小機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)改造在直接空冷機(jī)組的應(yīng)用分析

鄭富

摘要：目前社會各行業(yè)提出節(jié)能減排，同樣電力行業(yè)也對節(jié)能減排提出了更高的要求，在大型發(fā)電企業(yè)中，都在尋找節(jié)能減排的有效措施。本文從600MW直接空冷機(jī)組小機(jī)凝結(jié)水的改造，分析相關(guān)的節(jié)能改進(jìn)措施，提高凝汽器真空，優(yōu)化機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：直接空冷系統(tǒng)；噴淋降溫；汽輪機(jī)；凝汽器

在我國北方富煤缺水地區(qū)，大型火力發(fā)電廠普遍為空冷機(jī)組，而直接空冷機(jī)組占有較大比重。直接空冷系統(tǒng)的冷源是空氣，其冷卻性能受環(huán)境影響很大，尤其是在夏季高溫階段背壓能夠達(dá)到45～50kPa。運(yùn)行背壓高會威脅發(fā)電機(jī)組的安全，發(fā)電單位往往不得不降低機(jī)組負(fù)荷以滿足機(jī)組運(yùn)行時(shí)所需的安全背壓，嚴(yán)重制約空冷機(jī)組夏季運(yùn)行的安全性及經(jīng)濟(jì)性。目前，很多發(fā)電單位都針對直接空冷機(jī)組背壓高這一問題進(jìn)行了一系列設(shè)備改造，包括噴淋降溫、空冷風(fēng)場優(yōu)化等。這些改造項(xiàng)目都是從改變就凝汽器外部環(huán)境著手進(jìn)行的，不但投資高，而且存在空冷凝氣器表面結(jié)垢加快、空冷島重力負(fù)荷增大等隱患。所以發(fā)電單位都迫切的想尋找一種投資小、安全性高的途徑去緩解空冷機(jī)組背壓高的問題。

一、直接空冷機(jī)組的一些特點(diǎn)

（一）主機(jī)排汽裝置

主汽輪機(jī)排汽裝置處于低壓缸和排汽管道之間，主要由矩形膨脹節(jié)、喉部、殼體、排汽短管、熱井、支座構(gòu)成。低壓缸排汽依次通過膨脹節(jié)、喉部后，再經(jīng)導(dǎo)導(dǎo)流板引導(dǎo)，進(jìn)入排汽管道。 空冷凝汽器內(nèi)凝結(jié)的水通過回水管自流至排汽裝置底部的熱井。

（二）主機(jī)排汽終參數(shù)

主汽輪機(jī)低壓缸排汽終參數(shù)主要是指排汽的壓力、溫度，影響它的因素有很多，主要是排汽量及環(huán)境溫度。直接空冷系統(tǒng)的冷源是空氣，受環(huán)境溫度的制約，設(shè)計(jì)背壓比濕冷機(jī)組高出許多，運(yùn)行背壓范圍也比后者大。運(yùn)行中，主汽輪機(jī)的排汽背壓一般控制在8kPa-30kPa之間，對應(yīng)的飽和溫度在41℃-69℃之間。

（三）給水泵汽輪機(jī)

大型直接空冷機(jī)組大都采用以汽動給水泵給水為主，電動機(jī)水泵給水為輔的給水方式，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)僅運(yùn)行汽動給水泵。因直接空冷機(jī)組背壓受環(huán)境溫度影響大、變化快，為保障機(jī)組給水穩(wěn)定，所以直接空冷機(jī)組的每臺給水泵汽輪機(jī)均配置有一臺濕式冷卻的凝汽器。

（四）小機(jī)凝結(jié)水

給水泵汽輪機(jī)排汽經(jīng)其自帶的凝汽器冷卻后，便形成了小機(jī)凝結(jié)水。小機(jī)凝結(jié)水聚集在給水泵汽輪機(jī)凝汽器底部的熱井內(nèi)，后通過小機(jī)凝結(jié)水泵直接排入主機(jī)排汽裝置熱井。小機(jī)凝結(jié)水泵的出口壓力一般設(shè)計(jì)為0.15MPa-0.2MPa。因給水泵汽輪機(jī)凝汽器為濕式冷卻，其排氣背壓始終維持在一個較低的水平，大約在4kPa-10kPa之間，小機(jī)凝結(jié)水的溫度約為28℃-45℃之間。

