電廠凝汽器的改造研究

【摘要】凝汽器是電廠中的重要設(shè)備之一，是電廠熱力特性循環(huán)中的重要一環(huán)，其工作性能的好壞直接影響整個汽輪機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。保持凝汽器良好運(yùn)行工況，是電廠節(jié)能的重要內(nèi)容。通過分析凝汽器的性能評價(jià)指標(biāo)，提出增加霧化補(bǔ)水管的改造方案，達(dá)到改善凝汽器性能的目的。

【關(guān)鍵詞】 凝汽器;補(bǔ)水系統(tǒng);真空

Abstract：Condenser is one of the most important equipments in power plant，it’s normal operation will be save much energy sources.In order to improve the performance of condenser，an effective transformation was proposed，which was adding a supplying water system by analyzing the influence factors of condenser.

Keywordsk：Condenser;Supplying water system;Vacuum

1.引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，人們的生活與電的聯(lián)系更加密切，電力工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮的作用也愈加重要。在我國，火電在電力工業(yè)中占很大比重，是一個不斷將一次能源轉(zhuǎn)化為二次能源的行業(yè)，也是消耗一次能源的大戶。2000年我國平均供電煤耗為392g/kWh，比國際先進(jìn)水平高70g左右，相當(dāng)于美國、英國20世紀(jì)70年代的水平[1]，由此可見我國火電廠存在著巨大的節(jié)能潛力。根據(jù)我國目前的能源現(xiàn)狀和政策，火電廠節(jié)能技術(shù)的開發(fā)也成為電力工作者的研究重點(diǎn)。

凝汽器作為一個重要的汽輪機(jī)組輔機(jī)，是影響火力發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個重要因素，因此如何有效地提高凝汽器的工作效率，是提高汽輪機(jī)組工作效率的關(guān)鍵問題[2]。保持凝汽器良好運(yùn)行工況，保證達(dá)到最有利的真空是電廠節(jié)能的重要內(nèi)容。因此熱力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱力系統(tǒng)的技術(shù)改造，改善運(yùn)行操作，提高運(yùn)行效率，降低生產(chǎn)成本，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)勢在必行。

2.凝汽器的作用及影響因素

凝汽器是一個布滿換熱管的熱交換器，換熱管內(nèi)是循環(huán)水，換熱管外是低壓蒸汽。凝汽器在電廠中的主要作用在于在汽輪機(jī)出口處建立并維持一定的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹到指定的凝汽器壓力，增大汽輪機(jī)的理想焓降，增大汽輪機(jī)功率，提高汽輪機(jī)組的循環(huán)熱效率，同時將排汽凝結(jié)成水并送入鍋爐循環(huán)利用，減少鍋爐耗煤量。

凝汽器性能評價(jià)的主要指標(biāo)是凝汽器水密性、凝汽器真空度、凝結(jié)水過冷度和凝結(jié)水含氧量。目前國內(nèi)火電廠在役機(jī)組普遍存在凝汽器真空度低、凝結(jié)水過冷度大、換熱管腐蝕的問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。

1）凝汽器水密性

凝汽器管內(nèi)的循環(huán)水在冷卻塔中冷卻時，由于蒸發(fā)作用，水不斷濃縮，含鹽量高，而凝結(jié)水是經(jīng)化學(xué)除鹽，接近純凈的水質(zhì)，幾乎不含雜質(zhì)。對于大型電站鍋爐，如果凝汽器冷卻管泄漏，冷卻水進(jìn)入凝結(jié)水中，會引起鍋爐水質(zhì)惡化，造成鍋爐爐管爆管與穿孔，迫使機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，甚至停機(jī)。所以對于大型火電站的凝汽器，要求水密性良好，不出現(xiàn)冷卻管腐蝕泄漏現(xiàn)象。

2）凝汽器真空度

凝汽器真空度是表征凝汽器工作特性的主要指標(biāo)，是影響汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要因素，它是蒸汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)時造成的。真空的形成是由于在凝汽器內(nèi)蒸汽和凝結(jié)水汽液兩相之間存在著一個與蒸汽凝結(jié)溫度成正比的平衡壓力，它代表著凝汽器內(nèi)的絕對壓力。因此在極限情況下，即冷卻水流量很大時，凝汽器內(nèi)的極絕對限壓力為0.0023MPa（20℃的冷卻水），此時的凝汽器壓力要遠(yuǎn)低于大氣壓，即形成真空。

