抽凝機(jī)組凝汽器真空問題分析與處理

朱一鵬，祝相云，胡君友

（1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315208；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能電力股份有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引 言

汽輪機(jī)凝汽器的真空，直接影響到發(fā)電廠的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，特別是供熱機(jī)組，情況更為復(fù)雜。如何提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)的凝汽器真空度受到了廣泛的關(guān)注。強(qiáng)永平、于新穎等[1,2]認(rèn)為，蒸汽負(fù)荷過高、冷卻水流量不足以及凝汽器冷卻管清潔度低都會(huì)影響凝汽器的真空度。薛志敏等[3]通過定量分析凝汽器壓力升高時(shí)三區(qū)特征因子快速得出凝汽器壓力升高的原因。莫大科對常見的幾類凝汽器清洗技術(shù)進(jìn)行對比分析[4]。劉習(xí)平則介紹了強(qiáng)化換熱系統(tǒng)（簡稱RCCS）工作原理以及在實(shí)際應(yīng)用中的效果[5]。

本文以某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的汽輪機(jī)凝汽器為研究對象，通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)和檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推斷出該凝汽器真空度的影響因素，并采取針對性的措施解決了該機(jī)組的真空問題，同時(shí)也為同類型機(jī)組解決凝汽器真空低問題提供了有益的參考。

1 機(jī)組概況

某9F 級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配套哈汽廠生產(chǎn)的LNC/N115-9.88/539/1.9 型抽凝汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)為高壓、單軸、雙抽、凝汽式、軸向排汽式機(jī)組，共15 級，在第3 級后和第9 級后分別設(shè)置有抽汽口向外提供高壓和低壓蒸汽。凝汽器布置在低壓缸后方下部，型號為N-3000-13，冷卻面積3000 m2，冷卻管為φ25×0.5 mm 和φ25×0.7 mm 鈦管、共4480 根。在凝汽器頂部布置有真空除氧器，通過加熱來去除化學(xué)補(bǔ)水中的溶解氧，提高凝水品質(zhì)。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)采用機(jī)力冷卻塔冷卻系統(tǒng)，每臺機(jī)組配備了3×33%容量的立式斜流循環(huán)水泵，選用10%次氯酸鈉溶液以及除垢劑對循環(huán)水進(jìn)行殺菌、滅藻、除垢，凝汽器配置兩套膠球清洗系統(tǒng)，以保證凝汽器鈦管的清潔度。

2 設(shè)備運(yùn)行狀況

2.1 汽輪機(jī)運(yùn)行真空差

該汽輪機(jī)自2014 年5 月投產(chǎn)后一直存在真空低、真空嚴(yán)密性差的問題。表1 是設(shè)計(jì)工況與相近的實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)。

表1 設(shè)計(jì)工況與實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù)

設(shè)計(jì)工況1 是標(biāo)準(zhǔn)工況下機(jī)組供熱量最大、凝汽器進(jìn)汽量最小的設(shè)計(jì)工況，設(shè)計(jì)工況2 是標(biāo)準(zhǔn)工況下機(jī)組供熱量最小、凝汽器進(jìn)汽量最大的設(shè)計(jì)工況，機(jī)組運(yùn)行范圍不超出這兩個(gè)工況。運(yùn)行工況1 是凝汽器進(jìn)汽量接近最小工況，運(yùn)行工況2 是凝汽器進(jìn)汽量接近最大工況。從以上數(shù)據(jù)可以看出，在凝汽器進(jìn)汽量接近于相應(yīng)最大設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況下，汽輪機(jī)的排汽缸壓力要高于設(shè)計(jì)值3.57 kPa，端差高于設(shè)計(jì)值5.08 ℃。

2.2 凝汽器真空嚴(yán)密性差

機(jī)組投產(chǎn)以來凝汽器真空嚴(yán)密性試驗(yàn)合格率偏低，多數(shù)情況達(dá)不到合格水平，有關(guān)人員還進(jìn)行專門研究[6]，認(rèn)為凝汽器面積小、熱負(fù)荷高是主要原因，但最終沒有解決問題。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，從2018 年至2021 年，該汽輪機(jī)共進(jìn)行過9次真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，僅3 次試驗(yàn)的結(jié)果符合真空嚴(yán)密性合格標(biāo)準(zhǔn)，而且這些真空嚴(yán)密性試驗(yàn)多選擇在停機(jī)前、負(fù)荷較低（試驗(yàn)時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷均在32MW 以下）、凝汽器進(jìn)汽量較低的狀態(tài)下進(jìn)行。

