雙流程凝汽器增設(shè)中間水溫測點(diǎn)的實踐

吳欣，朱德明，吳寧

(1.華電滕州新源熱電有限公司，山東 滕州 277500； 2.棗莊電力公司，山東 棗莊 277102)

1 設(shè)備概況

華電滕州新源熱電有限公司二期機(jī)組汽輪機(jī)型號為C312/305-16.67/0.5/538/538，機(jī)組最大出力可達(dá)343 MW；凝汽器為N-18150型單背壓、單殼體、對分雙流程、表面式凝汽器，管束布置形式為卵式，選用管材為TP316L，冷卻管尺寸為?25 mm×0.5 mm/?25mm×0.7 mm(主冷區(qū)/頂部及空冷區(qū))；額定冷卻水量為39 920 t/h，設(shè)計工作水溫為20 ℃，最高工作水溫為33 ℃；配套循環(huán)水泵采用雙速電機(jī)，根據(jù)環(huán)境溫度及機(jī)組負(fù)荷，可采用雙循環(huán)水泵高速并列運(yùn)行、循環(huán)水泵一高速一低速并列運(yùn)行、雙循環(huán)水泵低速并列運(yùn)行、單循環(huán)水泵高速運(yùn)行、單循環(huán)水泵低速運(yùn)行共5種運(yùn)行方式來調(diào)節(jié)冷卻水水量。

自2006年該機(jī)組投產(chǎn)以來，為了提高冷端系統(tǒng)的效果及機(jī)組的真空度，華電滕州新源熱電有限公司先后進(jìn)行了增設(shè)真空泵工作水冷凍裝置、循環(huán)水泵增容改造、利用停機(jī)機(jī)會對凝汽器進(jìn)行注水查漏、對凝汽器進(jìn)行高壓水沖洗等工作，機(jī)組的真空度有所好轉(zhuǎn)，但冷端系統(tǒng)仍存在以下問題：

(1)凝汽器進(jìn)水溫度低于15 ℃時，會出現(xiàn)進(jìn)回水溫差高于13 ℃的情況，增開循環(huán)水泵提高冷卻水量，真空度提高有限，端差明顯加大；

(2)凝汽器進(jìn)水溫度高于30 ℃時，采用雙循環(huán)水泵高速并列運(yùn)行方式，機(jī)組負(fù)荷低于240 MW時，端差接近8 ℃，溫升低于8 ℃；

(3)按照現(xiàn)代凝汽器的理論，過冷度應(yīng)為0 ℃，但該凝汽器平均過冷度長期為1.5～2.0 ℃，即使在夏季冷卻水進(jìn)水溫度高達(dá)33 ℃時，機(jī)組帶滿負(fù)荷，過冷度仍在1.2 ℃左右；

(4)凝汽器端差偏高，機(jī)組負(fù)荷低于70%額定負(fù)荷時尤為明顯。

2 測點(diǎn)裝設(shè)的必要性

考慮到城市水資源日益緊張的現(xiàn)狀，該期機(jī)組建設(shè)時，循環(huán)水補(bǔ)水設(shè)計為城市生活廢水及工業(yè)廢水處理后的中水。2009年年底，2臺機(jī)組的循環(huán)水補(bǔ)水中開始添加城市中水，目前采用城市中水與地表水混用的方式，中水與地表水的水量比例為1∶4。

在中水添加后，加強(qiáng)了對凝汽器停機(jī)后的清洗工作，防止結(jié)垢。運(yùn)行中加強(qiáng)循環(huán)水水質(zhì)的監(jiān)督、排污和加藥處理，以降低結(jié)垢的風(fēng)險。

中水中雜質(zhì)較多，凝汽器易結(jié)垢。若凝汽器管內(nèi)流速低于1.2 m/s,雜質(zhì)無法沖走，會導(dǎo)致結(jié)垢，因此，添加中水的凝汽器的管內(nèi)合理流速應(yīng)在1.5 m/s以上。

根據(jù)循環(huán)水泵的高、低速銘牌流量，計算不同循環(huán)水泵組合工況下的凝汽器管內(nèi)平均流速，見表1(該計算的假設(shè)條件為：以所有冷卻水管內(nèi)截面之和為總通流面積，4.81 m2；并泵運(yùn)行工況未考慮并泵的流量損失)。

