某340 MW機(jī)組凝汽器改造試驗分析

馬蘭香，韋紅旗

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京，210096)

凝汽器的換熱效果對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有很大的影響，目前國內(nèi)有很多老式凝汽器，由于設(shè)計年代早，管束排列方式落后，又經(jīng)過多年運行，冷卻管腐蝕泄漏嚴(yán)重，其換熱效果已嚴(yán)重影響整個機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行[1]。因此，對老式凝汽器進(jìn)行改造不僅可以提高電廠的效益，而且符合我國節(jié)能減排的發(fā)展要求。通過對國內(nèi)某電廠340 MW機(jī)組凝汽器改造試驗及其結(jié)果進(jìn)行分析，并對其改造效果進(jìn)行評價，對于其他電廠凝汽器改造具有一定的參考價值。

1 凝汽器設(shè)備概述及運行存在問題

1.1 設(shè)備概述

某電廠340 MW機(jī)組為前蘇聯(lián)哈爾柯夫汽輪機(jī)制造廠生產(chǎn)的K-320-23.5-4型沖動式、超臨界、一次中間再熱、單軸三缸、雙排汽、凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，1994年9月投產(chǎn)。2008年對通流部分進(jìn)行了改造，以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和出力，改造后型號為N340-23.54/540/540。

機(jī)組原主機(jī)凝汽器型式為K-17120，冷卻面積為17120 m2，冷卻水管材料為白銅，水室、端蓋及端部管板材料為碳鋼，進(jìn)入凝汽器的額定蒸汽量為568.6 t/h，循環(huán)水額定流量為33985 t/h，循環(huán)水設(shè)計溫升為8.9℃，凝汽器設(shè)計壓力為4.81 kPa，設(shè)計傳熱端差為3.3℃，循環(huán)水系統(tǒng)為開式循環(huán)，循環(huán)水取自長江。

1.2 運行存在問題及原因分析

主汽輪機(jī)凝汽器與循環(huán)水系統(tǒng)在運行過程中主要存在下列問題：

（1）由于主機(jī)凝汽器投用年限已達(dá)15年以上，凝汽器銅管泄漏嚴(yán)重且泄漏根數(shù)呈快速增加趨勢，被迫進(jìn)行封堵，導(dǎo)致凝汽器換熱面積不足，機(jī)組排汽壓力提高，從而嚴(yán)重影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行。此外，由于采用添加木屑堵漏，凝汽器膠球清洗裝置投用后，凝結(jié)水水質(zhì)迅速變差，致使目前凝汽器膠球清洗裝置無法正常投用，導(dǎo)致管束內(nèi)壁清潔狀況較差，進(jìn)一步影響了機(jī)組真空與經(jīng)濟(jì)性。

（2）長期以來主機(jī)凝汽器、小汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水系統(tǒng)不匹配，易發(fā)生主機(jī)凝汽器“搶水”、小汽輪機(jī)凝汽器缺水的問題，危及小汽輪機(jī)以及整個機(jī)組的安全投運。因此，運行中有意增加主機(jī)凝汽器進(jìn)口循環(huán)水門的節(jié)流，導(dǎo)致主機(jī)循環(huán)水流量不足、主機(jī)經(jīng)濟(jì)性降低。為保證主機(jī)、小汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運行，運行工作量較大。而將小汽輪機(jī)排汽直接引入主機(jī)凝汽器，則可以簡化系統(tǒng)，增加運行的靈活性[2]。

（3）由于汽輪機(jī)通流部分進(jìn)行了改造，機(jī)組容量由原先的320 MW增加到340 MW，加上取消小汽輪機(jī)凝汽器后小汽輪機(jī)排汽將直排主機(jī)凝汽器，使得原主機(jī)凝汽器更加不能滿足熱負(fù)荷的要求。

2 凝汽器改造內(nèi)容

2.1 主機(jī)凝汽器改造

主機(jī)凝汽器改造內(nèi)容主要包括：基于耐腐蝕性能、機(jī)械性能與造價等多種因素，冷卻水管采用不銹鋼管材PT304；為防止管內(nèi)壁結(jié)垢，保證凝汽器安全，同時滿足主機(jī)凝汽器換熱要求，選用D25×0.6 mm不銹鋼光管，換熱面積為19600 m2；為保證汽阻小，熱負(fù)荷分布均勻，流場分布合理，管束布置方案選擇“教堂窗”式布管方案；為保證水室水力流場平衡，減少冷卻管管端沖蝕，減少循環(huán)水流動阻力，水室全部更換為弧形水室[3]。改造后的凝汽器型式為N-19600，有效冷卻面積為19600 m2，循環(huán)水額定流量為33985 t/h，冷卻水管材料為不銹鋼PT304，水室、端蓋材料為碳鋼，端部管板材料為復(fù)合鋼板，循環(huán)水系統(tǒng)為開式循環(huán)，循環(huán)水取自長江。