3 真空差原因分析

3.1 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)工況

該機(jī)組凝汽器換熱面積根據(jù)低壓缸最小進(jìn)汽量60.41t/h 設(shè)計(jì)計(jì)算，而機(jī)組多數(shù)情況下運(yùn)行在主蒸汽進(jìn)汽流量310t/h、無高壓抽汽、低壓抽汽量160t/h 的工況，導(dǎo)致低壓缸排汽量大大超出設(shè)計(jì)值，嚴(yán)重偏離了設(shè)計(jì)工況。凝汽器的換熱面積不夠大，無法冷卻超量的低壓缸排汽，造成凝汽器真空的下降。

3.2 循環(huán)水系統(tǒng)水質(zhì)差

該機(jī)組的循環(huán)水系統(tǒng)是采用機(jī)力冷卻塔冷卻，循環(huán)水系統(tǒng)無水處理設(shè)施，大量水汽蒸發(fā)后從水源補(bǔ)水，長期運(yùn)行后循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍率較高，影響水質(zhì)[7]。雖然經(jīng)過殺菌、滅藻、除垢處理，但凝汽器鈦管內(nèi)壁還是結(jié)垢嚴(yán)重，影響換熱效果。

3.3 真空系統(tǒng)存在漏點(diǎn)

真空嚴(yán)密性差的原因主要是真空系統(tǒng)存在漏點(diǎn)。通過多次真空系統(tǒng)氦氣查漏，發(fā)現(xiàn)許多漏點(diǎn)，如汽輪機(jī)排汽缸軸承及低壓軸封區(qū)域（5.6×10-5Pa·m3/s）、低壓缸真空防爆門（5.0×10-6Pa·m3/s）、凝汽器汽側(cè)人孔門（5.0×10-6Pa·m3/s）、本體疏水 擴(kuò)容器人孔門（5.0×10-6Pa·m3/s）等處。

此外，通過系統(tǒng)檢查還發(fā)現(xiàn)除氧器抽汽冷凝器疏水至除氧器真空泵隔離閥的閥門狀態(tài)錯(cuò)誤。

4 提高真空和真空嚴(yán)密性措施

4.1 凝汽器鈦管清洗

對凝汽器鈦管進(jìn)行高壓沖洗[8]。高壓水流沖刷每根鈦管的整個(gè)內(nèi)壁，將鈦管內(nèi)表面多年的結(jié)垢徹底清理，大幅提升了鈦管的換熱效果。

4.2 增裝強(qiáng)化換熱裝置

增裝凝汽器強(qiáng)化換熱裝置（如圖1 所示）來提升凝汽器換熱效果。該裝置的工作原理是：在凝汽器每根換熱管進(jìn)口部位安裝強(qiáng)化換熱裝置，該裝置在水流作用下不停地高速旋轉(zhuǎn)，可達(dá)到300 ～1800 r/min,強(qiáng)化管內(nèi)流體的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，使管內(nèi)循環(huán)水流動(dòng)由層流狀態(tài)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)（如圖2 所示），打破了管內(nèi)溫度分層，從而增強(qiáng)換熱效果。通過使用304 材質(zhì)、φ20*0.6mm 管道、雷諾數(shù)從3000 到45000 等多個(gè)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，使用強(qiáng)化換熱裝置換熱系數(shù)提高率達(dá)到了23.5%至44.5%[9]。同時(shí)，該裝置不停地旋轉(zhuǎn)也破壞了水垢的形成、起到防垢作用。

圖2 凝汽器管內(nèi)水流狀態(tài)

4.3 真空系統(tǒng)查漏

多次組織專業(yè)人員對凝汽器進(jìn)行氦氣查漏，并排查系統(tǒng)管閥狀態(tài)。查漏發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)集中在汽輪機(jī)排汽缸軸承及低壓軸封區(qū)域、低壓缸真空防爆門、人孔門等處，對于那些可直接處理的漏點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行堵漏，對于只能通過檢修開缸處理的漏點(diǎn)結(jié)合開缸檢修處理。通過檢查發(fā)現(xiàn)了除氧器的抽汽冷凝器有一路疏水管路接至除氧器真空泵的進(jìn)口閥后，該路管道閥門內(nèi)漏或者未關(guān)閉將直接影響真空嚴(yán)密性，由于該路疏水已有分支接至凝汽器，故將該路管路物理隔絕。

