國產(chǎn)300MW汽輪機凝汽器的現(xiàn)代化改造

李旭輝,姚學忠,徐治皋

(1.東南大學能源與環(huán)境學院,江蘇 南京 210096;2.大唐淮南洛河電廠,安徽 淮南 232008)

1 概 述

大唐淮南洛河發(fā)電廠1號機是早期國產(chǎn)300 MW機組,1986年投產(chǎn),為亞臨界、一次中間再熱、單軸、4缸4排汽凝汽式汽輪機組。該機組的熱力性能相比于當前引進的同參數(shù)機組有明顯差距。因此,在2001年,對機組進行了通流部分的現(xiàn)代化改造,通過全面改造高壓、中壓和低壓通流部分的葉柵通道,更換汽封等措施,使機組額定出力由原300 MW提升至320MW。改造后,凝汽器的凝結負荷增大5%。為保證通流部分的現(xiàn)代化改造達到預期目標,提高原凝汽器的綜合性能已成為配套改造的重要環(huán)節(jié)。

早期國產(chǎn)300MW機組的主汽輪機,常配置N-15000-I型單殼體、雙路單流程、單背壓、銅管表面式凝汽器,此類凝汽器設計制造于20世紀60～70年代,因此,與現(xiàn)時設計的凝汽器相比,兩種凝汽器的性能存在較大差異,主要表現(xiàn)為:

(1)原凝汽器的冷卻管管材為HSn70-I黃銅管,管材的耐腐蝕和耐磨性較差,容易產(chǎn)生泄漏和斷裂現(xiàn)象,造成原凝汽器冷卻管的頻繁堵管和換管。

(2)原凝汽器管束的布置技術陳舊,凝汽器的汽阻大、換熱效率低。

(3)國產(chǎn)300MW 機組的運行時間,多數(shù)已有20余年,凝汽器等設備已接近使用壽命,冷卻管內結垢和腐蝕現(xiàn)象嚴重,造成堵管多,使凝汽器的傳熱端差增大,嚴重影響了機組運行的經(jīng)濟性。

2006年初,大唐淮南洛河發(fā)電廠對凝汽器的改造開始了前期的技術準備工作,在2007年,對1號機組凝汽器實施了現(xiàn)代化改造。

2 凝汽器性能與結構分析

2.1 凝汽系統(tǒng)的工作原理

汽輪機的凝汽系統(tǒng)是由凝汽器、循環(huán)水泵、凝結水泵、真空泵(或抽氣器)、清洗裝置,以及凝汽器水位調節(jié)器、運行監(jiān)測儀表等組成。凝汽系統(tǒng)在蒸汽熱力循環(huán)中起著冷源放熱的作用,將汽輪機的排汽凝結為水,回收工質,在汽輪機的尾部建立并維持真空。

由熱力學理論已知,提高蒸汽熱力循環(huán)效率的途徑,在汽輪機方面主要有兩個,一是提高汽輪機通流部分的內效率,通過改進葉型設計、減少漏汽和排汽損失等途徑實現(xiàn);另一方面是提高循環(huán)熱效率,在主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)確定后,降低汽輪機的排汽壓力、可使冷源放熱量有所減少,使機組的有效焓降增大。實際經(jīng)驗表明:對于凝汽式汽輪機,在通常的排汽壓力范圍內,排汽壓力每降低1%,汽輪機的功率將增大1%～2%;排汽溫度每降低10℃,汽輪機的熱效率可提高3.5%[1]。因此,對汽輪機凝汽系統(tǒng)的理想要求是:在給定負荷、給定循環(huán)冷卻水量和冷卻水進口溫度時,在汽輪機的尾部建立盡可能高的真空度。

冷卻水的溫升決定于循環(huán)水量和凝汽器的熱負荷,循環(huán)水量越大,或凝汽器的熱負荷越低,則越小,從而凝汽器的真空度就越高。由凝汽器的蒸汽放熱和冷卻水吸熱的熱平衡方程求得:

