600 MW超臨界機(jī)組凝汽器運(yùn)行方式優(yōu)化

余盛杰，葉文華

（廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，珠海 519070）

1 偏離雙背壓設(shè)計(jì)要求

金灣發(fā)電有限公司3、4號(hào)機(jī)組，是由上海汽輪機(jī)有限公司采用美國(guó)西屋公司技術(shù)，設(shè)計(jì)制造的N600-24.2／566／566引進(jìn)型600 MW超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)。雙背壓凝汽器由汽輪機(jī)制造廠(chǎng)家配套提供，單殼體、雙流程、表面式、橫向布置，型號(hào)為N-34000。

由于海水先流經(jīng)低壓凝汽器，待一定溫升后再流經(jīng)高壓凝汽器，所以循環(huán)水溫不同，凝汽器壓力也不同。在循環(huán)水入口側(cè)的凝汽器，由于海水溫度較低，冷卻效果好，所以凝汽器的壓力比較低；相反，在循環(huán)水出水側(cè)的凝汽器，由于海水溫度升高，冷卻效果下降，所以凝汽器的壓力較高。

在額定負(fù)荷工況時(shí)，24℃海水溫度下的高壓凝汽器背壓約為6.575 k Pa；低壓凝汽器背壓約為5.250 k Pa，壓差約為1.325 k Pa（電廠(chǎng)在南方地區(qū)）。然而，這兩臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，高低壓側(cè)凝汽器并沒(méi)有分開(kāi)運(yùn)行，而是將兩側(cè)凝汽器抽空氣聯(lián)絡(luò)閥打開(kāi)，單臺(tái)真空泵維持真空，處于單背壓運(yùn)行方式。雖然節(jié)省了1臺(tái)真空泵所消耗的廠(chǎng)用電，卻破壞了原先設(shè)計(jì)的雙背壓運(yùn)行方式。高、低壓凝汽器之間的壓力為－93 kPa，低壓缸A、B的排汽溫度為42℃。即，兩臺(tái)機(jī)組的凝汽器偏離了雙背壓設(shè)計(jì)功能。低壓凝汽器抽真空存在一定受阻現(xiàn)象，而且有傳熱惡化現(xiàn)象，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2 雙背壓凝汽器運(yùn)行分析

20世紀(jì)60年代初，美國(guó)開(kāi)始在大容量發(fā)電機(jī)組中采用多壓凝汽器，日本則在60年代中期從美國(guó)引進(jìn)這一技術(shù)，并不斷創(chuàng)新。1978年，前蘇聯(lián)在K-800-240-3型機(jī)組上采用雙背壓運(yùn)行方式。截止2002年，國(guó)外已有20%～30%的大型機(jī)組采用雙背壓凝汽器運(yùn)行。

我國(guó)600 MW機(jī)組也采用雙背壓凝汽器運(yùn)行，給電廠(chǎng)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。以600～1 000 MW機(jī)組為例，可提高電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性0.2%～0.3%。在相同凝汽器熱負(fù)荷、冷卻水溫、冷卻面積和冷卻水流量均不變時(shí)，采用雙背壓凝汽器運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）單背壓和雙背壓凝汽器平均排汽溫度的差異，引起凝汽器背壓的降低。單壓和雙壓凝汽器的平均排汽溫度之差［1］為：

式中：Δts為單背壓和雙背壓凝汽器平均排汽溫度之差；Δt為單背壓凝汽器的溫升；δt為單背壓凝汽器的端差；δt1為雙背壓凝汽器后低壓凝汽器的端差；δt2為雙背壓凝汽器后高壓凝汽器的端差。

由式（1）可見(jiàn)，當(dāng)Δts大于0時(shí)，采用雙背壓凝汽器才經(jīng)濟(jì)，而且冷卻水溫越高，獲益越大。

2）低壓側(cè)凝結(jié)水在高壓側(cè)吸收熱量，提高了混合后的凝結(jié)水溫，相應(yīng)使得最后一級(jí)加熱器的抽汽量減少，汽輪機(jī)排汽增大，做功能力提高。

