供熱汽輪機組雙溫區(qū)凝汽器設(shè)計

楊 志 馬詠梅 趙靜林 宮傳瑤

(1.四川大學(xué)機械工程學(xué)院，四川610065；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川618000)

“節(jié)能減排”是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的一個重要任務(wù)。提高能源利用率、加強余熱回收利用是節(jié)約能源、降低碳排放、保護環(huán)境的根本措施。普通熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組中，冬季供熱的排氣損失約占燃料總發(fā)熱量的40%，而采用高背壓供熱技術(shù)，不僅能回收這部分排氣損失，提高汽輪機效率，而且能夠大大提高供熱能力。

高背壓供熱技術(shù)是指在冬季供熱時，降低汽輪機的做功能力，提高低壓缸的排氣壓力，使進入凝汽器的排氣汽化潛熱較高，進而能夠加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，使之達到供熱所需溫度要求，在非供熱期，機組采用純凝工況運行，凝汽器背壓恢復(fù)至純凝工況設(shè)計值。目前，高背壓供熱技術(shù)已廣泛應(yīng)用于供熱新機，以及目前面臨關(guān)停風(fēng)險的老汽輪機組的改造中。

1 凝汽器結(jié)構(gòu)形式

凝汽器作為汽輪機組重要的換熱設(shè)備，其性能對機組效率的影響很大。利用汽輪機乏汽加熱熱網(wǎng)水是回收乏汽熱量的一種形式，可以對乏汽的熱量進行部分或全部回收。全部回收：供熱期采用熱網(wǎng)水進行冷卻，即單溫區(qū)形式，如圖1所示。部分回收：供熱期采用熱網(wǎng)水和循環(huán)水進行冷卻，即雙溫區(qū)形式，如圖2所示。

圖1 單溫區(qū)形式

圖2 雙溫區(qū)形式

單、雙溫區(qū)凝汽器結(jié)構(gòu)無差別。單溫區(qū)采用熱網(wǎng)水進行冷卻，雙溫區(qū)采用熱網(wǎng)和循環(huán)水進行冷卻。雙溫區(qū)凝汽器分供熱區(qū)和循環(huán)水區(qū)，供熱區(qū)熱網(wǎng)水量和進口水溫不變，通過調(diào)整循環(huán)水區(qū)的水量和水溫來分配兩個溫區(qū)的熱負荷，兩個溫區(qū)熱負荷不同、冷卻管內(nèi)流速不同。單溫區(qū)凝汽器左右兩側(cè)的水量、水溫、熱負荷、冷卻管內(nèi)流速均相同。

2 兩種溫區(qū)形式的優(yōu)劣

采用單、雙溫區(qū)主要考慮需要回收熱量的多少，同時考慮整體的經(jīng)濟性。

單溫區(qū)形式的優(yōu)點：乏汽熱量均可回收，消除了冷端損失。缺點：由于受熱網(wǎng)水溫及水量的限制，背壓較高，對純凝期的影響較大，在熱網(wǎng)故障時，無法保證機組運行。

雙溫區(qū)形式的優(yōu)點：采用熱網(wǎng)水及循環(huán)水進行冷卻，背壓較低，對純凝期的影響較??；在熱網(wǎng)故障時，當(dāng)循環(huán)水水量、水溫滿足限定值時，凝汽器單側(cè)運行，可以保證不停機。缺點：乏汽熱量部分回收，存在冷端損失。

3 雙溫區(qū)凝汽器方案設(shè)計

根據(jù)某工程的實際情況采用一臺機組進行乏汽熱量回收，其型式為單殼體、單背壓、雙流程、表面式凝汽器。供熱要求：

單臺機熱網(wǎng)水量：10 000 t/h。

入口水溫：50℃。

出口水溫：68℃。

背壓：33 kPa。

采用雙溫區(qū)方案，即將凝汽器進行分區(qū)，每個溫區(qū)采用不同冷卻水進行冷卻，采用每個溫區(qū)面積相等原則進行劃分，每個溫區(qū)面積為11 000m2；其中第一個溫區(qū)采用循環(huán)水進行冷卻，第二個溫區(qū)采用熱網(wǎng)水進行冷卻，每個溫區(qū)的熱負荷自動分配。為了保證熱網(wǎng)水(第二個溫區(qū))帶走的熱量保持恒定或者進行調(diào)節(jié)，采用對循環(huán)水側(cè)的水量及溫度進行調(diào)整的方式(對循環(huán)水泵及冷卻塔進行調(diào)整)。

