凝汽器在線清洗裝置工程應(yīng)用及其性能評(píng)估

王加勇，徐世明 ，代軍科，張華芳

(1.蘇州熱工研究院有限公司性能試驗(yàn)中心，江蘇 蘇州 215004；2.華能營(yíng)口熱電有限公司策劃部，遼寧 營(yíng)口 115000)

凝汽器是蒸汽動(dòng)力循環(huán)發(fā)電機(jī)組的重要環(huán)節(jié)，它的工作狀態(tài)直接影響了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]，其作用是使機(jī)組維持一定的背壓。凝汽器的性能不僅影響汽輪機(jī)的循環(huán)效率，而且影響機(jī)組的安全運(yùn)行[2-3]。對(duì)于超臨界機(jī)組，±1 kPa的背壓變化會(huì)引起汽輪機(jī)輸出功率±1%～±2%的變化[4]。因此，研究凝汽器性能對(duì)于機(jī)組的安全高效運(yùn)行尤為重要[5]。

某1 000 MW機(jī)組凝汽器加裝在線清洗裝置，可及時(shí)沖走凝汽器堵塞物和泥垢，保持內(nèi)部清潔，并通過熱力性能試驗(yàn)驗(yàn)證了增加在線清洗裝置的凝汽器性能變化，凝汽器揭缸檢查也證明了這一點(diǎn)。同時(shí)，大修后機(jī)組正常運(yùn)行后，對(duì)凝汽器在線清洗裝置正常投運(yùn)的條件下傳熱性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了在線清洗裝置實(shí)用性。凝汽器在線清洗裝置在不停機(jī)的情況下定期實(shí)時(shí)自動(dòng)有效清潔凝汽器冷卻管內(nèi)壁，改善汽輪機(jī)凝汽器冷卻管的換熱效率，提高機(jī)組性能，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約能源的效果。本文以工程實(shí)踐為例，驗(yàn)證增加凝汽器在線清洗裝置的實(shí)用性，針對(duì)存在類似問題的凝汽器有一定的推廣意義。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 對(duì)數(shù)平均溫差

對(duì)數(shù)平均溫差公式如下：

(1)

式中ts——凝汽器壓力下的飽和蒸汽溫度，℃；t1——冷卻水進(jìn)口溫度，℃；t2——冷卻水出口溫度，℃；△t——冷卻水溫升，℃；δt——凝汽器傳熱端差，℃；LMTD——對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

1.2 凝汽器熱負(fù)荷

對(duì)數(shù)平均溫差公式如下：

Q=W×cp×(t2-t1)

(2)

式中Q——凝汽器熱負(fù)荷，kW；cp——冷卻水平均溫度下的比熱容，kJ/(kg·℃)；W——冷卻水流量，kg/s。

1.3 凝汽器總體傳熱系數(shù)

凝汽器總體傳熱系數(shù)公式如下：

(3)

式中KT——試驗(yàn)總體傳熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；A——凝汽器面積，m2。

1.4 總體傳熱系數(shù)的修正

試驗(yàn)時(shí)凝汽器熱負(fù)荷、循環(huán)冷卻水流量、凝汽器進(jìn)口循環(huán)水溫度跟設(shè)計(jì)工況難免存在一定的偏差。

試驗(yàn)測(cè)得的總體傳熱系數(shù)不能跟設(shè)計(jì)值直接對(duì)比，不同時(shí)期的試驗(yàn)結(jié)果也不能直接比較，為此，需將試驗(yàn)測(cè)得的總體傳熱系數(shù)換算到設(shè)計(jì)條件下，這個(gè)計(jì)算過程被稱為修正。參照HEI標(biāo)準(zhǔn)，總體傳熱系數(shù)的修正計(jì)算公式如下：

Fc=KT×Fv×Ft

(4)

(5)

(6)

式中KT——修正后的總體傳熱系數(shù)；Fυ——流量修正系數(shù)；Ft——水溫修正系數(shù)。

1.5 凝汽器壓力的修正

參照HEI標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，對(duì)凝汽器試驗(yàn)壓力進(jìn)行凝汽器熱負(fù)荷、冷卻水進(jìn)口溫度和冷卻水流量的修正，修正至設(shè)計(jì)條件下的凝汽器壓力。

(7)

(8)

式中tsc——凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度修正值，℃；t1D——設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度，℃；Δtc——修正至設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度和流量時(shí)的溫升，℃；δtc——修正至設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度和流量時(shí)的端差，℃；QD——設(shè)計(jì)熱負(fù)荷，kW；WD——設(shè)計(jì)冷卻水流量，kg/s；X——修正總體傳熱系數(shù)后的對(duì)數(shù)平均溫差系數(shù)。

