李 偉
(國電科學(xué)技術(shù)研究院,江蘇 南京 210031)
凝汽設(shè)備是汽輪機(jī)組的重要輔機(jī)之一,是電廠熱力循環(huán)中的重要一環(huán),對(duì)整個(gè)火電廠的建設(shè)和安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著決定性的影響。由于結(jié)構(gòu)和運(yùn)行等方面的缺陷,新老機(jī)組凝汽器都不同程度地存在著凝結(jié)水的過冷卻現(xiàn)象。凝結(jié)水的過冷卻,一方面降低了系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性,另一方面導(dǎo)致凝結(jié)水溶氧量增多,加劇了低壓回?zé)嵯到y(tǒng)的腐蝕,不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。因此有必要對(duì)凝結(jié)水過冷卻現(xiàn)象加以重視,以提高機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。
根據(jù)現(xiàn)代矩陣分析方法定量研究凝結(jié)水過冷度對(duì)某600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響,并從凝汽器的運(yùn)行以及檢修維護(hù)等角度,提出減小凝結(jié)水過冷度的對(duì)策,以此來提高機(jī)組運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。
凝結(jié)水過冷度可定義為在凝汽器殼體中的絕對(duì)靜壓力下凝結(jié)水離開熱井時(shí)的溫度與凝汽器中蒸汽的飽和溫度之差[2],如圖1所示。
圖1 凝結(jié)水過冷度的熱單位表示示意圖
1.2.1 溫度形式
式中:Δtc為凝結(jié)水過冷度;ts為凝汽器絕對(duì)壓力下的飽和溫度;tc為凝汽器熱井中凝結(jié)水溫度。
1.2.2 熱單位形式
凝汽器內(nèi)由于冷卻水管布置過密和排列不當(dāng),使蒸汽空氣混合物通往凝汽器的管束中心和下部時(shí)遇到很大的流動(dòng)阻力,即存在很大的汽阻,引起凝汽器內(nèi)部絕對(duì)壓力從凝汽器入口到抽氣口逐漸降低,使得凝汽器大部分區(qū)域的蒸汽實(shí)際凝結(jié)溫度要低于凝汽器入口處的飽和溫度,形成了過冷度;同時(shí)造成蒸汽負(fù)荷大部分集中在上部的幾排銅管,蒸汽所凝結(jié)的水通過過密的管束,在冷卻水管的外側(cè)形成一層水膜,再次冷卻凝結(jié)水。加之排汽不能回?zé)釤峋心Y(jié)水,更加劇了凝結(jié)水的過冷卻。其中,凝汽器的汽阻過大是影響凝結(jié)水過冷度的一個(gè)很重要的因素。
在機(jī)組運(yùn)行過程中,處于真空條件下的凝汽器、汽輪機(jī)的排汽缸以及低壓給水加熱系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)嚴(yán)密性變差,則造成空氣的漏入;另一方面,抽氣器工作不正常,不能及時(shí)地把凝汽器內(nèi)的空氣抽走。這2方面使得凝汽器中積存的空氣等不凝結(jié)氣體增加。這樣不僅在冷卻水管的表面會(huì)構(gòu)成傳熱不良的空氣膜,降低傳熱效果,增加傳熱端差;同時(shí)由于凝汽器內(nèi)的蒸汽混合物中空氣成分的增高,蒸汽分壓力的數(shù)值相對(duì)于混合物的總壓力就會(huì)降低,這種蒸汽含量較少的空氣蒸汽混合物將在更低溫度的情況下凝結(jié),因而產(chǎn)生了凝結(jié)水的過冷卻。
運(yùn)行中,凝汽器水位過高,將使凝汽器下面部分凝汽器銅管浸入凝結(jié)水中,由于下面幾排銅管中的冷卻水又帶走了一部分凝結(jié)水的熱量,導(dǎo)致凝結(jié)水產(chǎn)生過冷卻。
試驗(yàn)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,在一定的蒸汽負(fù)荷下,當(dāng)冷卻水入口溫度降低或流量增加時(shí),凝汽器壓力降低,真空增加,進(jìn)入熱井的凝結(jié)水的過冷度將增大。
凝汽器蒸汽負(fù)荷的大小對(duì)凝結(jié)水過冷度也有一定的影響。根據(jù)前蘇聯(lián)的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于汽流向心式凝汽器,隨著蒸汽負(fù)荷的提高,過冷度增大。而對(duì)于汽流側(cè)流式凝汽器,蒸汽負(fù)荷升高時(shí),過冷度減小。對(duì)于非回?zé)崾侥鳎羝?fù)荷減小時(shí),將不可避免地會(huì)引起過冷度增加。
由于凝結(jié)水的過冷卻,使傳遞給冷卻水的熱量增加,冷源損失增大,導(dǎo)致系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性下降。凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響可以參考圖1,本文借助矩陣法和偏微分理論對(duì)某引進(jìn)型600 MW機(jī)組進(jìn)行定量分析,該機(jī)組的熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)見參考文獻(xiàn)[1]的附錄所示。根據(jù)火電廠熱力系統(tǒng)汽水分布通用矩陣方程[4],可以寫出該機(jī)組熱力系統(tǒng)的汽水分布方程:
式中:A為熱力系統(tǒng)的主系數(shù)矩陣;αi為抽汽矩陣;αk為輔助汽水矩陣;ql為輔助能量矩陣。輔助汽水具體劃分參見文獻(xiàn)[4]。
凝結(jié)水過冷度引起機(jī)組抽汽量變化屬于小擾動(dòng)范疇[5],因此可認(rèn)為過冷度增大時(shí),僅對(duì)末級(jí)抽汽加熱器產(chǎn)生影響,而對(duì)進(jìn)出系統(tǒng)的輔助汽水流量和輔助能量沒有影響,考慮到的變化不會(huì)對(duì)輔助汽水流量以及輔助能量產(chǎn)生影響,因此將式(3)兩邊分別對(duì)求取偏微分,可得:
