引進(jìn)型300 MW 亞臨界機(jī)組凝汽器改造及效果分析

張建國，李明，胡幼平，陽超

(1. 大唐湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南 湘潭411102;2. 國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

火電廠凝汽器在運(yùn)行中影響著機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全穩(wěn)定性。由于早期300 MW 機(jī)組配套的凝汽器換熱管管束布置不合理，造成其換熱效率不高，而且因換熱管為銅管，經(jīng)10 年以上時(shí)間運(yùn)行后，銅管腐蝕穿孔和內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重。

進(jìn)行凝汽器改造以提高其換熱效果，選用合理的換熱管材質(zhì)和布管方式是關(guān)鍵。通過研究確定采用塔型側(cè)抽式管束布管方式加不銹鋼管的匹配方式，在傳熱學(xué)角度、力學(xué)角度和抗蝕性能等方面都具有良好的效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 改造的必要性

某電廠安裝的#1 汽輪機(jī)組為國產(chǎn)引進(jìn)型300 MW 亞臨界機(jī)組，循環(huán)水系統(tǒng)采用開式循環(huán)供水，水源為湘江水。凝汽器1998 年投產(chǎn)，型號(hào)為N -18250 -2，型式為單殼體，雙流程，表面式，布置形式為橫向布置(銅管長度方向和汽輪機(jī)組軸系方向垂直)，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

早期投產(chǎn)的凝汽器管束布置不合理，換熱效率不高。該廠#1 機(jī)凝汽器銅管運(yùn)行14 年后結(jié)垢腐蝕較為嚴(yán)重，機(jī)械清洗難以清除垢質(zhì)，年平均端差在7 ～8 ℃，冬季最大達(dá)到10 ℃以上，換熱效果差影響凝汽器真空;2008 年進(jìn)行了一次酸洗，垢質(zhì)清除效果比較明顯，但酸洗后出現(xiàn)了1 000 多根銅管泄漏，運(yùn)行2 年后銅管再次結(jié)垢，考慮到凝汽器銅管部分已發(fā)生點(diǎn)蝕穿透，如再次進(jìn)行酸洗，對已發(fā)生點(diǎn)蝕的銅管會(huì)因附著的垢質(zhì)溶解可能出現(xiàn)大面積泄漏。綜合考慮機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，很有必要對凝汽器進(jìn)行改造。

表1 凝汽器改造前主要技術(shù)參數(shù)

2 改造的性能分析

2.1 凝汽器的性能計(jì)算依據(jù)

傳熱系數(shù) KT= K0βtβmβc式中參數(shù)的確定，參照文獻(xiàn)〔1〕:K0為基本傳熱系數(shù)，W/ (m2·K)，根據(jù)冷卻管外徑和管內(nèi)平均流速查《基本傳熱系數(shù)曲線》所得;βt為冷卻水進(jìn)水溫度修正系數(shù)，根據(jù)冷卻水進(jìn)水溫度查冷卻水進(jìn)口溫度修正系數(shù)曲線所得;βm為冷卻管管材和壁厚修正系數(shù)，根據(jù)冷卻管材料和壁厚查管材和壁厚修正系數(shù)所得;βc為凝汽器清潔度系數(shù)。

2.2 改造前后管束模擬圖

繪制改造前后管束模擬圖如圖1。通過對改造前后空氣濃度流場、熱負(fù)荷、速度流場、壓力場進(jìn)行綜合模擬分析，結(jié)果顯示，在新的管束布置方式下，凝汽器蒸汽流場更均勻，凝汽器總體換熱效果可以得到較大程度的提高。

2.3 新管束排列

新管束擬采用塔型排列，這種管束排列全周進(jìn)汽，有較大的蒸汽通道和平穩(wěn)流場分布，具有汽阻小、傳熱系數(shù)高、熱負(fù)荷分布均勻、無明顯蒸汽渦流區(qū)和空氣聚集區(qū)的特點(diǎn)。新管束排列示意圖如圖2。另外蒸汽主通道通暢，流場平穩(wěn)，有利于凝結(jié)水回?zé)岷统酢＝?jīng)過正在運(yùn)行的多臺(tái)機(jī)組試驗(yàn)證明，這種管束布置方式的傳熱性能明顯優(yōu)于其他管束布置方式。

2.4 相關(guān)計(jì)算

通過計(jì)算分析，確定改造后的凝汽器主要性能參數(shù)見表2—4，表2 為技術(shù)性能指標(biāo)，表3 為主要設(shè)計(jì)材料，表4 為THA 工況熱力計(jì)算表。

表2 技術(shù)性能指標(biāo)

表3 主要設(shè)計(jì)材料表

表4 THA 工況熱力計(jì)算表

3 改造施工方案

在保留現(xiàn)有凝汽器外殼及支撐方式不變、與低壓缸的連接方式不變、保留喉部內(nèi)所有支撐件和設(shè)備的條件下，重新設(shè)計(jì)凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化管束布置方式，將冷卻管更換為TP304 不銹鋼管，冷卻管與管板間采用脹接和氬弧焊接的連接方式，將舊管板更換為復(fù)合管板，更換凝汽器內(nèi)部附件，并對水室進(jìn)行防腐處理。

1)凝汽器的加固:對與凝汽器連接的相關(guān)伸縮節(jié)用鋼板或#12 槽鋼進(jìn)行加固保護(hù)，與凝汽器殼體相連的管道、閥門進(jìn)行隔離保護(hù)。

