汽輪機(jī)組低真空改造原理及凝汽器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭殿鋒

（哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱150090）

汽輪機(jī)組低真空改造原理及凝汽器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭殿鋒

（哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司，哈爾濱150090）

文中說(shuō)明了未來(lái)一些地區(qū)機(jī)組低真空改造的必要性，通過(guò)對(duì)大連泰山電廠低真空改造凝汽器優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析和實(shí)際應(yīng)用，提出了低真空改造對(duì)凝汽器的要求和需改造的部件，以及需注意的方面，涵蓋了設(shè)計(jì)到運(yùn)行方面的要求，為今后電廠的低真空改造提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考。

低真空；改造；凝汽器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程加快，農(nóng)村勞動(dòng)力向城市集中，城區(qū)面積逐年變大，城市供暖要求也逐漸變大。但受地理?xiàng)l件制約以及政府整體規(guī)劃要求，并不能在所有需要供暖的地方建設(shè)新的供熱電廠，而原有電廠的供暖能力還不足，所以在原有機(jī)組上進(jìn)行改造，余熱再利用，增加機(jī)組效率，增大供暖面積就成了當(dāng)下一些電廠勢(shì)在必行的改造方案［1］。

以大連泰山電廠為例，該電廠的135MW機(jī)組是由哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超高壓、一次中間再熱、雙缸、單軸、雙分流、雙抽、凝汽式汽輪機(jī)，凝汽器設(shè)計(jì)背壓4.9 kPa。電廠熱效率僅為38%左右，近60%的熱量白白的損失掉，其中最大損失為凝汽器的冷源損失，約占總損失的60%。為了充分利用這部分冷源損失，改造后，在供暖期通過(guò)低真空運(yùn)行將供熱系統(tǒng)的熱網(wǎng)循環(huán)水引入凝汽器作為冷卻循環(huán)水，提高汽輪機(jī)的排汽壓力，降低凝汽器的真空度，增加排汽溫度，利用排汽的汽化潛熱加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，這樣不僅提高熱網(wǎng)循環(huán)水水溫，還提高了整機(jī)的熱效率。該機(jī)組改造過(guò)程中核心的改造部件之一為凝汽器，因?yàn)楦脑烨昂髾C(jī)組運(yùn)行條件變化非常大，對(duì)于凝汽器的換熱及強(qiáng)度方面要求的都非常高，這里著重對(duì)該電廠135MW機(jī)組的低真空改造的凝汽器改造方案做一下詳細(xì)介紹。

1 汽輪機(jī)組低真空改造原理

1）原機(jī)組運(yùn)行方式。主要是純凝工況和抽汽供暖工況運(yùn)行，純凝時(shí)循環(huán)水系統(tǒng)和熱網(wǎng)系統(tǒng)自成一體，運(yùn)行示意圖見(jiàn)圖1。

純凝運(yùn)行時(shí)關(guān)斷閥12關(guān)閉，鍋爐加熱的蒸汽依次進(jìn)入高壓缸、中壓缸、低壓缸，低壓轉(zhuǎn)子拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做完功的蒸汽進(jìn)入凝汽器，蒸汽被凝結(jié)后通過(guò)低加、除氧器、高加加熱后再回到鍋爐，形成一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)。此時(shí)凝汽器所用冷卻介質(zhì)一般為系統(tǒng)外冷卻水；當(dāng)機(jī)組在冬季需要供暖時(shí)，關(guān)斷閥12打開(kāi)，一部分蒸汽通過(guò)熱網(wǎng)加熱器加熱供暖水，供暖水經(jīng)過(guò)泵進(jìn)入到千家萬(wàn)戶，供暖后冷卻下來(lái)的水再回到熱網(wǎng)加熱器被加熱，以此循環(huán)運(yùn)行。

2）機(jī)組改造內(nèi)容。機(jī)組對(duì)低壓通流部分進(jìn)行改造，保證機(jī)組背壓提高，排汽溫度提高到75～80℃，滿足機(jī)組背壓提高的安全性；對(duì)凝汽器重新進(jìn)行計(jì)算和改造，滿足凝汽器溫度升高和水室壓力增大的安全性；對(duì)熱網(wǎng)一次網(wǎng)回水管路、熱網(wǎng)泵和加熱器進(jìn)行核算改造，將熱網(wǎng)一次網(wǎng)回水引入凝汽器水側(cè)，用于吸收汽輪機(jī)乏汽熱量，提高一次網(wǎng)供水溫度，然后串聯(lián)到一次網(wǎng)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)行二次加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱。

圖1 機(jī)組改造前運(yùn)行示意圖

3）機(jī)組改造后的運(yùn)行方式。在采暖供熱期間低真空循環(huán)水供熱工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組純凝工況下所需要的冷水塔及循環(huán)水泵退出運(yùn)行，將凝汽器的循環(huán)水系統(tǒng)切換至熱網(wǎng)循環(huán)泵建立起來(lái)的熱水管網(wǎng)循環(huán)水回路，形成新的熱交換系統(tǒng)。循環(huán)水回路切換完成后，進(jìn)入凝汽器的水流量降至6 000～9 000 t/h，凝汽器背壓由5～7 kPa左右升至30～45 kPa，低壓缸排汽溫度由30～40℃升至69～78℃（背壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度）。經(jīng)過(guò)凝汽器的第一次加熱，熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度由50℃提升至66～75℃（凝汽器端差3℃），然后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后送入首站熱網(wǎng)加熱器，將熱網(wǎng)供水溫度進(jìn)一步加熱后供向一次熱網(wǎng)，見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)組改造后運(yùn)行示意圖