電站凝汽器一般運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：凝汽器真空每下降1kPa，汽輪機(jī)汽耗會增加1.5%-2.5%[4]。而且，凝汽器真空的降低，會使排汽缸溫度升高，引起汽輪機(jī)軸承中心偏移，嚴(yán)重時會引起汽輪機(jī)組振動。此外，當(dāng)凝汽器真空降低時，為保證機(jī)組出力不變，必須增加蒸汽流量，而蒸汽流量的增加又將導(dǎo)致鈾向推力增大，使推力軸承過負(fù)，影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。所以在實(shí)際的熱電廠運(yùn)行中，最好使凝汽器在設(shè)計(jì)真空值附近運(yùn)行。據(jù)估算，一臺600MW的機(jī)組，真空每下降1%，引起熱耗增加0.05%，少發(fā)電約306KW。有資料顯示，凝汽器每漏入50kg/h的空氣，凝汽器真空下降1Kpa，機(jī)組的熱耗增加約6%-8%。

對已投入運(yùn)行的機(jī)組，采取以下措施來提高真空。

a）降低凝汽器的熱負(fù)荷

b）提高真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性

c）降低冷卻水溫

3）凝結(jié)水過冷度

凝結(jié)水過冷度增加1℃，會導(dǎo)致電站煤耗增加0.13%，同時，凝結(jié)水過冷使凝結(jié)水含氧量增加，導(dǎo)致管道設(shè)備腐蝕。由此可見，凝結(jié)水過冷度對機(jī)組效率的安全運(yùn)行有重要影響。

對于在役凝汽器，過冷度增加有以下幾方面的原因：

a）凝汽器中空氣積存量的增加

b）冷卻水流量相對增加

c）凝結(jié)水水位過高

4）凝結(jié)水含氧量

凝結(jié)水含氧量過大會導(dǎo)致管道與設(shè)備的腐蝕。已有研究表明，空冷區(qū)凝結(jié)水中氨濃度的急劇增加與氧的存在與作用是導(dǎo)致?lián)Q熱管氨腐蝕的根本原因。目前，國內(nèi)大型機(jī)組要求凝結(jié)水含氧量為：超高壓≤0.04mg/L，亞臨界≤0.03mg/L。

凝汽器應(yīng)該具備以下特征：

1）具有較高的平均傳熱系數(shù)。

2）凝汽器本體及真空系統(tǒng)應(yīng)維持高度嚴(yán)密性

3）汽阻及凝結(jié)水的過冷度要小

4）水阻要小

5）凝結(jié)水的含氧量要小

6）能夠不停機(jī)清洗和檢修

3.凝汽器熱負(fù)荷分析

凝汽器的熱負(fù)荷可由下列關(guān)系式表示：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

其中，Q—凝汽器熱負(fù)荷;Dp—低壓缸當(dāng)量排汽量;hp—低壓缸排汽焓;hc—凝結(jié)水焓;Gw—冷卻水流量;cp—冷卻水比熱;tw1—冷卻水進(jìn)口溫度;tw2—冷卻水出口溫度;δt—傳熱端差;Δt—冷卻水溫升;m—冷卻倍率;ts—凝汽器壓力下飽和溫度;K—傳熱系統(tǒng);A—冷卻面積;PK—凝汽器壓力。

由上述關(guān)系式可見，對于幾何條件一定的在役凝汽器，熱負(fù)荷增加時，冷卻水溫升增加，凝汽器端差也增加，最后引起飽和溫度上升，則凝汽器真空降低。

4.補(bǔ)水系統(tǒng)改造方案

目前汽輪機(jī)大部分是采用表面式凝汽器。由于有熱阻存在，冷卻水溫總是比凝結(jié)水溫要低，熱經(jīng)濟(jì)性差。由式（2-1）知，排汽量越大則蒸汽凝結(jié)放出的熱量就越多，冷卻介質(zhì)需帶走的熱量越多。但是冷卻水流量、傳熱面積、循環(huán)水溫度是受生產(chǎn)成本所限制的，因此為了減輕凝汽器熱負(fù)荷，提高機(jī)組熱效率，本文的改造研究主要側(cè)重于凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)的改造，即將凝汽器補(bǔ)水增加一路霧化式噴頭補(bǔ)水，這樣通過接觸式傳熱，可吸收部分蒸汽凝結(jié)熱，使這部分補(bǔ)充的除鹽水在凝汽器內(nèi)形成一個混合式凝汽器，從而減輕表面式凝汽器的熱負(fù)荷，提高真空。