凝汽器的設(shè)計要滿足純凝工況及供暖期的要求，以T-MCR為設(shè)計工況，校核TRL工況。凝汽器數(shù)據(jù)見表1。

表1 凝汽器數(shù)據(jù)

雙溫區(qū)高背壓凝汽器整體布置及結(jié)構(gòu)基本同我公司常規(guī)350 MW機組配套的凝汽器，采用單背壓雙流程型式。共分四個水室，如圖3。水從中間進，兩頭出，四個水室分別對應(yīng)四組管束I、II、III、V。純凝工況，I、II、III、V管束投運；采暖期，I、II管束為第二溫區(qū)，采用熱網(wǎng)水進行冷卻，III、IV管束為第一溫區(qū)，采用循環(huán)水進行冷卻。

圖3 雙溫區(qū)高背壓凝汽器整體布置形式

在供熱期，凝汽器采用雙溫區(qū)運行。兩個溫區(qū)管側(cè)溫度不同，造成兩個溫區(qū)膨脹不同，在每個溫區(qū)的管束上安裝膨脹節(jié)，來吸收膨脹差。采暖高背壓供熱，凝汽器參數(shù)見表2。第一溫區(qū)循環(huán)水量與進口水溫、冷卻管內(nèi)流速的關(guān)系見表3。

表2 凝汽器參數(shù)

由表3可知，采暖期雙溫區(qū)凝汽器供熱區(qū)冷卻管內(nèi)熱網(wǎng)水流速低，冷卻管易結(jié)垢，需經(jīng)常投入膠球清洗。

表3 第一溫區(qū)各參數(shù)的關(guān)系

供熱期間，空冷島有最小防凍流量，510 mm末葉汽輪機凝汽器背壓停機值為65 kPa，要保證機組運行不停機，即背壓不超過65 kPa，凝汽器所需最小循環(huán)水量為9150 t/h，循環(huán)進口水溫為50℃。當(dāng)循環(huán)進口水溫發(fā)生變化，所需最低循環(huán)水量也會發(fā)生變化，相應(yīng)變化關(guān)系見表4。

表4 不同循環(huán)水溫對應(yīng)的最低循環(huán)水量

4 雙溫區(qū)凝汽器設(shè)計注意事項

與常規(guī)凝汽器相比，雙溫區(qū)凝汽器背壓高，熱網(wǎng)回水設(shè)計水壓為1.5 MPa，汽側(cè)與水側(cè)及溫區(qū)間的溫差引起膨脹，需適應(yīng)高背壓雙溫區(qū)供熱凝汽器冷卻水溫的變化，凝汽器需校核水室、管板及冷卻管強度，采取以下措施：

(1)在凝汽器喉部接頸位置增加一組水幕保護裝置；

(2)在端管板與殼體之間增加膨脹節(jié)；

(3)在水室下增加滑動支座；

(4)提高水室設(shè)計壓力；

(5)增加端管板厚度至130 mm；

(6)冷卻管均采用0.7 mm的厚壁管。

雙溫區(qū)高背壓供熱凝汽器外形見圖4。

圖4 凝汽器外形圖

5 結(jié)語

高背壓供熱雙溫區(qū)凝汽器技術(shù)已逐漸廣泛應(yīng)用于大型熱電聯(lián)產(chǎn)項目，比常規(guī)抽汽供熱機組的供熱能力提高14%，提高了供熱收益，可有效緩解部分城市供熱能力不足的問題。同時，雙溫區(qū)技術(shù)是在成熟的凝汽器設(shè)計基礎(chǔ)上開發(fā)的，有保證安全的措施。高背壓供熱雙溫區(qū)凝汽器技術(shù)不僅提高了熱電廠的供熱能力，增加了熱電廠的供熱面積，在供熱的同時還能發(fā)一部分電，有良好的經(jīng)濟效益。

針對該工程的特殊要求及邊界條件，對現(xiàn)有火電機組凝汽器進行優(yōu)化設(shè)計，總體方案成熟，安全可靠性高，經(jīng)濟性良好。采用此技術(shù)，符合國家節(jié)能減排政策，增加了熱電廠的供熱能力，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟效益。該技術(shù)已成熟應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)新機組及老機組高背壓供熱改造中，凝汽器運行良好。