大型機(jī)組雙壓凝汽器系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

摘要：火力發(fā)電廠是我國(guó)目前最主要的發(fā)電廠，而凝汽器是火力發(fā)電廠最重要的組成部分之一。現(xiàn)對(duì)雙壓凝汽器的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了分析，針對(duì)雙壓凝汽器的優(yōu)化運(yùn)行提出了最佳的負(fù)荷分配方案，能夠提高雙壓凝汽器的運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：雙壓凝汽器;計(jì)算;比較;優(yōu)化

1 雙壓凝汽器簡(jiǎn)介

1.1? ? 雙壓凝汽器工作原理

現(xiàn)如今運(yùn)行的大功率汽輪發(fā)電機(jī)組都有兩個(gè)或兩個(gè)以上的低壓缸，并且每個(gè)低壓缸都有兩個(gè)排汽口，每個(gè)或者是每對(duì)排汽口都與一個(gè)凝汽器的殼體相連接，并且每個(gè)殼體之間互不相通，這就使得它們各自在運(yùn)行中都有著不同的壓力，這就是雙壓凝汽器。

1.2? ? 雙壓凝汽器結(jié)構(gòu)

雙壓凝汽器的殼體被中間的隔壓板分成了左右兩個(gè)獨(dú)立的部分，做功后的蒸汽從汽輪機(jī)低壓缸出來(lái)后分別進(jìn)入左右兩個(gè)汽室A、B與冷卻水發(fā)生換熱，分別凝結(jié)匯聚后一起由凝結(jié)水泵送往低壓加熱器，最終送往鍋爐進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

從結(jié)構(gòu)來(lái)看，雙壓凝汽器與單壓凝汽器相差不大，冷卻水的入口、出口位置也基本相同，不同之處在于雙壓凝汽器比單壓凝汽器多了中間的隔壓板。冷卻水在流動(dòng)過(guò)程中，首先會(huì)流經(jīng)左側(cè)的汽室，接著才會(huì)流過(guò)右側(cè)的汽室。雙壓凝汽器與單壓凝汽器相比，在沿管束長(zhǎng)度方向上蒸汽負(fù)荷是不均勻的。對(duì)雙流程的凝汽器，或者雖然是單流程，但同一殼體內(nèi)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)管束冷卻管內(nèi)的冷卻水水流方向相反時(shí)，則可在一定程度上減輕這種蒸汽負(fù)荷的不均勻性。

1.3? ? 雙壓凝汽器運(yùn)行分析

圖1展示了蒸汽分別在單壓和雙壓凝汽器內(nèi)的換熱過(guò)程，其中實(shí)線(xiàn)表示雙壓，虛線(xiàn)表示單壓。從圖中可以看出蒸汽的換熱過(guò)程被中間隔壓板分成了兩部分，也正因?yàn)槿绱?，蒸汽在雙壓凝汽器內(nèi)的整體平均溫度要低于在單壓凝汽器內(nèi)的溫度，這也是雙壓凝汽器優(yōu)于單壓凝汽器的原因之一。

在雙壓凝汽器傳熱的前一部分，蒸汽的凝結(jié)溫度小于在單壓凝汽器內(nèi)的凝結(jié)溫度;而在后一部分，蒸汽的凝結(jié)溫度大于在單壓凝汽器內(nèi)的凝結(jié)溫度，所以左右兩側(cè)汽室也分別被稱(chēng)為低壓汽室和高壓汽室。

1.4? ? 雙壓凝汽器的布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型發(fā)電機(jī)組雙壓凝汽器有多種布置形式，一般來(lái)說(shuō)，單壓凝汽器的各種布置形式，雙壓凝汽器也都可以采用。在電廠的實(shí)際運(yùn)行中，具體采用哪種布置方式，應(yīng)根據(jù)電站設(shè)備布置要求、汽輪機(jī)基座形式、冷卻水管線(xiàn)布置和凝汽器設(shè)計(jì)條件等綜合確定。

雙壓凝汽器能提高電站循環(huán)效率，這需要通過(guò)凝汽器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證。

1.4.1? ? 凝結(jié)水的輸送

冷端的凝結(jié)水能在熱端回?zé)崾翘岣咂啓C(jī)循環(huán)效率的原因之一，由于冷端和熱端存在著壓力差ΔP =Pk2-Pk1，當(dāng)把冷端凝結(jié)水輸送到熱端時(shí)，必然要消耗一部分附加能量以及抵消一部分雙壓凝汽器的收益。

凝結(jié)水采用輔助泵輸送，除需要增設(shè)專(zhuān)用的凝結(jié)水泵外，還要增加廠用電的消耗，必然使得電廠的投資成本增大。在多壓運(yùn)行的凝汽器中，廣泛采用的方案是重力輸水，它是借助冷、熱端凝結(jié)水位的高度差，由凝結(jié)水泵將凝結(jié)水打入回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)。

選擇重力輸水方式需要有一個(gè)合適的水位差，即冷端凝結(jié)水位要比熱端凝結(jié)水位高出H值，并且還要考慮一定的裕量，建議高度差取H=1.133ΔP，其中ΔP =Pk2-Pk1。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取雙壓凝汽器運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大壓力差ΔP，一般H≥300 mm。