針對補(bǔ)水系統(tǒng)，本文提出的改造方案為：增加一路補(bǔ)水管從凝汽器喉部引入，沿凝汽器軸線方向上分成兩排補(bǔ)水管路布置在兩側(cè)，噴嘴均布在補(bǔ)水排管上，噴嘴個數(shù)根據(jù)實(shí)際補(bǔ)水壓力和每只噴嘴出力確定。補(bǔ)水門下游增加U型多級水封，以防止環(huán)境中的空氣通過不嚴(yán)密處漏入凝汽器，影響凝汽器真空。

由于開停機(jī)時與正常運(yùn)行時所需的補(bǔ)水量差別很大，建議兩路補(bǔ)水互相切換，開停機(jī)需要補(bǔ)水量大時開啟原先無噴頭的補(bǔ)水管，正常運(yùn)行需要補(bǔ)水量小時使用霧化補(bǔ)水管。

要形成霧化噴水，補(bǔ)水的壓力要足夠高，需要試驗(yàn)確定霧化效果的補(bǔ)水壓力;同時要確保噴射后霧化水空間充滿度大且壓差小，需要通過試驗(yàn)或模擬確定噴嘴個數(shù)和出力以及噴嘴相互之間的距離。噴嘴布置時要考慮滿足不同狀態(tài)下的補(bǔ)水需要，以防止補(bǔ)水量減少時關(guān)小補(bǔ)水門會影響霧化效果。

改造之后的凝汽器具有以下兩方面的優(yōu)越性：

1）在提高真空方面：以霧狀進(jìn)入的低溫補(bǔ)水在凝汽器喉部與汽輪機(jī)排氣接觸進(jìn)行熱交換，部分排氣在此處冷凝成水，從而減少了進(jìn)入凝汽器管區(qū)的蒸汽量，有利于降低凝汽器熱負(fù)荷，提高真空。

2）在防腐蝕方面：一部分水通過霧化噴嘴進(jìn)入凝汽器，可以避免補(bǔ)水不均勻引起的局部腐蝕。原先補(bǔ)水口由于集中于凝汽器中心，補(bǔ)水集中呈線性，對凝汽器管子造成了很大的沖擊，并且使一部分腐蝕性氣體（如氨等）溶解度在各個區(qū)域造成偏差，易造成局部腐蝕。

當(dāng)然，噴嘴減溫雖然效果好，但由于已形成的凝結(jié)水在管束上粘附形成水膜，不利于管束傳熱。同時凝結(jié)水在自上而下滴落的過程中會遇到冷卻水管的再冷卻，而造成凝結(jié)水的過冷度，從而影響整個機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。所以并不是噴入的冷卻水流量越大，越有利于真空的提高，經(jīng)濟(jì)性越好。冷卻水量與排汽量的比例應(yīng)由試驗(yàn)來確定。

5.結(jié)論

提高凝汽器真空度和防腐蝕是研究凝汽器改造的兩個重要因素，本文在研究凝汽器性能的基礎(chǔ)上，對凝汽器補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行了改造研究，增加了一路霧化補(bǔ)水系統(tǒng)，該裝置改裝簡單，運(yùn)行無需維護(hù)，投資少，經(jīng)濟(jì)效益顯著，且改造后的補(bǔ)水系統(tǒng)有利于提高凝汽器的真空度，減輕凝汽器換熱管腐蝕，從而在一定程度上提高凝汽器的工作性能。

提高凝汽器工作效率還有很多措施，本文只針對補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行了一定的改造，還需要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]高嚴(yán).環(huán)境保護(hù)與電力可持續(xù)發(fā)展[J].中國電力企業(yè)管理，2002（8）：182～189.

[2]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993，3.

[3]鄭鳳才，安豐波.國內(nèi)凝汽器現(xiàn)狀分析與改造[J].華東電力，2002（3）：14～17.

[4]周蘭欣，張明智，張學(xué)鐳，凝汽器運(yùn)行性能的綜合評判模型[J].電力情報(bào)，2001（1）：45～57.