計(jì)算得到飽和溫度tsc后，即可查水蒸汽熱力性質(zhì)表，得到凝汽器修正壓力。結(jié)合凝汽器性能計(jì)算理論，開展增加在線清洗裝置對(duì)凝汽器性能熱力試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

2 熱力性能試驗(yàn)結(jié)果分析

本次以機(jī)組額定負(fù)荷工況下評(píng)價(jià)凝汽器加裝在線清洗裝置經(jīng)濟(jì)性。大修前利用機(jī)組熱力性能試驗(yàn)展開凝汽器試驗(yàn)，對(duì)凝汽器性能進(jìn)行摸底，作為在線裝置投切下凝汽器性能基準(zhǔn)。

大修期間加裝凝汽器在線清洗裝置，由于大修期間對(duì)凝汽器進(jìn)行了機(jī)械清洗，為減少大修對(duì)凝汽器的性能評(píng)估干擾，以運(yùn)行三個(gè)月后開展加裝在線沖洗裝置凝汽器性能試驗(yàn)。1 000 MW負(fù)荷工況下，修正至設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度和設(shè)計(jì)冷卻水流量等邊界條件下，凝汽器平均壓力為4.26 kPa。大修前1 000 MW負(fù)荷工況下，修正至設(shè)計(jì)熱負(fù)荷、設(shè)計(jì)進(jìn)口水溫和設(shè)計(jì)冷卻水流量等邊界條件下的凝汽器壓力為4.82 kPa。大修運(yùn)行三個(gè)月后相比大修前，背壓下降0.56 kPa，機(jī)組發(fā)電煤耗率降低約1.24 g/kWh，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

采用在線清洗技術(shù)，根據(jù)凝汽器運(yùn)行情況定期清洗，每次清洗耗電600 kWh/次，每年耗電不超過8萬(wàn)kWh，加上維護(hù)備件費(fèi)不會(huì)超過15萬(wàn)元，參照目前電負(fù)荷率節(jié)約燃煤成本300萬(wàn)元。

由此可見，在額定負(fù)荷情況下，加裝在線清洗裝置經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，當(dāng)?shù)拓?fù)荷時(shí)單臺(tái)循泵運(yùn)行，循環(huán)水流速低，凝汽器更容易結(jié)垢，在線清洗更為有利。

3 投切凝汽器在線清洗裝置揭缸檢查

根據(jù)調(diào)研，沿海電廠采用海水直流循環(huán)，由于海水泥沙沉積及周邊海產(chǎn)品養(yǎng)殖問題，加上潮水作用，雜物也較多，沿海大型煤電機(jī)組不同程度地存在泥垢等方面的問題，凝汽器清潔程度對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響明顯。尤其是低負(fù)荷，機(jī)組運(yùn)行采用單泵或低速泵低流速運(yùn)行，積泥更為嚴(yán)重，針對(duì)凝汽器這類問題，增加在線清洗裝置更為必要。

利用機(jī)組大修期間加裝凝汽器在線清洗裝置，停機(jī)后對(duì)凝汽器進(jìn)行拍照留檔，可見凝汽器內(nèi)壁表面有層泥垢，對(duì)換熱管傳熱和流動(dòng)阻力雙重危害影響。凝汽器在線裝置運(yùn)行半年后，利用機(jī)組臨停的機(jī)會(huì)，打開凝汽器人孔門，在線清洗裝置對(duì)凝汽器清潔度具有一定的保持作用。

凝汽器加裝凝汽器在線清汽裝置性能對(duì)比結(jié)果如表1所示。表1凝汽器熱力性能試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了這點(diǎn)。

表1 凝汽器加裝凝汽器在線清洗裝置性能對(duì)比線果

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)某1 000 MW機(jī)組大修期間加裝凝汽器在線清洗裝置，在相同凝汽器熱負(fù)荷和海水條件下，加裝在線機(jī)器人清洗裝置進(jìn)行清洗后，凝汽器總體傳熱系數(shù)由改造前的3.13 kW/(m2·K)提高5.19 kW/(m2·K)；改造后凝汽器較改造前下降0.56 kPa，發(fā)電煤耗降低約1.24 g/kWh。

采用在線清洗技術(shù)，根據(jù)凝汽器運(yùn)行情況定期清洗，每次清洗耗電600 kWh，每年耗電不超過8萬(wàn)kWh，加上維護(hù)備件費(fèi)不會(huì)超過15萬(wàn)元，參照目前電負(fù)荷率節(jié)約燃煤成本300萬(wàn)元，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況在一到二年收回改造成本。