2)拆除凝汽器弧形水室:拆除弧形水室時(shí)要對其進(jìn)行保護(hù)，并不損傷螺絲孔，保證回裝時(shí)與水室結(jié)合面的嚴(yán)密性。

3)拆除凝汽器舊冷卻管:舊冷卻管采用拔管機(jī)或人工的方法進(jìn)行拆除。

4)拆除凝汽器管板、中間隔板及附件。

5)凝汽器管板、隔板及附件安裝:隔板的管孔中心，與兩端管板相對應(yīng)的管孔中心的不同心度應(yīng)≤3 mm，中心找好后應(yīng)按規(guī)定調(diào)整各道隔板管孔中心的抬高或降低。管、隔板對底板應(yīng)保證垂直，其垂直度≤1 mm/m，兩端管板標(biāo)高應(yīng)一致，管板平面應(yīng)平行，板間距離分區(qū)多點(diǎn)檢查，其偏差均應(yīng)≤30 mm，以確保管子長度夠用。管板、隔板找正結(jié)束后要采取固定措施對管、隔板進(jìn)行固定，防止焊接時(shí)發(fā)生變形。并按不同區(qū)域分別進(jìn)行試穿冷卻管，試穿正常。

6)焊接:為了防止前后管板的焊接變形，焊接時(shí)應(yīng)采用內(nèi)外對稱、分段焊接，控制系統(tǒng)熱量的輸入量減小焊接變形。焊接首先對管板進(jìn)行焊接，汽側(cè)同種鋼材質(zhì)焊接面采用J422Φ4.0 焊條進(jìn)行打底，再用J507Φ4.0 焊條進(jìn)行蓋面;水側(cè)復(fù)合層面采用A302Φ3.2 焊條進(jìn)行焊接，焊縫厚度必須符合設(shè)計(jì)圖紙的要求。

7)新冷卻管的安裝、脹接:穿管時(shí)檢查管端，清理管口毛邊，管頭應(yīng)光潔無油垢，氧化層、塵土、蝕坑和縱向溝槽、露出金屬光澤，對管子脹接部位，確保其無油、異物及毛刺。不銹鋼管脹口應(yīng)無欠脹或過脹現(xiàn)象，脹口處管壁脹薄約5% ～10%，脹管后內(nèi)徑的合適數(shù)據(jù)Da應(yīng)為:

式中 D1為管板孔直徑;α 為擴(kuò)張系數(shù);t 為不銹鋼管壁厚。

8)不銹鋼管口焊接

不銹鋼管口的焊接應(yīng)包括清洗、擋風(fēng)、焊前檢查、外觀著色檢驗(yàn)、清理和灌水檢漏等工作。

9)凝汽器水室防腐

用壓縮空氣吹掃凝汽器水室內(nèi)的灰塵，全面清理凝汽器水室，要求水室表面潔凈、干燥、無雜物。對潔凈的水室表面均勻噴涂KHS -1 防腐膠，膠層必須均勻平整，避免流掛下墜現(xiàn)象。

4 改造后的經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 性能試驗(yàn)分析

改造后按照文獻(xiàn)〔2 -3〕#1 機(jī)組凝汽器改造后進(jìn)行性能驗(yàn)收試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 改造后性能試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較

從表5 數(shù)據(jù)分析可知，凝汽器改造后效果良好。修正到流量為設(shè)計(jì)值33 000 m3/h，進(jìn)水溫度20 ℃，清潔度系數(shù)0.85 時(shí)，在2 個(gè)300 MW 工況試驗(yàn)時(shí)凝汽器端差平均值為3.11 ℃，比設(shè)計(jì)值4.2 ℃偏低1.09 ℃，排汽壓力平均值為5.15 kPa，比設(shè)計(jì)值5.39 kPa 偏低0.24 kPa。

4.2 運(yùn)行參數(shù)直接對比分析

180 MW 工況參數(shù)對比情況表，見表6;同型號(hào)機(jī)組參數(shù)對比情況表，見表7。

表6 180 MW 工況參數(shù)對比情況

表7 同型號(hào)機(jī)組參數(shù)對比數(shù)據(jù)情況

從表6，7 改造前后對比數(shù)據(jù)分析:改造后同負(fù)荷下排汽壓力降低了0.71 kPa;凝汽器端差降低了3.71 ℃。

與同型號(hào)的#2 機(jī)組對比，#1 機(jī)組凝汽器排汽壓力、端差等指標(biāo)改造后明顯優(yōu)于#2 機(jī)組，改造后換熱效果明顯改善(忽略#2 機(jī)凝汽器老化因素)。

改造后#1 機(jī)組凝汽器能滿足各種工況需求，且未發(fā)現(xiàn)其它影響安全的問題。

5 結(jié)論

1)凝汽器改造后各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值，換熱效果改善，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性明顯提高;能滿足各種工況安全穩(wěn)定運(yùn)行;徹底杜絕因換熱管泄漏引起的水質(zhì)問題，可靠性顯著提高，間接經(jīng)濟(jì)效益明顯;改造達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2)改造施工工期為30 ～35 d，利用火電廠300 MW 機(jī)組B 級(jí)以上的檢修機(jī)會(huì)可完成。

〔1〕DL/T 932—2005 凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則〔S〕. 北京:中國電力出版社，2005.

〔2〕DL/T 1078—2007 表面式凝汽器運(yùn)行性能試驗(yàn)規(guī)程〔S〕. 北京:中國電力出版社，2007.

〔3〕JB/T 3344—1993 凝汽器性能試驗(yàn)規(guī)程〔S〕. 北京:中國機(jī)械工業(yè)出版社，1993.