表1 各運(yùn)行方式下凝汽器冷卻水流量、流速

由表1可知，在單泵高速、單泵低速運(yùn)行的情況下，理論流速均低于1.5 m/s，易引起凝汽器結(jié)垢。

該雙流程凝汽器的循環(huán)水流程為底進(jìn)上出，循環(huán)水由凝汽器底部流入第1道流程，經(jīng)凝汽器返回水室折向流過上部的第2道流程，換熱流程正好相反。從凝汽器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況看，位于上部的第2道流程凝汽器管結(jié)垢的可能性大，其原因為：

表2 各工況下凝汽器參數(shù)

(1)位于凝汽器上部的第2道流程的進(jìn)水溫度高于第1道流程中的進(jìn)水溫度；

(2)由于返回水室處存在水流的折向，第2道流程的供水產(chǎn)生了壓力損失，受壓力場不勻及重力場的影響，個別管內(nèi)流速將低于平均流速，在這些管內(nèi)較易結(jié)垢。

針對上述情況，在凝汽器的返回水室上增加了水溫測點(diǎn)，測點(diǎn)選用與凝汽器進(jìn)、出口水溫測點(diǎn)一致的PT100鉑金測點(diǎn)。在返回水室的中部開孔，通過該孔將測點(diǎn)插至返回水室的中部，測量第1道流程所有管束充分混合后的平均水溫。單臺凝汽器增設(shè)測點(diǎn)費(fèi)用約3 000元。通過該測點(diǎn)測定雙流程凝汽器2道流程的換熱效果，通過監(jiān)督凝汽器上部第2道流程的傳熱效果來監(jiān)督凝汽器的早期結(jié)垢。

3 測點(diǎn)裝設(shè)后的應(yīng)用情況

2012年11月，利用機(jī)組停運(yùn)機(jī)會，在凝汽器上增加了返回水室處的水溫測點(diǎn)。投運(yùn)前，進(jìn)行了該水溫測點(diǎn)與原進(jìn)、出水溫測點(diǎn)的標(biāo)定。2012-11-17，在平均進(jìn)水溫度為17 ℃左右的情況下，單循環(huán)水泵高速運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷在穩(wěn)燃負(fù)荷至最高負(fù)荷間變化，取24 h的曲線列出參數(shù)，見表2。

在循環(huán)水總溫升為10 ℃左右的情況下，各溫度下水的焓值接近。由表2可知：凝汽器的第1道流程的換熱效果遠(yuǎn)好于第2道流程的換熱效果，且換熱效果的差別在機(jī)組負(fù)荷低的情況下特別明顯。

取同時間段的凝結(jié)水溫度及排汽溫度曲線可知，隨著負(fù)荷的變化，凝汽器過冷度在1.5～2.0 ℃范圍內(nèi)變化。

3.1 設(shè)計方面的原因

現(xiàn)行的DL/T 932—2005《凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則》中，凝汽器傳熱系數(shù)的計算公式引用美國傳熱學(xué)會HEI—1995《表面式蒸汽凝汽器規(guī)范》的規(guī)定。

K=K0βcβtβm，

式中：K為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；K0為基本傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；βc為冷卻水入口溫度修正系數(shù)；βt為管材和管壁厚修正系數(shù)；βm為冷凝管修正系數(shù)。

由上述公式看，其對凝汽器傳熱效果的衡量僅從水側(cè)考慮，未考慮汽側(cè)流速對凝汽器換熱效果的影響，也未考慮凝汽器冷卻水各流程傳熱效果的差別。卵式布置管束凝汽器受凝汽器內(nèi)部布置的低壓加熱器的影響，汽流易受阻。機(jī)組負(fù)荷高時，排汽量大，在汽輪機(jī)排汽口面積一定的情況下，汽側(cè)的平均流速將提高，汽流受阻現(xiàn)象相對減輕，增強(qiáng)了頂部的換熱效果。

由凝汽器的組管配合看，上部流程配管數(shù)量略低于下部，上、下部布管比例約為4∶6。上部第2道流程的冷卻面積較下部第1道流程的冷卻面積小，且冷卻水入口溫度比第1道流程高，因此冷卻效果差于第1道流程。