4.4 高低壓軸封管道改造

汽輪機(jī)啟停機(jī)階段的軸封蒸汽由輔助蒸汽提供。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷足夠高時(shí)，由高壓軸封漏汽通過軸封母管向低壓軸封供汽。運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，軸封汽壓力調(diào)高時(shí)高壓側(cè)軸封容易漏汽，造成潤滑油系統(tǒng)進(jìn)水；軸封汽壓力調(diào)低時(shí)，容易造成低壓側(cè)軸封漏入空氣[10]。針對這個(gè)情況，實(shí)施了高低壓軸封管路分離改造。通過改造，解決了潤滑油系統(tǒng)進(jìn)水問題，也降低了低壓側(cè)軸封漏氣，但通過監(jiān)測低壓軸封回汽溫度以及氦氣查漏發(fā)現(xiàn)，低壓軸封漏氣情況仍然存在。

4.5 汽缸密封面和低壓軸封間隙處理

4.5.1 汽缸密封面處理。

機(jī)組解體后，徹底清理低壓缸中分面、軸封密封面以及腔室內(nèi)管道的法蘭面等，復(fù)裝時(shí)使用汽缸密封脂或新墊床并確保安裝規(guī)范、可靠。

4.5.2 調(diào)整低壓軸封間隙。

機(jī)組解體后發(fā)現(xiàn)低壓軸封的徑向間隙在0.45 ～0.55 mm，而設(shè)計(jì)值為0.30 ～0.45 mm，大于設(shè)計(jì)值0.10 mm 左右，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)重新調(diào)整該間隙。

5 處理效果

5.1 汽輪機(jī)凝汽器真空

收集具有對比意義的處理前、處理后運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算凝汽器壓力下的飽和溫度、端差，并用熱平衡方法計(jì)算量凝汽器熱負(fù)荷、循環(huán)水流量和凝汽器總體傳熱系數(shù)等參數(shù)，得出以下結(jié)論：處理后真空凝汽器真空提高1.4 ～2.1 kPa，端差下降約4.4 ℃，見圖3 至圖6。

圖3 排汽流量-凝汽器壓力（一機(jī)兩泵）

圖4 凝汽器壓力和排汽流量的關(guān)系（一機(jī)三泵）

圖5 端差和排汽流量的關(guān)系（一機(jī)兩泵）

圖6 端差和排汽流量的關(guān)系（一機(jī)三泵）

基于運(yùn)行數(shù)據(jù)和凝汽器總體傳熱系數(shù)計(jì)算公式[11]計(jì)算得到了兩個(gè)工況下的總體傳熱系數(shù)。處理前一機(jī)兩泵工況總體傳熱系數(shù)在4556.6 ～8330 kJ/(m2· ℃)， 一機(jī)三泵總體傳熱系數(shù)在6470.4 ～11017.1 kJ/(m2·℃)；處理后一機(jī)兩泵工況總體傳熱系數(shù)在10044.5 ～10924.9 kJ/(m2·℃)，一機(jī)三泵總體傳熱系數(shù)在13338 ～15080.6kJ/(m2·℃)。結(jié)果表明，處理后一機(jī)兩泵工況總體傳熱系數(shù)相比改造前提高了85.04%，一機(jī)三泵工況相比改造前提高50.54%。

5.2 凝汽器真空嚴(yán)密性

處理結(jié)束后，在不同工況下進(jìn)行了多次真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，選取了凝汽器進(jìn)汽量分別為90 t/h到240 t/h 四個(gè)不同工況（汽機(jī)負(fù)荷從15 MW 到74 MW）進(jìn)行凝汽器真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，真空下降速度在0.10 ～0.16 kPa/min 之間，全部合格。表2 是處理后4 次真空嚴(yán)密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 檢修后汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

某燃機(jī)配套抽凝汽輪發(fā)電機(jī)組自投產(chǎn)后一直存在真空低、真空嚴(yán)密性差的問題，通過對汽輪機(jī)進(jìn)行凝汽器鈦管高壓沖洗、增裝強(qiáng)化換熱裝置、真空系統(tǒng)查漏、高低壓軸封管路分離改造、汽缸密封面處理以及低壓軸封間隙調(diào)整等一系列措施，基本解決了該汽輪機(jī)的真空差及真空嚴(yán)密性不合格問題，凝汽器的總體傳熱系數(shù)提高50%～85%，改善了凝汽器真空，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。上述措施對于同類型機(jī)組解決凝汽器真空低和真空嚴(yán)密性差問題具有一定的借鑒和參考意義。