2.2 小汽輪機(jī)凝汽器改造

小汽輪機(jī)排汽直排主機(jī)凝汽器改造內(nèi)容主要包括：取消小汽輪機(jī)凝汽器以及相應(yīng)的凝結(jié)水管道和系統(tǒng)；小汽輪機(jī)排汽采用DN2400管道直排主機(jī)凝汽器，增加DN2400的真空蝶閥；設(shè)計、增加排汽管道、真空蝶閥的支撐、懸吊、膨脹等構(gòu)件、部件，增加相關(guān)熱工測點（同時取消部分原有熱工測點）；部分其他蒸汽管道進(jìn)入主機(jī)凝汽器的接口改動。

3 改造前后試驗與分析

試驗參照ASME PTC6-2004[4]、DL/T 1078-2007[5]、HEI 9-1995[6]等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗前、后各進(jìn)行常用的高、中、低3種發(fā)電負(fù)荷 （320 MW，270 MW，220 MW），循環(huán)水泵采用單機(jī)單泵組合方式。

采用HEI方法計算，即利用HEI表面式凝汽器標(biāo)準(zhǔn)中提供的表格、曲線，由試驗水速與冷卻管管徑，計算它們對應(yīng)的基準(zhǔn)傳熱系數(shù)；根據(jù)進(jìn)口水溫計算水溫修正系數(shù)；根據(jù)管材與壁厚計算相應(yīng)的修正系數(shù)；根據(jù)凝汽器試驗數(shù)據(jù)計算其在試驗工況下的實際總傳熱系數(shù)；最后根據(jù)實際總傳熱系數(shù)除以基準(zhǔn)傳熱系數(shù)、除以水溫修正系數(shù)、除以管材/壁厚修正系數(shù)，可以得出凝汽器管束清潔系數(shù)（注：HEI標(biāo)準(zhǔn)中計算出的清潔系數(shù)，實際上包含了管束布置修正系數(shù)）。

將改造前后試驗數(shù)據(jù)修正至同一運行條件，即主蒸汽壓力、溫度和再熱蒸汽溫度修正至額定參數(shù)；循泵前倉水位、循環(huán)水進(jìn)水溫度修正至改造后試驗參數(shù)。

3.1 主機(jī)凝汽器改造前后經(jīng)濟(jì)性分析

表征凝汽器性能的主要指標(biāo)有：凝汽器真空、凝汽器端差、凝結(jié)水過冷度[7]。

凝汽器真空提高，同樣多的蒸汽在汽輪機(jī)中的做功量將增加。凝汽器真空降低1 kPa，會使汽輪機(jī)的汽耗量增加1.5%～2.5%[8]。凝汽器真空取決于循環(huán)水溫度和循環(huán)水流量，循環(huán)水溫度由環(huán)境決定，循環(huán)水流量取決于循環(huán)水泵出力及循環(huán)水管路特性。在極限真空內(nèi)提高凝汽器真空，將提高凝汽器真空后機(jī)組發(fā)電功率增量與為提高凝汽器真空所耗循環(huán)水泵功率增量之差最大時的真空稱為凝汽器最佳真空[9]。

凝汽器端差為凝汽器排汽壓力對應(yīng)的飽和溫度與凝汽器循環(huán)水出口溫度之差。凝汽器端差取決于凝汽器單位蒸汽負(fù)荷、傳熱系數(shù)和循環(huán)水流量，在單位蒸汽負(fù)荷和循環(huán)水流量一定的情況下，端差增大往往是由于凝汽器管束內(nèi)表面清潔系數(shù)降低及汽側(cè)積存過量空氣所致。凝汽器端差增大會使真空惡化，從而降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

凝結(jié)水過冷度指的是凝結(jié)水溫度低于汽輪機(jī)排汽壓力下飽和溫度的值。凝結(jié)水過冷度增大會造成煤耗增多，一般過冷度增加1℃，發(fā)電廠的燃料消耗量增加0.1%～0.15%[9]；此外，凝結(jié)水過冷度增大會使凝結(jié)水中溶解氧量增多，引起管道腐蝕。此次改造簽訂的保證指標(biāo)如下：

（1）凝汽器真空。在340 MW額定工況、真空嚴(yán)密性優(yōu)良、循環(huán)水進(jìn)水溫度20℃條件下，當(dāng)循環(huán)水量為33985 t/h時，凝汽器背壓不大于4.8 kPa；當(dāng)循環(huán)水量為28000 t/h時，凝汽器背壓不大于5.4 kPa；當(dāng)循環(huán)水量為22000 t/h時，凝汽器背壓不大于6.5 kPa。