凝汽器頂部第2道流程中，為了保證頂部及空冷區(qū)冷卻管的強(qiáng)度，冷卻管壁厚選擇0.7 mm,高于第1道流程主冷區(qū)冷卻管0.5 mm的壁厚。按照DL/T 932—2005《凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則》中推薦的美國HEI標(biāo)準(zhǔn)中的壁厚修正系數(shù)，2種壁厚的修正系數(shù)分別為0.863及0.912。0.7 mm壁厚的管子較0.5 mm壁厚的管子的傳熱效率降低約5.9%，這部分管子占上部的總管束的15%左右，對換熱效果有一定的影響。

3.2 運(yùn)行方面的原因

測點(diǎn)裝設(shè)完畢后，進(jìn)入冬季工況，冷卻水溫度低，真空度高，真空系統(tǒng)的漏氣量大，卵式布置的凝汽器的部分管束中易積聚空氣。該凝汽器的抽氣口布置在凝汽器中部第2道流程處，漏入的空氣主要凝聚在凝汽器的上部第2道流程，影響了上部的換熱效果。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷高時，受排汽量增大的影響，真空度降低，機(jī)組漏入的空氣量小，傳熱效果有所好轉(zhuǎn)。

第2道流程結(jié)垢多于第1道流程的結(jié)垢，污垢傳熱熱阻約是金屬管壁傳熱熱阻的39倍，極大地影響了第2道流程的傳熱效果。

由新增測點(diǎn)的測量情況看，該凝汽器過冷度大的原因為：在任何工況下，換熱主要由底部的第1道冷卻水完成，越靠近底部的管束，其溫度越低，導(dǎo)致排汽被過度冷卻。

在各工況下，第1道流程的冷卻水溫升為9～11 ℃，可推斷凝汽器下部的結(jié)垢在可容忍范圍內(nèi)。第2道流程的冷卻水溫升為0.1～3.3 ℃，結(jié)垢傾向較明顯。

按照上述分析，決定在機(jī)組停運(yùn)后進(jìn)行凝汽器的加藥清洗，檢查其上部管束布置的合理性及堵管數(shù)量，論證抽空氣口的合理性，以進(jìn)一步提高機(jī)組的真空度。

4 結(jié)論

(1)雙流程凝汽器中間水溫測點(diǎn)的安裝，對查找凝汽器的冷卻效果不良的原因提供了依據(jù)，可在機(jī)組檢修時有的放矢地進(jìn)行清洗。

(2)在凝汽器添加中水或其他較差的水質(zhì)時，通過該測點(diǎn)，可在線監(jiān)督其結(jié)垢趨勢，發(fā)現(xiàn)上部流程溫升變化。

(3)由于水資源緊張，北方新投運(yùn)的火力濕冷機(jī)組多采用添加中水作為補(bǔ)水源的方式，而凝汽器管材多為不銹鋼管材，不銹鋼管材的清潔系數(shù)對凝汽器的換熱效果影響極大。添加較差水質(zhì)的凝汽器要靠膠球清洗系統(tǒng)來保持清潔，若膠球清洗系統(tǒng)運(yùn)行效果不好，將比完全清潔的不銹鋼凝汽器換熱系數(shù)下降17%～28%。若凝汽器在新投運(yùn)時就安裝此測點(diǎn)，以其在管壁基本清潔的情況下2道流程的溫升為基準(zhǔn)值，添加中水后監(jiān)督上部溫升的變化值，就能達(dá)到監(jiān)督凝汽器早期結(jié)垢的目的。

(4)該測點(diǎn)增設(shè)，對雙流程凝汽器的漏空氣監(jiān)督提供了輔助手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]DL/T 712—2010 發(fā)電廠凝汽器及輔機(jī)冷卻器管選材導(dǎo)則[S].

[2]DL/T 1078—2007 表面式凝汽器運(yùn)行性能試驗規(guī)程[S].

[3]DL/T 932—2005 凝汽器與真空系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)導(dǎo)則[S].

[4]李青，高山，薛彥廷.火力發(fā)電廠節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2013.

[5]汪國山，金春南，陳春祥.冷卻水流程數(shù)對凝汽器熱力性能的影響[J].熱能動力工程，2004，19(1)：20-24.

[6]徐世明.汽輪機(jī)凝汽器端差運(yùn)行診斷分析[J].湖南電力，2010，30(1)：39-41.