双背压汽轮机冷端系统的优化

高清林

(福建电力职业技术学院,福建 泉州 362000)

1 概 述

冷端系统是凝汽式汽轮机装置的一个重要辅助系统,其性能的好坏将直接影响整个装置的经济性和安全性。多压凝汽器作为一项大机组的节能新技术,在一定的条件下,能提高凝汽器的真空度、减少凝汽器的冷却面积或减少循环冷却水流量,从而提高机组循环热效率、减少投资或降低运行成本,因而在大型多排汽口汽轮机中,得到了日益广泛的应用,在20世纪90年代,我国新建的大型电站也开始逐步普及使用双压凝汽器。

2 双压凝汽器冷端系统存在的问题

至今,双背压汽轮机在国内电站中的应用已有多年,但其冷端系统在设计和运行上,仍有许多方面有待进一步改进和完善。

2.1 凝结水的温度

对于双压凝汽器,其高压凝汽器凝结水的温度高于低压凝汽器凝结水的温度,若简单地依靠两壳体之间的压差,使高压凝汽器的凝结水自流到低压凝汽器,则最终由低压凝汽器热井输出的凝结水温度,将低于高压凝汽器的凝结水温度,降低了机组的热经济性。

2.2 抽气系统连接方式不尽合理

在汽轮机组正常运行过程中,为维持凝汽器内已建立的真空,必须由抽气系统连续不断地把漏入真空系统的空气和不凝结气体(以下简称气体)抽出,抽气系统性能的好坏将直接影响到凝汽器的运行状况。在现役的大型汽轮机组中,与双压凝汽器配套的抽气系统大多采用并联或串联的连接方式。

采用并联连接的抽气系统,由高、低压两凝汽器各自引出的抽气管道分别接到抽气母管上,再由抽气母管连接到3台抽气设备(真空泵或抽气器),如图1(a)所示。这种连接方式,因高、低压凝汽器的抽气管道阻力相近,而两管之间又存在着压力差,又是汇集到同一母管后与抽气设备相连接,这就难免会在两管之间出现“排挤现象”,致使低压凝汽器中的气体又无法排净。

图1 双压凝汽器抽气系统的连接方式

采用串联连接的抽气系统,高压凝汽器中两管束区的气体分别导入到同一水流程的低压凝汽器,由低压凝汽器引出的2根抽气管道,汇集到抽气母管后,再连接到抽气设备,如图1(b)所示。采用这种连接方式时,气体依靠压差由高压凝汽器流向低压凝汽器,增加了低压凝汽器的抽气负荷,对低压凝汽器气体的抽出可能产生不利影响,并且容易引起高、低压凝汽器的相互干扰,影响凝汽器的传热性能。

由于抽气系统设计的不合理,将会削弱双背压运行所带来的好处,即使在真空严密性良好,换热面清洁,循环水量正常的情况下,抽气系统的缺陷仍会对凝汽器的运行状况产生很大的影响,导致低压凝汽器的端差偏大,真空偏低。

2.3 循环水系统的缺陷

近年来,随着双背压运行优势的日益显现,一些火电厂也纷纷对大、中型汽轮机的凝汽器进行技术改造,其中典型的事例是将300MW机组的凝汽器,由单压改为双压。为节省技改费用,有些电厂就简单地将图2(a)中一侧管束出口的冷却水,直接引入另一侧入口,将原来的单压双流程凝汽器改造为双压双流程凝汽器,如图2(b)所示。这种改造看似改动很小,殊不知该方案如果不成倍增大冷却管内水的流速,其循环水量将成倍减少,满足不了机组要求;如果要增加流速保证水流量,则水阻将大大增加,而且需要更换扬程更高的循环水泵,这就增加了设备投资和运行费用,大大削弱了双背压运行的优势,同时,循环水流速的提高,还会导致冷却管入口处冲击腐蚀更加严重,影响凝汽器的安全运行。

图2 双压凝汽器循环冷却水系统的优化

3 冷端系统的设计与运行优化

3.1 凝结水的回热除氧

实际上,采用双背压运行对汽轮机热经济性提高的原因之一,是提升了凝结水的出口温度以及减少了末级低压加热器抽汽量。为此,在进行双压凝汽器设计时,应考虑将低压凝汽器的凝结水输送到高压凝汽器中(如图3所示),利用高压凝汽器中的蒸汽,将其加热到高压凝汽器压力所对应的饱和温度,并使凝结水得到初步除氧,以减小凝结水的过冷度和溶氧量,提升凝结水的出口温度,减少末级低压加热器的抽汽量,达到降低发电热耗率的效果。