化簡后得:
根據(jù)汽水分布方程中關(guān)于 qi,γi,Ti定義[4],可得:
將式(6),(7)代入式(5)并整理得
式(8)即為凝結(jié)水過冷度對(duì)回?zé)嵯到y(tǒng)抽汽量影響的分析計(jì)算表達(dá)式,根據(jù)該式可方便的計(jì)算出凝結(jié)水過冷度變化對(duì)各級(jí)回?zé)岢槠康挠绊憽?/p>
根據(jù)循環(huán)熱效率的計(jì)算式[6]
將式(9)對(duì)凝結(jié)水過冷度求偏微分得:
而機(jī)組比功率方程[6]:
將(10)式兩邊求偏微分,并整理得:
式(12)即為凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組作功影響的分計(jì)算式,根據(jù)該式可計(jì)算出凝結(jié)水過冷度變化對(duì)汽輪機(jī)組作功量的影響。
機(jī)組吸熱量方程為Q=h0+αz·rσ-,且凝結(jié)水過冷度變化不會(huì)影響機(jī)組吸熱量大小,即,因此將=0 和式(11)代入式(10)并整理得凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組循環(huán)熱效率影響的計(jì)算式:
將該機(jī)組某一工況下的熱力系統(tǒng)參數(shù),代入上述所推導(dǎo)的定量分析式中,即可得計(jì)算凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。分別選取凝結(jié)水的過冷度為1℃,2℃,3℃,4℃和5℃時(shí),計(jì)算了其對(duì)600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響大小,計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 凝結(jié)水過冷度對(duì)600 MW機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算結(jié)果
由表1可知,當(dāng)凝結(jié)水過冷度達(dá)到5℃時(shí),對(duì)機(jī)組相對(duì)循環(huán)效率降低0.0737%,通過計(jì)算,其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響大小是0.134 g/(kW·h),以機(jī)組年平均運(yùn)行7000 h計(jì),一年就多耗標(biāo)煤941.4 t。因此,凝結(jié)水過冷度對(duì)大型機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性具有較大的影響,且過冷度越大,機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性越差。
凝結(jié)水過冷度威脅機(jī)組安全性和可靠性,同時(shí)也給機(jī)組經(jīng)濟(jì)性帶來一定的下降。且過冷度的存在還使凝結(jié)水溶氧量增加影響到低壓給水系統(tǒng)腐蝕。因此要從各個(gè)方面引起足夠的重視,降低凝結(jié)水過冷度,提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性,主要措施有:
(1)在運(yùn)行中,要保證設(shè)備的嚴(yán)密性,防止空氣漏入。這不僅是為了維持凝汽器的高真空度,也是防止凝結(jié)水過冷產(chǎn)生的有效措施之一。
(2)運(yùn)行中嚴(yán)格控制凝汽器水位。要求運(yùn)行人員對(duì)凝汽器水位進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)視,并可裝設(shè)凝汽器水位調(diào)節(jié)器和報(bào)警裝置,防止水位過高,還可采用凝汽器低水位運(yùn)行方式以對(duì)于舊式凝汽器改造與使用。
(3)在檢修過程中檢查凝汽器內(nèi)結(jié)構(gòu)裝置,對(duì)真空系統(tǒng)跑水查漏,重點(diǎn)檢查的部位,如凝汽器喉部,低壓抽汽管路,低壓缸接合面對(duì)凝汽器水位調(diào)節(jié)器及軸封壓力調(diào)節(jié)器等。對(duì)抽真空系統(tǒng),應(yīng)盡量保持真空泵或抽汽器的效率,以便及時(shí)抽出凝汽器內(nèi)部凝結(jié)氣體。
(1)從不同方面分析了凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因。以某引進(jìn)型600 MW機(jī)組為例,應(yīng)用現(xiàn)代矩陣分析方法和偏微分理論,定量分析了凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響。計(jì)算結(jié)果表明,凝結(jié)水過冷度對(duì)大型機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響,控制和消除凝結(jié)水過冷度,可顯著提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
(2)在凝汽器的運(yùn)行監(jiān)測中,凝結(jié)水過冷度過大還會(huì)影響凝結(jié)水的含氧量,因此是一個(gè)不容忽視的問題,應(yīng)保證其盡可能的減小、控制和消除,來提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性,進(jìn)一步提高機(jī)組的效率。
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