式

中,Q—凝汽器的熱負荷,即傳熱量,kJ/h;

Dc、Dw—進入凝汽器的蒸汽與冷卻水的質量流量,t/h;

hc—凝汽器中蒸汽焓和凝結水焓,kJ/kg;

hw2、hw1—凝汽器冷卻水進、出口焓,kJ/kg。由式(1)得:

式中,m=Dw/Dc稱為凝汽器的循環(huán)倍率;(hc-)是單位質量排汽所釋放的汽化潛熱,因汽輪機的排汽約有10%的濕度,故釋放的汽化潛熱要小于干飽和蒸汽,通常在2140～2220 kJ/kg范圍內。因此,在近似估算中,(hc-h′c)取 2177 kJ/kg,將式(2)簡化為

由此可見,冷卻水的溫升主要決定于循環(huán)倍率m。所以,當凝汽器的熱負荷或Dc一定時,Δt主要決定于冷卻水的流量。增大循環(huán)倍率雖然可使真空上升、汽輪機的出力增加,但同時使循環(huán)水泵的功耗增大、廠用電增多。當循環(huán)水泵的增大功耗率與汽輪機出力增加率相等時,凝汽器則達到最優(yōu)的經(jīng)濟真空[2]。

凝汽器的傳熱端差決定于傳熱系數(shù)。增大凝汽器的傳熱面積,可以降低傳熱端差。然而,增大凝汽器的傳熱面積將增加制造成本,所以在汽輪機組中存在著冷端參數(shù)的優(yōu)化選擇問題。凝汽器的傳熱端差一般為3～10℃。

2.2 表面式凝汽器的熱力計算

目前,有很多具有良好圖形人機接口界面的凝汽器熱力與水力特性計算程序,可用于凝汽器的設計計算和運行特性分析,其圖形界面如圖1所示[3]。

圖1 凝汽器熱力與水力分析程序圖形接口界面

該程序設有美國HEI、前蘇聯(lián)別爾曼和分步計算3個算法,在選定凝結蒸汽流量、循環(huán)冷卻水量、冷卻水進口溫度、清潔系數(shù)、冷卻管長、管徑、管數(shù)、管材和冷卻水流程數(shù)及汽輪機排汽干度下,基于這3個計算方法計算出總體傳熱面積、冷卻水溫升、傳熱端差、凝汽器蒸汽溫度、凝汽器背壓、冷卻水流速、凝汽器水阻和傳熱有效度等凝汽器的主要參數(shù)。

該程序運算前,可在程序中的凝汽器冷卻管材料庫中選用黃銅管、海軍銅、鋁銅管、奧氏體不銹鋼管、鐵素體不銹鋼管、鈦管等目前國際上廣泛采用的凝汽器管材。其中,冷卻管材庫中的最小管外徑為?15mm,最大管外徑為 ?50 mm;最小管壁厚度為0.5mm,最大厚度為2.76mm,涵蓋了目前凝汽器管材可選范圍。

程序用于設計計算時,在給定凝結蒸汽流量、循環(huán)冷卻水量、冷卻管內流速和冷卻水流程等條件下,首先,初選冷卻管直徑、管壁厚度,選擇某一冷卻管數(shù)計算出冷卻水的流速,從冷卻管數(shù)的多次選擇計算中,求得能滿足冷卻水流速約束條件的冷卻水管數(shù);其次,在選定的清潔系數(shù)下,選擇某一冷卻管的管長,計算出對應的凝汽器蒸汽溫度和壓力及水阻,在確定管長的多次試算中,求得滿足傳熱性能要求的管長;然后在不同管徑的水阻分析中優(yōu)選設計方案。