機(jī)組在純凝工況運(yùn)行時(shí)，退出熱網(wǎng)循環(huán)泵及熱網(wǎng)加熱器運(yùn)行，恢復(fù)原循環(huán)水泵及冷卻塔運(yùn)行，凝汽器背壓恢復(fù)至5～7 kPa。

2 低真空改造后對(duì)凝汽器的影響

低真空供熱改造后，排汽壓力、溫度均相應(yīng)升高，凝汽器殼體及換熱管膨脹量均有較大變化，并且管束內(nèi)部循環(huán)水壓力、溫度都有較大提高，對(duì)于凝汽器管束的脹口強(qiáng)度、運(yùn)行壽命等都有很大影響。

3 低真空改造后對(duì)凝汽器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）改造后對(duì)凝氣面積的優(yōu)化設(shè)計(jì)。改造后循環(huán)水溫、水量都發(fā)生變化，凝汽器面積要求重新核算，一般情況凝汽器面積都會(huì)增加，如果增加則需要對(duì)凝汽器內(nèi)部管束進(jìn)行更換或增加管子，以保證凝汽器面積［2］。

2）運(yùn)行溫度高對(duì)凝汽器強(qiáng)度方面的影響和改進(jìn)：改造后循環(huán)水溫度升高，由于換熱管與凝汽器殼體材質(zhì)不同，因此受熱膨脹影響也不同，此時(shí)應(yīng)該重新?lián)Q熱管和凝汽器殼體的熱膨脹量，尤其換熱管是銅管的凝汽器受熱膨脹影響更大，容易產(chǎn)生換熱管和管板之間的開(kāi)焊，導(dǎo)致泄漏，應(yīng)將銅管換成不銹鋼管，同時(shí)在凝汽器的膨脹方向上設(shè)置膨脹節(jié)。另外，由于溫度高，垂直方向上的熱膨脹量也增大，如果原機(jī)組為彈性支撐，則熱膨脹所產(chǎn)生的力將作用在低壓缸的底座上，有將低壓缸頂起的趨勢(shì)，存在安全隱患，因此彈性支撐的膨脹節(jié)應(yīng)改成剛性支撐（大連泰山電廠改造時(shí)在凝汽器后水室側(cè)設(shè)置了膨脹節(jié)，同時(shí)將彈性支撐改成剛性支撐，凝汽器上部與低壓缸連接部位改成膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3）。

圖3 凝汽器優(yōu)化設(shè)計(jì)改動(dòng)部分

3）低真空供暖期熱網(wǎng)水量小對(duì)凝汽器的影響和改進(jìn)。改造后循環(huán)水由冷卻塔冷卻改成熱網(wǎng)水冷卻，此時(shí)水量相當(dāng)于正常THA工況運(yùn)行時(shí)的50%，此時(shí)凝汽器內(nèi)水速降低，以大連泰山電廠為例，改造前純凝工況循環(huán)水量大約18 000 t/h，設(shè)計(jì)水速2.1 m/s，改造后供暖期循環(huán)水量7 600 t/h，此時(shí)水速只有0.9 m/s（見(jiàn)圖4），如果循環(huán)水混濁，混濁物容易在凝汽器換熱管內(nèi)壁堆積，降低凝汽器換熱效果，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉其中一側(cè)循環(huán)水閥門(mén)，使凝汽器半側(cè)運(yùn)行的方式，此時(shí)凝汽器管內(nèi)流速大約1.8 m/s（見(jiàn)圖5），滿足運(yùn)行要求［3］。

圖4 改造前凝汽器冷卻水速與水量關(guān)系圖

圖5 凝汽器半側(cè)運(yùn)行冷卻水速與水量關(guān)系

4 結(jié)論

機(jī)組的低真空改造對(duì)于電企以及政府的規(guī)劃有著重要意義，適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能高效的企業(yè)發(fā)展要求，解決了許多電廠面臨的實(shí)際問(wèn)題。電廠前期需對(duì)周邊的熱用戶發(fā)展情況做充分調(diào)研，結(jié)合企業(yè)自身的機(jī)型特點(diǎn)，制定適應(yīng)合理的改造方案非常重要。這其中凝汽器的改造更要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行需要，載荷變化、溫度變化、壓力變化、介質(zhì)變化等等，要做詳細(xì)設(shè)計(jì)和改造方案，才能保證改造后的機(jī)組高效穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 李勤道，劉志真.熱力發(fā)電廠熱經(jīng)濟(jì)性計(jì)算分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［2］ 中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì).火力發(fā)電設(shè)備技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［3］ 史月濤，丁興武，蓋永光.汽輪機(jī)設(shè)備與運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

（編輯：立 明）

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1002－2333（2014）04－0264－02

鄭殿鋒（1979—），男，工程師，主要從事汽輪機(jī)輔機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)工作。

2014-02-13