據(jù)文獻(xiàn)［1］介紹：對(duì)單背壓凝汽器和雙背壓凝汽器的傳熱工況進(jìn)行了研究，認(rèn)為在循環(huán)冷卻水溫較高的工況下，多壓凝汽器的熱經(jīng)濟(jì)性較好；當(dāng)循環(huán)冷卻水溫低于一定程度時(shí)，多壓凝汽器的熱經(jīng)濟(jì)性比單壓凝汽器還要差。多壓凝汽器對(duì)于南方氣溫比較高（特別是夏天）的地區(qū)（冷卻水溫度高）經(jīng)濟(jì)效益比較好。其中的推導(dǎo)計(jì)算式為：

式中：Δts為雙背壓凝汽器的平均蒸汽凝結(jié)溫度低于單背壓凝汽器蒸汽凝結(jié)溫度的度數(shù)；Δt為循環(huán)水的溫升；δt為凝汽器端差；R為自定義的量，它和循環(huán)水溫升、凝汽器端差有關(guān)。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化式（2），令

由式（2）可以看出，簡(jiǎn)化后的自定義量R和循環(huán)水溫升、凝汽器端差兩個(gè)量有關(guān)。端差δt變大，R值跟隨變小，Y值增大較快；Δt增大時(shí)，R增大，Y值減小較快。在最理想的狀態(tài)下δt＝0，此時(shí)R＝1，所以R值永遠(yuǎn)小于1。

由式（3）可以看出，當(dāng)循環(huán)水入口溫度較低時(shí)，δt增大，R減小，Y增大，式（3）中的δt和（0.5Δt）Y雖然都增大，但δt－（0.5Δt）Y將減小，使得Δts變小。當(dāng)循環(huán)水溫度下降到一定程度時(shí)，Δts為負(fù)值，此時(shí)雙背壓凝汽器的經(jīng)濟(jì)性比單背壓凝汽器的還要差。相反，在南方的電廠(chǎng)，由于循環(huán)水入口溫度較高，雙背壓凝汽器的經(jīng)濟(jì)性就能較充分的體現(xiàn)出來(lái)。

基于以上分析，在每年的3～12月份，3、4號(hào)汽輪機(jī)關(guān)閉凝汽器抽空氣聯(lián)絡(luò)閥，凝汽器采用雙背壓運(yùn)行方式，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性；在1～2月份，由于天氣寒冷，海水溫度較低，則開(kāi)啟凝汽器抽空氣聯(lián)絡(luò)閥，凝汽采用單背壓運(yùn)行方式，用以降低低壓缸差脹，同樣提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

3 優(yōu)化凝汽器運(yùn)行方式

3.1 凝汽器雙背壓運(yùn)行方案分析

依據(jù)3、4號(hào)汽輪機(jī)組凝汽器的設(shè)計(jì)參數(shù)：循環(huán)水溫升Δt＝8.7℃、高壓凝汽器端差δt2為5.4℃，低壓凝汽器端差δt1為5.16℃。利用式（1）算得Δts＝0.53℃。即，在設(shè)計(jì)參數(shù)下，雙背壓運(yùn)行時(shí)的蒸汽冷凝溫度比單背壓運(yùn)行時(shí)低0.53℃。雙背壓的終參數(shù)要比單背壓運(yùn)行時(shí)低。假設(shè)端差δt＝5.2℃不變，循環(huán)水溫升Δt變化，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 循環(huán)水溫升Δt與Δt s的變化關(guān)系 ℃

由表1可見(jiàn)，凝汽器鈦管越臟，循環(huán)水溫升Δt越大，則Δts值越大，雙背壓運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性越好。