（2）凝汽器端差。在30%到最大可能運行工況的整個負(fù)荷范圍內(nèi)，凝汽器端差不大于2.7℃（循環(huán)水水溫20℃）。

（3）凝結(jié)水過冷度。在30%到最大可能運行工況的整個負(fù)荷范圍內(nèi)，凝結(jié)水過冷度不大于0.5℃。

改造前、后單機(jī)單泵運行方式下的機(jī)組主要熱力參數(shù)對比如表1所示。

從表1中可以看出，改造后高、中、低3個負(fù)荷凝汽器的壓力分別為 7.06 kPa，6.39 kPa，5.78 kPa，根據(jù)HEI標(biāo)準(zhǔn)，修正至循環(huán)水流量為33985 t/h、循環(huán)水進(jìn)水溫度為20℃、額定熱負(fù)荷條件下，凝汽器壓力修正值分別為 4.77 kPa，4.77 kPa，4.77 kPa，均優(yōu)于保證值；

改造后高、中、低3個負(fù)荷凝汽器端差分別為2.43℃，2.10℃，1.77℃，根據(jù) HEI標(biāo)準(zhǔn)，修正至循環(huán)水流量為33985 t/h、循環(huán)水進(jìn)水溫度為20℃、額定熱負(fù)荷條件下，凝汽器端差修正值分別為2.54℃，2.54℃，2.50℃，均優(yōu)于保證值；

改造后高、中、低3個負(fù)荷凝汽器凝結(jié)水過冷度分別為-0.85℃，-1.15℃，-1.1℃，均優(yōu)于保證值。

在上述運行條件下機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率平均下降了 13.13 g/（kW·h）（為此次改造的總效益，已考慮到小汽輪機(jī)排汽直排主機(jī)凝汽器帶來的效益），節(jié)能效益非常顯著。但是，上述結(jié)果是將試驗參數(shù)修正至改造后循泵前倉水位、循環(huán)水進(jìn)口溫度為25.77℃的條件下（該水溫比較高）的。由于該次大、小汽輪機(jī)凝汽器改造主要在高水溫下有效益，而在低水溫條件下效益很小甚至沒有。按實際年平均效益為上述數(shù)值 的一半即6.56 g/（kW·h）、年平均發(fā)電15億kW·h 計，年平均節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤：15×108×6.56/106=9840 t?？紤]到長江水位的變化、水質(zhì)的影響以及其他因素，保守計算該項目年平均效益應(yīng)在7400 t標(biāo)準(zhǔn)煤以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.2 小汽輪機(jī)排汽直排主機(jī)凝汽器的經(jīng)濟(jì)性分析

小汽輪機(jī)直排主機(jī)凝汽器相對保留小汽輪機(jī)凝汽器的主要指標(biāo)如表2所示 （3個負(fù)荷點的平均值）。 將上述水溫范圍內(nèi)的總節(jié)能效益進(jìn)行平均，其平均值為 2.375 g/（kW·h），由于在水溫 14℃以下時，效益很小甚至沒有，而水溫在14℃以下的時段約占半年 （11月至次年4月），因此應(yīng)以半年計算，按年平均發(fā)電15億kW·h計，該單項改造的年效益為：15×108×2.375/106×0.5=1780 t標(biāo)準(zhǔn)煤?？紤]到長江水位的變化、水質(zhì)的影響以及其他因素，保守計算該單項改造的年平均效益應(yīng)在1300 t標(biāo)準(zhǔn)煤以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表1 改造前后機(jī)組主要參數(shù)對比（修正后）

表2 小汽輪機(jī)直排主機(jī)凝汽器相對保留小汽輪機(jī)凝汽器的主要指標(biāo)

4 結(jié)束語

凝汽器是電廠熱力循環(huán)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，對整個電廠的安全經(jīng)濟(jì)運行有很大影響。本文對某340 MW機(jī)組凝汽器改造及其試驗進(jìn)行了分析，結(jié)果表明主機(jī)凝汽器改造后，其傳熱性能提高、傳熱面積富裕量大，同時，小汽輪機(jī)凝汽器取消、排汽直排主機(jī)凝汽器，徹底解決了長期以來主機(jī)凝汽器進(jìn)口門嚴(yán)重節(jié)流運行的問題，改造后可以大幅提高主機(jī)循環(huán)水流量，降低主機(jī)背壓，提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。這2項改造經(jīng)估算其年平均效益在7400 t標(biāo)準(zhǔn)煤以上，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

[1]王 鵬，王進(jìn)仕，邵 珺.330 MW機(jī)組凝汽器改造及其經(jīng)濟(jì)性分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52（1）：71-73.

[2]吳季蘭.汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]王 偉.華能南京電廠1號機(jī)組凝汽器改造[J].科技縱橫，2009（12）：167-168.

[4]ASME PTC6—2004，汽輪機(jī)性能試驗規(guī)程[S].

[5]DL/T 1078—2007，表面式凝汽器運行性能試驗規(guī)程[S].

[6]HEI 9—1995，Standards for Steam Surface Condensers[S].

[7]王學(xué)棟，王學(xué)同，陳義森.老式凝汽器運行現(xiàn)狀分析與節(jié)能改造[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2007， 49(4)：308-311.

[8]康 松，楊建明，胥建群.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國電力出版社，2000.

[9]沈士一，莊賀慶，康 松，等.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國電力出版社，1998.