图3 双压凝汽器结水的回热除氧

3.2 抽气系统的优化设计

在考虑双压凝汽器抽气系统的连接方式时,应注意防止低压凝汽器的抽气不足和避免高、低压凝汽器抽气管道之间的相互排挤。

对采用串联连接抽气系统的在役双压凝汽器,为弥补低压凝汽器的抽气不足,一方面应使气体在低压凝汽器的冷端尽可能地冷却到较低的温度,以减轻抽气负荷;另一方面应选取容量较大的抽气设备,加大抽气量。

对采用并联连接抽气系统的在役双压凝汽器,为避免高、低压凝汽器的抽气管道之间相互排挤,可在高压凝汽器的抽气管道上设置调节气门,以便在运行中根据机组负荷变化调节该抽气管道的阻力,使两管出力均衡,在高压凝汽器的真空基本不变的情况下,提高低压凝汽器的真空。

要彻底解决抽气系统存在的问题,最好的方式是采用单独连接的抽气系统,即高压凝汽器的抽气管道单独连接到1台抽气设备(另设1台备用),低压凝汽器的抽气管道单独连接到另1台抽气设备(另设1台备用),如图1(c)所示。两抽气管道相互独立,互不影响,彻底消除了两抽气管道的“排挤现象”。

从设备投资看,抽气系统采用串联连接时只需配备2台抽气设备,采用并联连接时也只需配备3台抽气设备,而采用单独连接则需配备4台抽气设备;但从机组运行的热经济性看,串联、并联、单独连接方式依次见好。为既能减少设备投资,又能提高机组运行经济性,还可将抽气系统按并联连接方式设计,并在高、低压凝汽器的抽气管道之间增设联络门及其保护联开逻辑,如图1(d)所示。在机组正常运行时,联络门关闭,抽气系统按独立方式运行,一旦运行的任何1台抽气设备故障跳闸,联络门将快速开启,恢复并联运行方式,待故障处理后,联络门重新关闭,恢复正常的独立运行方式。

3.3 循环水系统的优化

3.3.1 循环水系统的改造

如果将原来的单压双流程凝汽器改为双压单流程凝汽器,如图2(c)所示,这种改造虽然由双流程变为单流程,但循环水流经冷却管的次数不变,水阻等其它参数也基本不变,循环水量仍可满足需求;同时,这种改造方案对凝汽器本身改动很少,投资不多。

3.3.2 循环水系统的优化运行

由汽轮机原理可知,在一定条件下,提高凝汽器的真空可以增加汽轮机的功率。但并非真空越高越好,只有当汽轮机因真空提高所获得的功率增量与为提高真空而使循环水泵耗功增量之差为最大时,所对应的真空才是最佳真空。如果一味地增加冷却水量,使凝汽器内的真空高于最佳真空,反而会使电厂出力减少。在不同季节、不同负荷下,可以通过循环水泵投运台数的合理组合,使机组微增出力与循环水泵耗功增量之差达到最大值,以使循环水系统实现最优运行方式。

3.3.3 利用循环水供热

双压凝汽器的采用虽然在一定程度上减少了冷端损失,但循环冷却水还是带走了大量的热量,这些热量由于品位低而难以回收利用。为了实现废热利用,可对纯凝汽式的双压凝汽器进行循环水供热的改造,实现低真空或半面纯凝半面低真空的供热运行方式,使循环冷却水达到较高的温度,为周边居民取暖或生活供应热水,如图2(d)所示。运行中通过对循环水泵和阀门的控制,调节供热的循环水温度和水量,可以满足非采暖期、采暖初期、采暖高峰期等不同热负荷的供热需要。

4 结束语

为充分发挥双背压汽轮机的技术优势,最大程度地体现其经济效益,在对其冷端系统进行优化时,不能仅局限于凝汽器本身,还应顾及到抽气系统和循环冷却水系统。对于凝汽器,应考虑低温凝结水的回热除氧,力求减小凝结水的过冷度和溶氧量;而循环冷却水系统的运行,应以最佳真空为其优化目标,并考虑利用循环冷却水供热,以利节能减排;在设计抽气系统时,既要注意防止低压凝汽器的抽气不足,也要注意避免高、低压凝汽器抽气管道之间的相互排挤。

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