將4號(hào)機(jī)組2011年8月26日10：00的凝汽器運(yùn)行參數(shù)，代入上述公式進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷為600 MW、循環(huán)水入口水溫為28℃、循環(huán)水出口溫度為37℃、循環(huán)水溫升Δt＝9℃、凝汽器端差δt＝5.3℃、低壓缸排氣溫度為42℃。依據(jù)式（1）計(jì)算，得Δts＝0.545℃。就是說(shuō)，雙背壓運(yùn)行時(shí)會(huì)比單背壓運(yùn)行時(shí)蒸汽的平均凝結(jié)溫度低0.545℃，而當(dāng)循環(huán)水入口水溫低于17℃、循環(huán)水出口溫度為26℃、凝汽器端差為5℃時(shí)，雙背壓運(yùn)行的凝汽器經(jīng)濟(jì)性比單背壓要低。

3.2 采用雙背壓運(yùn)行的實(shí)施效果

基于上述理論計(jì)算與分析，在機(jī)組帶額定負(fù)荷下，通過(guò)啟動(dòng)C真空泵，然后關(guān)閉凝汽器抽空氣聯(lián)絡(luò)閥，對(duì)4號(hào)機(jī)組凝汽器進(jìn)行雙背壓運(yùn)行工況試驗(yàn)。3、4號(hào)機(jī)組凝汽器抽真空系統(tǒng)管路連接圖，如圖1所示。

圖1 抽真空系統(tǒng)管路連接圖

由圖1可見(jiàn)，只要A、B凝汽器各啟動(dòng)1臺(tái)真空泵，關(guān)閉凝汽器抽空氣聯(lián)絡(luò)閥，即可實(shí)現(xiàn)凝汽器雙背壓運(yùn)行。雙背壓運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 雙背壓運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可以看出，在機(jī)組負(fù)荷（612 MW）保持不變的狀況下，凝汽器切至雙背壓運(yùn)行方式，低壓凝汽器的真空上升了1.35 k Pa；凝汽器真空比單背壓運(yùn)行時(shí)總體提高0.7 kPa，排汽溫度總體下降了1.25℃，表明低壓凝汽器的傳熱狀況得到一定的改善。高壓、低壓凝汽器的壓差約為1.08 k Pa，恢復(fù)了正常的壓差，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有了顯著的提高。例如：2012年3月15日09：31：12，機(jī)組負(fù)荷為604 MW，凝汽器A真空為－96 k Pa，凝汽器B真空為－97 k Pa，單背壓凝汽真空為185 k Pa，雙背壓凝汽真空為158 kPa。由單背壓切至雙背壓凝汽真空變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 單背壓切至雙背壓真空變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）金灣發(fā)電有限公司3、4號(hào)機(jī)組，在每年1～2月份海水溫度低于17℃時(shí)，執(zhí)行凝汽器單背壓運(yùn)行方案，避免低壓缸排汽溫度過(guò)低，既保證了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，又有利于降低低壓缸差脹，確保機(jī)組安全運(yùn)行。

2）在每年3～12月份海水溫度較高時(shí)，執(zhí)行凝汽器的雙背壓運(yùn)行方式，機(jī)組有顯著的節(jié)能效果。根據(jù)《火力發(fā)電廠(chǎng)節(jié)能和指標(biāo)管理技術(shù)》統(tǒng)計(jì)分析，600 MW超臨界機(jī)組凝汽器真空每提高1 kPa，汽機(jī)熱耗下降1.05%（或排汽溫度變化1℃影響煤耗變化1.1 g／k Wh）。凝汽器轉(zhuǎn)為雙背壓方式運(yùn)行真空提高0.7 k Pa，可推算出機(jī)組供電煤耗降低1.3 g／k Wh。以2臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組年供電量70億k Wh計(jì)算，1年可節(jié)省標(biāo)煤9 800 t，按850元／t計(jì)算，可節(jié)省成本830萬(wàn)元（已剔除增加1臺(tái)真空泵運(yùn)行的廠(chǎng)用電成本），經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，同時(shí)還可減少二氧化硫等污染物排放的社會(huì)效益。

［1］ 胡洪華，居文平，黃廷輝.大型電站雙背壓凝汽器優(yōu)化運(yùn)行的研究和實(shí)踐［J］.熱力發(fā)電，2003，（3）：8-11.