2.3 國內外凝汽器的管束布置

管束布置是影響汽側流動特性和傳熱特性的主要因素。國產(chǎn)200MW、300MW機組凝汽器采用了向心式布置?；谙蛐氖搅鲃釉O計思想,國外汽輪機和大型換熱器制造商發(fā)展了多種管束布置型式,其中較為典型的是ABB公司的教堂窗式、日本三菱公司雙菱形式、德國B-D公司模塊化式、美國Senior公司垂直均衡流動式等。在這些管束布置模式下,經(jīng)基于三維流場計算,確定管束及抽氣通道的細化布置,ABB等公司聲稱,其凝汽器的換熱系數(shù)較傳統(tǒng)管束布置高20%～30%,這意味著達到相同換熱效果條件下,可節(jié)省20%～30%的換熱面積,或運行中可允許清潔系數(shù)更低。因此,凝汽器的改造設計中,管板排列方式采用了較先進的超平衡下流式管子排列方式,這種排列方式是根據(jù)最新的流體理論—凝汽器內的蒸汽冷凝流與流體力學理論中的進口流相似為依據(jù),設定沿進口流流線的蒸汽入量與冷凝量之比得出的結果。

2.4 薄壁不銹鋼管在凝汽器中的應用

銅材具有優(yōu)良的導熱性能,且銅離子對微生物有一定毒性,有抵抗生物污垢生成的能力,故銅合金管廣泛應用于以往的凝汽器管束中。然而,銅的耐蝕和耐磨性能相對于薄壁不銹鋼管要差,銅材在一定冷卻水環(huán)境下(特定的電導率、pH值),很容易萌發(fā)氨、硫點蝕和垢底腐蝕,一旦形成初始點蝕,腐蝕點會很快在管材中擴展,造成凝汽器冷卻管泄漏。銅管耐磨性較差,投運中,因管內壁表面粗糙度較大,容易生垢,垢層形成后不僅影響傳熱,而且容易發(fā)生垢底腐蝕,造成銅管泄漏。

圖2 傳統(tǒng)排管方式與新型排管方式的對比

不銹鋼薄壁管的耐蝕性和耐磨性能較好,管材的強度高、剛性大,在電站凝汽器中平均使用壽命達20年以上[4]。目前,不銹鋼冷卻管已成為國內外內陸電站凝汽器所用管材的首選。

不銹鋼管的最大不足是其導熱性能較差,導熱系數(shù)不足海軍銅的五分之一。然而,不銹鋼管強度高,其壁厚可取銅管的一半,可部分彌補導熱性能的下降。另一方面,不銹鋼管良好的耐磨性能,使其最大許用冷卻水流速是海軍銅的5倍,通過增大冷卻水的流速,提高水側對流傳熱系數(shù),可以補償因不銹鋼導熱性能差對凝汽器總體傳熱性能的影響。電站凝汽器常用冷卻管材料的機械物理性能參數(shù)列于表1。

表1 凝汽器各種管材機械物理性能參數(shù)

用不銹鋼管替代凝汽器的原有銅管,利用了不銹鋼管表面堅硬、光潔度高不易結垢的材料特性,且凝汽器的總體熱力性能并無明顯下降,但使凝汽器的抗振、耐蝕性能得到了提高,可大幅延長設備的使用壽命。

3 改造的方案設計與技術評估

3.1 單流程方案分析與評估

N-15000-I型凝汽器換裝不銹鋼管的改造,從設計方面考慮的另一條途徑是減小管徑、增大換熱面積。但增大換熱面積時,必然要求增多管數(shù),冷卻水的流通截面增大,導致冷卻水的管內流速下降。為達到抗結垢的預期目標,要求冷卻水的管內流速不小于2 m/s。以此要求,委托各公司分別對采用?18×0.5mm和?16×0.5mm 2種管徑做了改造方案。經(jīng)分析,如采用 ?18×0.5mm管徑的方案,計算結果也顯示其傳熱性能滿足要求,且凝汽器的水阻較小,但冷卻水的管內流速僅為1.9m/s,不利于冷卻管的防腐蝕和防結垢;如采用 ?16×0.5mm管徑的方案,冷卻水的管內流速可提升到2.2 m/s以上,但凝汽器的水阻增大,同時,汽阻也在增大,如欲達到相同的傳熱面積(16000m2)和管數(shù)(27730),則使管束布置比較困難。