1.4.2? ? 凝結(jié)水在熱端的回?zé)?/p>

冷端的凝結(jié)水借助高度差流到熱端的凝結(jié)水分配盤(pán)上，在那里與熱端的凝結(jié)水混合后從淋水盤(pán)小孔流下，再由熱端蒸汽加熱到接近熱端蒸汽下的飽和溫度。凝結(jié)水的回?zé)嵊?jì)算表明，被回?zé)岬哪Y(jié)水從淋水孔落下的高度不能低于300 mm。顯然具有回?zé)崾诫p壓凝汽器的熱井要比單壓式凝汽器熱井高度增加300 mm。這種高度增加所帶來(lái)的金屬材料費(fèi)用的增加，必然為凝結(jié)水回?zé)崽岣唠娬狙h(huán)效率所補(bǔ)償。

1.4.3? ? 真空抽氣系統(tǒng)

目前，在采用雙壓凝汽器的大型發(fā)電機(jī)組中，真空抽氣系統(tǒng)一般有3種：?jiǎn)为?dú)連接抽氣、串聯(lián)抽氣、并聯(lián)抽氣。這3種真空抽氣系統(tǒng)各有利弊，其中，單獨(dú)抽空氣系統(tǒng)效果最好，并聯(lián)抽空氣系統(tǒng)效果最差。

1.4.4? ? 真空破壞系統(tǒng)

運(yùn)行中當(dāng)機(jī)組事故停機(jī)和正常停機(jī)時(shí)，都需要破壞真空以加速停機(jī)，縮短轉(zhuǎn)子惰走時(shí)間。目前采用雙壓凝汽器系統(tǒng)的機(jī)組所采用的真空破壞系統(tǒng)是兩個(gè)殼體共用一個(gè)真空破壞閥。

1.5? ? 雙壓凝汽器存在的問(wèn)題及對(duì)策

1.5.1? ? 凝汽器端差

許多機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，在工作過(guò)程中，一般雙壓凝汽器的端差都要小于給定值。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因是機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中的嚴(yán)密性沒(méi)有達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一問(wèn)題，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)膠球系統(tǒng)維護(hù)，保證投入率和收球率;應(yīng)對(duì)凝汽器連接抽空氣管進(jìn)行調(diào)節(jié)或改進(jìn)，消除高壓側(cè)和低壓側(cè)抽空氣的排擠現(xiàn)象，以此提高雙壓凝汽器機(jī)組的真空嚴(yán)密性。

1.5.2? ? 循環(huán)水入口溫度

在發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行中，循環(huán)水入口溫度會(huì)高于設(shè)計(jì)值，主要原因是冷卻塔效率低和冬季低負(fù)荷時(shí)為防止真空過(guò)高引起低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)，開(kāi)啟循環(huán)水旁路管來(lái)降低真空。因此，機(jī)組檢修時(shí)，應(yīng)對(duì)冷卻塔的配水管和淋水填料等進(jìn)行檢查，更換損壞的部件，并定期對(duì)冷卻塔效率進(jìn)行試驗(yàn)。

1.5.3? ? 循環(huán)水溫升

許多機(jī)組的運(yùn)行實(shí)踐表明，在工作過(guò)程中，一般雙壓凝汽器的循環(huán)水溫升要小于給定值。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因是機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中循環(huán)水泵的優(yōu)化工作進(jìn)行得不夠徹底。因此，應(yīng)對(duì)循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)季節(jié)變化進(jìn)行調(diào)整，比如在冬季時(shí)將兩臺(tái)循環(huán)水泵切換為單臺(tái)運(yùn)行，并且要采取防止循環(huán)水管堵塞的預(yù)防措施。

1.5.4? ? 凝結(jié)水過(guò)冷度

在發(fā)電廠的實(shí)際運(yùn)行中，雙壓凝汽器熱水井凝結(jié)水基本處于過(guò)熱狀態(tài)，達(dá)到了消除過(guò)冷度的效果。但在機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)對(duì)水位標(biāo)定、熱水井底部清理、熱水井內(nèi)分配柵盤(pán)、熱水井內(nèi)U型管等項(xiàng)目進(jìn)行檢查。

1.6? ? 雙壓凝汽器的優(yōu)點(diǎn)

發(fā)電廠選用雙壓凝汽器系統(tǒng)，不僅可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，還可以在電廠設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)降低相關(guān)成本。

（1）燃料費(fèi)高的地區(qū)重在降低熱耗;

（2）水源不豐富的地區(qū)重在減少冷卻水量;

（3）材料費(fèi)高的地區(qū)重在減小冷卻面積。

2 雙壓凝汽器的優(yōu)化

凝汽器內(nèi)的熱力過(guò)程其實(shí)是一個(gè)傳熱過(guò)程，為使凝汽器的效率最高，就要使整個(gè)傳熱過(guò)程中產(chǎn)生的不可逆損失最小，即熵產(chǎn)最小。

以本章所提到的雙壓凝汽器為例，冷卻水入口溫度t1=20 ℃，冷卻水溫升Δt=8.2 ℃，則此雙壓凝汽器第一級(jí)熱負(fù)荷Q1=0.457Q總，該雙壓凝汽器優(yōu)化后運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以火力發(fā)電廠的凝汽器系統(tǒng)為研究對(duì)象，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合電廠的實(shí)際運(yùn)行計(jì)算，為凝汽器系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了可靠的理論依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)雙壓凝汽器的分析，提出了通過(guò)合理分配雙壓凝汽器的熱負(fù)荷來(lái)提高雙壓凝汽器的經(jīng)濟(jì)性，并結(jié)合實(shí)際計(jì)算對(duì)600 MW機(jī)組提出了具體的負(fù)荷分配方法，在實(shí)際運(yùn)行中也有很強(qiáng)的可實(shí)踐性，能在一定程度上提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

收稿日期：2021-08-18

作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)永清（1994—），男，山西忻州人，助理工程師，從事火力發(fā)電工作。