的一個(gè)重要組成部分是凝汽器的冷卻管。循環(huán)水在冷卻管中流動(dòng)，與蒸汽進(jìn)行熱交換，從而帶走蒸汽的熱量，使蒸汽凝結(jié)成水。如果凝結(jié)水不能及時(shí)從管子上流下，則很容易在冷卻管上形成水膜，導(dǎo)致?lián)Q熱熱阻增大，降低換熱效率。為了防止冷卻管上水膜集聚，將冷卻管按一定角度傾斜布置。管、隔板在垂直方向逐塊抬高，安裝時(shí)冷卻管與管、隔板成一定的傾角，見圖9。這種布置方式更有利于管、隔板在車間部件的加工以及殼體在現(xiàn)場(chǎng)的安裝。

圖9 管隔板排列形式

4.4 接頸模塊（圖10）

百萬千瓦火電機(jī)組凝汽器的喉部高度約為5m左右，在凝汽器接頸上需布置內(nèi)置式低壓加熱器、給水泵汽輪機(jī)排汽接口、低壓加熱器用抽汽管道、低壓旁路排汽接收用減溫減壓裝置，這些部件增加了接頸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。

圖10 十字交叉型接頸立體

考慮到凝汽器運(yùn)行狀況，經(jīng)分析接頸采用十字交叉的布置型式，鋼管垂直支撐加強(qiáng)，并通過連接板來實(shí)現(xiàn)支撐管之間的連接和支撐管與側(cè)板的連接。此種支撐型式不僅有利于力的傳遞，還便于安裝以及管道布置。

同時(shí)采用有限元方法計(jì)算凝汽器接頸及支撐桿系在外壓及低壓缸載荷作用下的應(yīng)力分布，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)定，保證結(jié)構(gòu)安全。凝汽器接頸側(cè)板為薄壁結(jié)構(gòu)，在外壓和低壓缸重力作用下，主要失效模式表現(xiàn)為屈曲失穩(wěn)破壞。接頸中分布的支撐桿系作用為加強(qiáng)接頸剛性，提高抗失穩(wěn)能力。分析目的定為獲得支撐桿系在載荷綜合作用下的軸力，再進(jìn)行穩(wěn)定性校核。計(jì)算結(jié)果見圖11、12。

圖11 薄膜應(yīng)力

圖12 薄膜加彎曲應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明：接頸支撐管系在外壓及低壓缸載荷共同作用下通過了軸向失穩(wěn)校核，且側(cè)板薄膜加彎曲應(yīng)力符合強(qiáng)度評(píng)定要求，保證了結(jié)構(gòu)剛性，結(jié)構(gòu)安全。

4.5 水室模塊

原有的水室法蘭與殼體法蘭采用平墊片密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是水室設(shè)計(jì)壓力最高約0.4MPa。無法滿足國(guó)內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)采用二次循環(huán)機(jī)組時(shí)的設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)壓力0.6MPa）。

凝汽器水室采用圓弧形，見圖13。這種結(jié)構(gòu)使得水室在使用相同材料厚度及相同材質(zhì)的情況下具有更好的強(qiáng)度和剛度，能承受更大的內(nèi)外壓差。圓弧形結(jié)構(gòu)不但承壓能力好，而且還使水室更具美觀性和流線性，能最大限度消除水室內(nèi)部死角的存在，防止膠球聚集，并具有良好的流動(dòng)性，使到達(dá)管板面上的冷卻水分布均勻，從而更有效的提高凝汽器傳熱效果。

圖13 水室與水室腔體

同時(shí)將已經(jīng)在600MW凝汽器上成功使用的水室法蘭與管板連接技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于1000MW等級(jí)凝汽器的水室與室體法蘭連接，可將水室設(shè)計(jì)壓力提升至國(guó)內(nèi)二次循環(huán)機(jī)組普遍適用的0.6MPa。

4.6 低壓旁路接收裝置

原有的引進(jìn)技術(shù)低壓旁路排汽采用一級(jí)減壓擴(kuò)容裝置接收，只能接收較低參數(shù)的低壓旁路蒸汽。該技術(shù)明顯不適用國(guó)內(nèi)常規(guī)火電機(jī)組系統(tǒng)采用的較高參數(shù)的低壓旁路方案。

采用如圖14所示新設(shè)計(jì)的三級(jí)減溫減壓裝置接收旁路蒸汽，此裝置體積小，效率高，有利設(shè)備的布置，且能接收較高參數(shù)的旁路蒸汽。

圖14 三級(jí)減溫減壓裝置

4.7 疏水接收裝置研發(fā)

凝汽器還要接收來自給水加熱器逐級(jí)回流的疏水、給水補(bǔ)充水及雜項(xiàng)疏水等。給水補(bǔ)充水經(jīng)過設(shè)在接頸內(nèi)的噴水管從眾多的小孔噴入凝汽器內(nèi)，以達(dá)到良好的除氧效果。為確保其他疏水安全進(jìn)入凝汽器，防止事故發(fā)生，設(shè)置了兩個(gè)外置式疏水?dāng)U容器。疏水?dāng)U容器具體型式見圖15。

圖15 外置式疏水?dāng)U容器

5 結(jié)語

通過此次百萬千瓦等級(jí)火電機(jī)組新型凝汽器的研發(fā)，不僅開拓創(chuàng)新、提升了我公司自身的技術(shù)水平，而且一舉擺脫了國(guó)外技術(shù)束縛，有利于我公司在電站設(shè)備行業(yè)新一輪競(jìng)爭(zhēng)中保持市場(chǎng)領(lǐng)先地位。