單流程改造的另一方案是增長冷卻管的長度,在水阻和汽阻保持與原銅管凝汽器相同情況下,達到所要求的凝汽器壓力。這樣的方案就要求對喉部連接處作相應的配套改造,改造前,對國內同類型凝汽器改造進行調研,江蘇省某廠同類機組的 N-15000-I型凝汽器,也進行了換裝不銹鋼管的改造,為補償不銹鋼管導熱性能下降對凝汽器整體性能的影響,保持冷卻水單流程和管徑不變,通過增加管長以增大傳熱面積,雖然采用新的管束布置,但因凝汽器連接喉部未作改造,蒸汽無法到達新增管長的管束區(qū)域,改造后的傳熱端差遠大于設計值[5]。如果對喉部、殼體一同進行改造,工期長和造價高,實踐證明該改造方案不可行。

3.2 雙流程方案分析與評估

大唐淮南洛河發(fā)電廠的N-15000-I型凝汽器的改造,在吸取其它電廠凝汽器不銹鋼管改造經(jīng)驗的基礎上,突破原冷卻水單流程的束縛,提出采用雙流程改造方案,進行可行性研究與設計。

N-15000-I型凝汽器的冷卻管徑較小、水阻較大,為該凝汽器的冷卻水由單流程改為雙流程提供了條件。該型凝汽器冷卻水雙通道、反向流布置,在凝汽器的兩端各有1個進水管和出水管,凝汽器兩側水室端部現(xiàn)場均有足夠大的空間,滿足垂直雙流程凝汽器進、出水管改造的安裝要求。出水管不需改造,冷卻水從水室的底部進入下流程,在轉向水室垂直轉向后進入上流程。

各公司設計的雙流程方案均選用相同的管徑作為冷卻管,且長度與原銅管相同,但選用的設計技術不盡一致。

3.3 最終改造方案的確定

為提高凝汽器整體性能,雙流程改造方案優(yōu)于單流程方案,即使不對循環(huán)水泵作配套改造,也能較好地保證凝汽器的性能要求,在解決進、出水室和進水管連接問題后,雙流程改造方案無疑是首選方案。

經(jīng)技術、經(jīng)濟效益和現(xiàn)場實施可行性等各方面的論證,確定對大唐淮南洛河發(fā)電廠的1號機凝汽器實施雙流程、總傳熱面積為17500m2的不銹鋼管現(xiàn)代化改造,型號由原N-15000-I型改為N-17500型,并基于美國HEI表面式凝汽器標準,按清潔系數(shù)0.90、并預留3.5%堵管率的要求,設計了N-17500型凝汽器的技術規(guī)范,具體參數(shù)見表2。

表2 N-17500型不銹鋼管凝汽器技術規(guī)范

基于表2中N-17500型不銹鋼管凝汽器的技術規(guī)范,委托上海電站輔機廠按美國SENIOR工程公司凝汽器計算程序進行管束布置結構設計和水室、循環(huán)水進、出水管連接設計。

4 改造實施及性能評價

4.1 改造實施

大唐淮南洛河發(fā)電廠1號機凝汽器的改造工程于2007年3月正式開工。

改造時,首先拆除了原管板、中間支承分隔板和管束,再進行安裝新型管束布置的管板和中間支承分隔板,需將隔板上油脂擦拭干凈,將熱井至凝泵入口封堵,打開熱井底部排污閥,用高壓水清掃凝汽器汽側,現(xiàn)場貯、供水應能滿足堿洗和沖洗的用水需要,堿洗時,宜用水溫在30～40℃的水,以便提高堿洗效果,用0.3%～0.6%的Na3PO4溶液(溫度在40～45℃)對凝汽器隔板進行沖洗,洗凈凝汽器隔板上的油污。