二、小機(jī)凝結(jié)水噴淋至排汽裝置方案

大型空冷機(jī)組在運(yùn)行中的，因主機(jī)與小機(jī)的冷卻方式不同，具有小汽輪機(jī)排汽及其凝結(jié)水溫度低，而主汽輪機(jī)排汽溫度高的特點(diǎn)。目前直接空冷機(jī)組小機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)多采用通過小機(jī)凝結(jié)水泵升壓后，將小機(jī)凝結(jié)水直排至主機(jī)排汽裝置熱井的方式，該種方式不但使小機(jī)凝結(jié)水的低溫特性沒得到利用，而且還增加了主機(jī)凝結(jié)水的過冷度，降低了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。若要利用小機(jī)凝結(jié)水的低溫特性，則應(yīng)在主機(jī)排汽進(jìn)入空冷凝汽器之前，將小機(jī)凝結(jié)水通過噴嘴霧化后充分混入到主機(jī)排汽中，在兩者混合后，小機(jī)凝結(jié)水會對主機(jī)排汽進(jìn)行提前冷卻，這樣便減少了空冷凝氣器的熱負(fù)荷，同時(shí)主機(jī)排汽加熱了小機(jī)凝結(jié)水，使其溫度接近主機(jī)排汽溫度，從而使主機(jī)凝結(jié)水過冷度進(jìn)一步減小，提高了回?zé)嵯到y(tǒng)效率。根據(jù)主機(jī)排汽的特性及主機(jī)排汽裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在主機(jī)排汽裝置喉部布置小機(jī)凝結(jié)水霧化噴嘴最為合適，一是因?yàn)樵谠撐恢弥鳈C(jī)排汽焓值及干度較高，小機(jī)凝結(jié)水與其混合后傳熱將更充分；二是排汽裝置喉部有足夠的空間布置足夠多的噴嘴，以使小機(jī)凝結(jié)水噴淋得更為均勻。

（一）系統(tǒng)的布置

要將小機(jī)凝結(jié)水噴淋至排汽裝置喉部，需對原小機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)管道進(jìn)行改造。系統(tǒng)可這樣布置：取消小機(jī)凝泵出口調(diào)門組后至主機(jī)排汽裝置熱井的直排管道，重新布置一路噴淋管道，將小機(jī)凝結(jié)水從小機(jī)凝泵出口調(diào)門組后分別引至A、B排汽裝置喉部，在排汽裝置內(nèi)，均勻布置支管及噴嘴，覆蓋整個排汽裝置喉部，使小機(jī)凝結(jié)水進(jìn)入主汽輪機(jī)排汽裝置后，經(jīng)過噴嘴霧化形成的霧滴直接與主汽輪機(jī)低壓缸排汽充分混合并換熱，有效降低主汽輪機(jī)的排汽溫度，進(jìn)而降低主汽輪機(jī)的排汽背壓，達(dá)到節(jié)約煤耗之目的。此外，也可保留原有小機(jī)凝泵出口調(diào)門組后至主機(jī)排汽裝置熱井之間的直排管道，在該直排母管及噴淋母管上各增加一套真空閥門，目的是在噴淋管道、閥門或噴嘴出現(xiàn)故障后，原有的直排系統(tǒng)可正常運(yùn)行，保證小機(jī)凝結(jié)水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

主機(jī)排汽裝置喉部工況變化快，運(yùn)行環(huán)境惡劣，所以新增的噴淋管道，在主機(jī)排汽裝置外部的部分，可選用與原直排管道材質(zhì)規(guī)格相同的管道，但在主機(jī)排汽裝置內(nèi)部的部分則必須使用不銹鋼無縫鋼管，且所有焊縫必須經(jīng)過金屬檢驗(yàn)。

（二）噴嘴的選擇

噴嘴是小機(jī)凝結(jié)水霧化的關(guān)鍵設(shè)備，噴嘴霧化效果的優(yōu)劣，直接影響該改造的節(jié)能效果。

評價(jià)霧化效果最直接的因素就是霧化后液滴直徑的大小和液滴覆蓋的面積。液滴越小，單位小機(jī)凝結(jié)水形成的表面積越大，即與主機(jī)排汽的接觸面積越大，小機(jī)凝結(jié)水與主機(jī)排汽間的換熱也將越快；液滴覆蓋面積越大，則小機(jī)凝結(jié)水噴淋后分布得越均勻，參與換熱的小機(jī)凝結(jié)水液滴比例也將越高。因此要求小機(jī)凝結(jié)水霧化后，液滴體積越小越好，液滴覆蓋面積越大越好。

