某燃气联合循环工程汽轮机冷端优化及分析

广东粤电滨海湾能源有限公司 王昱彭

某发电机、1台蒸汽轮机、1台无补燃三压再热型余热锅炉及其相关的辅助设备。每台汽机配置一台表面式凝汽器，汽机采用下排汽方式。凝汽器循环水采用污水处理厂市政中水，循环水浓缩倍率为4，根据中水水质分析估算，循环水中氯离子含量范围为170～1230mg/L，硫酸根含量范围为160～383mg/L。凝汽器换热管束采用钛管。

1 该工程凝汽器结构特点及其对机组性能的影响

该工程凝汽器的结构特点：凝汽器是蒸汽轮机的重要组成部分，其性能直接影响到整个机组热经济性[1]。凝汽器在汽机的热力循环中起到冷源的作用，降低汽轮机排汽背压就可减小冷端损失、提高热效率，从而增加蒸汽轮机出力。图1为表面式凝汽器结构示意图。该工程汽轮机型式为三压再热、抽凝式、高中压分缸、低压缸为向下双排汽，低压缸与凝汽器之间采用膨胀节连接。凝汽器型式采用表面式、单壳体、双流程、UT 型管束，换热管束为钛管。

图1 表面式凝汽器结构示意图

凝汽器对机组性能的影响：图2为主机厂提供的本工程100%负荷性能保证纯凝工况下初步凝汽器微增功率曲线，由此可见，随着排汽背压逐步降低汽机出力相应升高，据初步估算，背压每降低1kPa汽机出力增加约2200kW，但背压降至较低值后曲线变得较为平缓。影响凝汽器背压的主要因素有凝汽器面积、循环水流量和循环水温度等；凝汽器面积越大、循环水流量越大或循环水温度越低凝汽器背压越低，反之凝汽器背压越高。

图2 凝汽器微增功率曲线

2 凝汽器面积优化

为了进一步提高机组的经济性，该工程拟对冷端进行优化，以期达到更低的凝汽器背压，提高机组运行经济性。

增加凝汽器面积可以降低背压，而增加凝汽器面积理论上可通过增加换热管根数或加长换热管长度两种方式。若采用增加凝汽器换热管根数来增加面积的方式，在循环水流量不变的情况下，通过每根换热管的循环水流速会减小，相对原流速下，每根管子的换热能力有所影响，凝汽器背压降低有限，其次还会造成基座长度和主厂房跨度进一步增加，所以，该工程未采用该方式。若采用加长凝汽器换热管来增加面积的方式，在凝汽器喉部扩散角度满足设计要求的前提下，凝汽器背压降低较为明显。

综上分析，经冷端优化和热平衡计算，拟采用加长凝汽器换热管来增加面积，将每台凝汽器的换热面积增加2000m2,机组100%负荷性能保证纯凝工况下的凝汽器背压可由7.2kPa 降至6.9kPa，机组出力可增加约900kW，另凝汽器水阻增大1.2m 导致循环水系统辅机功耗增加167kW，机组净出力可增加733kW。但该工程为热电联产机组，根据主机厂热平衡图和初步凝汽器微增功率曲线，在100%负荷性能保证供热工况下，凝汽器背压均约为4.7kPa，增加凝汽器面积对凝汽器背压和机组出力几乎没有影响。因此，凝汽器面积优化的经济分析应结合热负荷变化进行。

为便于经济分析，假定本项目热负荷逐年增加，即第一年为0、第二年为50%、第三年为100%，第三年开始机组的热电比满足政策要求。根据上文分析，增加凝汽器面积带来的每台机组出力增加值也将逐年减少，即第一年为733kW、第二年为367kW、第三年为额定供热运行，机组出力按不变考虑。考虑到本项目机组按电网要求纯凝调峰运行的能力，在该运行工况下，增加凝汽器面积还可以继续提高机组出力，带来经济效益。

电价按0.605元/kW•h、机组发电利用小时数按5000小时、运行维护费用收益=多发电收益-年维护费用计算，以凝汽器面积优化前的循环水系统、凝汽器面积和机组出力变化为基准，优化前后主要参数对比如下：

初投资差异：循环水系统配置及初投资两个方案相同，凝汽器面积差异2000m2、凝汽器初投资差异155万元；100%负荷性能保证纯凝工况运行收益差异：机组出力差异900kW，循环水泵辅机功率差异167kW，机组净出力差异733kW，机组年多发电收益差异222万元，每年维护费用差异4万元；合计：初投资差异155万元，第一年到第三年多发电收益差异分别为222/111/0万元，每年维护费用差异4万元，第一年到第三年运行维护费用收益分别为218/107/-4万元，优化后前三年运行维护费用收益总计321万元，优化后前三年综合经济收益166万元。

从以上技术经济比较可以看出：凝汽器面积优化后，在本工程相关设计边界条件下，当每台机组凝汽器面积增加2000m2时，初投资增加约155万元，同时循环水系统的配置和初投资保持不变；凝汽器面积优化后，纯凝工况下每台机组出力增加900kW，另凝汽器水阻增大1.2m 导致循环水泵辅机功耗增加167kW，机组净出力增加约733kW，但100%供热工况下机组出力几乎不变；由于凝汽器面积优化后，纯凝工况下增加了较多的机组出力，运行经济性更优，但随着热负荷逐年增加至满负荷，机组出力的增加值逐年减少。单台机组前三年综合经济收益比凝汽器面积优化前高166万元，三年后机组如按电网要求调峰运行将进一步带来经济收益。

3 结语

综上所述，汽机冷端性能是直接影响机组运行经济性的重要因素，凝汽器面积越大、凝汽器背压越低、机组运行经济性越好。通过技术经济比较可知，在本工程相关设计边界条件下，当每台机组凝汽器面积增加2000m2时，可将100%负荷性能保证纯凝工况下凝汽器背压从7.2kPa 降至6.9kPa，机组净出力可增加约733kW，但随着热负荷逐年增加至满负荷，机组出力的增加值逐年减少。单台机组前三年综合经济收益比凝汽器面积优化前高166万元，三年后，机组如能按电网要求调峰运行，将进一步带来经济收益。