將近2萬根不銹鋼管穿入管板,然后進行脹管和端部焊接,冷卻管采用不銹鋼管代替銅管,但不銹鋼管的可脹性較差,管壁又薄,且不銹鋼管的硬度又高于碳鋼,若僅采用脹管連接難以保證連接處的密封性和連接強度,所以,在管板孔內壁開特殊溝槽后再脹接,用脹管加焊接的工藝方法確保連接處的密封和連接強度。

嚴格按原定技術規(guī)范要求,對空氣冷卻區(qū)及抽氣通道及管道的安裝質量進行監(jiān)管、檢查。改造原循環(huán)冷卻水的出口管,并與新凝汽器的出口水室對接。

凝汽器改造施工歷時48天,于2007年5月完工。機組投運后,凝汽器工作狀況良好,其真空度較改造前明顯提高。

4.2 性能評價

2007年6月初,特委托有關研究院依據(jù) JB/T3344—1993《凝汽器性能試驗規(guī)程》對改造后的凝汽器進行了全面的性能檢測與評估試驗。檢測數(shù)據(jù)見表3。

表3數(shù)據(jù)顯示,當循環(huán)冷卻水進口溫度為27.61℃、機組功率為321.82 MW時,冷卻水的出口溫度為39.18℃,凝汽器背壓為8.24 kPa(a),實測循環(huán)冷卻水流量27563 t/h、凝結水流量607.51 t/h。由此計算可得:循環(huán)冷卻水的溫升為11.57℃,凝汽器傳熱端差2.92℃,凝汽器水過冷度0.33℃,凝汽器水阻48.1kPa。數(shù)據(jù)顯示:凝汽器改造后,傳熱端差下降,凝結水過冷度減小,水阻也在合理范圍內,達到設計改造的預期目標。

表3 大唐淮南洛河發(fā)電廠1號機凝汽器改造后的試驗數(shù)據(jù)

將性能試驗數(shù)據(jù)修正到額定設計工況,數(shù)據(jù)處理表明:在循環(huán)冷卻水進口溫度20℃、額定冷卻水流量37500 t/h的工況下,機組負荷320 MW時凝汽器的背壓為4.71kPa(a),傳熱端差3.20℃,凝結水過冷度0.31℃,凝汽器的各項性能指標均優(yōu)于設計值。

對夏季惡劣工況運行數(shù)據(jù)分析顯示:在循環(huán)冷卻水進口溫度33.5℃、3臺循環(huán)水泵并列運行、機組負荷 320 MW 工況下,汽輪機的排汽溫度44.63℃、凝汽器背壓9.43 kPa(a),遠低于汽輪機技術規(guī)范的要求值,表明改造后的凝汽器有較大的富裕能力。基于凝汽器工作原理和美國HEI表面式凝汽器標準估算,即使循環(huán)冷卻水進口溫度達到37℃,機組也能發(fā)出額定功率320MW,且凝汽器背壓不大于汽輪機技術規(guī)范要求值11.8kPa(a)。

5 結束語

對凝汽器改造后,實測的凝汽器各項性能數(shù)據(jù)指標均優(yōu)于設計值,提高了整個機組運行的經(jīng)濟性,成功達到了改造的預期目標。

從機組運行的相關數(shù)據(jù)顯示:循環(huán)水泵還存在著性能缺陷,在2臺泵并列運行、揚程低于設計值工況下,循環(huán)水泵的出水流量明顯低于設計值,雖然凝汽器改造后優(yōu)良的傳熱性能,彌補了循環(huán)冷卻水量不足,保證了夏季惡劣工況機組正常帶負荷運行,但是,如對循環(huán)水泵進行改造,能還實現(xiàn)節(jié)能增效目的。今后,將在凝汽器改造取得成功基礎上,通過采用新型葉型和變速電機技術,使循環(huán)水泵達到額定出力和高、低轉速控制,通過凝汽器及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場試驗,求取機組冷端優(yōu)化算法,全面提高機組的經(jīng)濟運行性能。

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