除噴霧所用特定物質(zhì)的影響以外，影響霧化液滴大小的四個主要因素是：噴嘴類型、流量、噴射壓力、噴霧形狀。一般情況下，在同一個霧化噴嘴中，低噴射壓力產(chǎn)生較大的液滴，而高噴射壓力產(chǎn)生較小的液滴；小流量產(chǎn)生細(xì)噴霧液滴，而大流量生成大噴霧液滴。小機(jī)凝結(jié)水流量取決于給水泵汽輪機(jī)進(jìn)汽量，無法人為改變，故無法通過改變流量來影響霧化效果；在小機(jī)凝結(jié)水泵一定的情況下，小機(jī)凝結(jié)水壓力受到小機(jī)凝結(jié)水流量及小機(jī)凝結(jié)水泵出口調(diào)門的開度影響，運(yùn)行中小機(jī)凝泵出口調(diào)節(jié)門以小機(jī)凝汽器水位為調(diào)節(jié)量進(jìn)行自動控制調(diào)節(jié)，而小機(jī)凝汽器的水位又是由給水泵汽輪機(jī)排汽的凝結(jié)形成的，無法人為改變，所以也無法通過改變噴射壓力來影響霧化效果；而噴霧形狀又取決于噴嘴類型；因此要獲得足夠理想的霧化效果，需選擇合適的噴嘴類型。

小機(jī)凝結(jié)水霧化噴嘴處于排汽裝置內(nèi)部，不便于檢修，加之其噴口又長期受到高壓高速水流的磨擦作用，因此噴嘴在滿足理想的霧化效果的同時(shí)，還應(yīng)具備如下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)簡單，便于清洗和更換；②材料耐磨損、腐蝕，使用壽命長；③內(nèi)流道斷面大且通暢，不易堵塞。

綜上所述，宜選用可拆卸的不銹鋼材質(zhì)空心錐形霧化噴嘴。

此外，因霧化噴嘴處于主機(jī)排汽裝置喉部，其位置距低壓缸較近，為避免溫度較低的小機(jī)凝結(jié)水噴至低壓末級葉片上，造成低壓末級葉片損壞，所以不論任何時(shí)候，小機(jī)凝結(jié)水都不能朝上噴淋，因此要求噴嘴噴口、噴嘴座開口方向都必須朝下。

（三）小機(jī)凝結(jié)水泵的選型

小機(jī)凝結(jié)水噴淋至主機(jī)排汽汽裝置改造后，因噴淋管道較之直排管道長度大幅增加、支管明顯增多、加之噴嘴霧化需要一定的壓力，故改造時(shí)應(yīng)注意原有的小機(jī)凝結(jié)水泵的設(shè)計(jì)壓力及能否滿足噴嘴的霧化要求，必要時(shí)可對小機(jī)凝結(jié)水泵進(jìn)行改型。以600MW機(jī)組為例，要將小機(jī)凝結(jié)水泵出口壓力由0.15MPa提高到0.5MPa，泵功率需提高約20KW。

（四）控制裝置

為得到更好的霧化效果，可分別在小機(jī)凝結(jié)水噴淋管進(jìn)入A、B排汽裝置前的支管上各增加一臺電動閥門，通過DCS控制。在小機(jī)凝結(jié)水流量較低時(shí)，可關(guān)閉一臺電動閥門，僅留一半霧化噴嘴工作，這樣可將單個噴嘴的流量提高一倍，使霧化效果更佳。

（五）末級噴淋支管

末級噴淋支管的出口為霧化噴嘴，因霧化噴嘴的噴口朝下，在噴嘴工作時(shí)，朝下的水流會給噴嘴施加一個向上的反作用力，該反作用力將傳遞到末級噴淋支管上，使末級支管與次末級支管連接處的焊縫受到一個較大的力矩，可能造成末級支管變形或焊縫裂紋。故應(yīng)設(shè)法限制死末級支管向上移動的空間。

三、經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)計(jì)算，在T-MCR工況下，投入噴淋系統(tǒng)后，汽輪機(jī)真空可提高0.3kPa，對應(yīng)供電煤耗降低約0.3g/kwh，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)論

小機(jī)凝結(jié)水噴淋至排汽裝置改造，可以有效地降低主汽輪機(jī)的排汽溫度和排汽背壓，進(jìn)而降低機(jī)組的煤耗，不緊提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性，還能一定程度地緩解機(jī)組夏季出力受限的問題；同時(shí)，該技改具有投資費(fèi)用低、施工周期短、施工難度小的優(yōu)點(diǎn)，值得在直接空冷機(jī)組中推廣。

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