330 MW機(jī)組凝汽器換型改造及節(jié)能效果分析

潘廣強(qiáng)，鄭效宏

(華電國(guó)際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠，山東 棗莊 277103)

1 凝汽器改造的必要性

華電國(guó)際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠#7機(jī)組為330 MW凝汽式機(jī)組，凝汽器為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的單殼體雙流程表面式凝汽器，于1997年投產(chǎn)，運(yùn)行已滿15年。近年來(lái)凝汽器銅管頻繁泄漏，且泄漏的頻率呈增大趨勢(shì)，造成凝結(jié)水硬度超標(biāo)、凝汽器背壓增高，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也增加了日常的維護(hù)工作量。因此，對(duì)#7機(jī)組凝汽器進(jìn)行改造勢(shì)在必行。

2 凝汽器改造方案的選擇

2.1 用不銹鋼管替換原銅管

此方案將原有銅管全部拔出，更換成不銹鋼管冷卻管束，其余部件和結(jié)構(gòu)不變。此方案的優(yōu)點(diǎn)是投資少、實(shí)施周期短，但還存在以下缺點(diǎn)。

(1)更換為不銹鋼管后，未重新進(jìn)行管束排布，由于不銹鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)比銅管小，改造后可能造成凝汽器的熱交換率下降，導(dǎo)致機(jī)組背壓升高。

(2)僅將冷卻管束更換為不銹鋼管，而未更換端管板，原有端管板為普通碳鋼板，經(jīng)十幾年的使用，表面已有腐蝕。新的不銹鋼管頭只能采用脹接方式與其相連，為保證不泄漏，采用的脹接力較大，不銹鋼管易出現(xiàn)過(guò)脹現(xiàn)象，運(yùn)行后管口易泄漏。另外，不銹鋼和碳鋼管板存在電位差腐蝕，管板運(yùn)行多年，本身已受到一定的腐蝕，更容易使腐蝕加劇，造成管口泄漏。

2.2 管束置換法

采用管束置換法，設(shè)計(jì)新的凝汽器管束排列方式。將凝汽器內(nèi)部全部管束更換為不銹鋼管，端管板更換為不銹鋼復(fù)合板，更換新中間隔板、擋汽板、擋水板、抽汽-氣裝置及內(nèi)部連接件等。

將4塊端管板更換為TP316L(δ=5 mm)+Q235-B(δ=35 mm)的不銹鋼復(fù)合板。采用不銹鋼復(fù)合端管板后，管板的抗腐蝕性能得到提高，不銹鋼管管口和管板間采用脹接加焊接的連接方式，徹底杜絕冷卻管端口因電位差腐蝕而發(fā)生滲漏。

管束是凝汽器中最主要的部件，是影響凝汽器性能的主要因素，為此采用德國(guó)巴克-杜爾公司開發(fā)并已成功運(yùn)行的Tepee排管。Tepee排管結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)如下。

圖1 Tepee排管示意

(1)Tepee凝汽器管束汽阻小、熱負(fù)荷分布均勻、流場(chǎng)平穩(wěn)、蒸汽渦流區(qū)少，主凝結(jié)區(qū)無(wú)明顯的空氣積聚，基本消除過(guò)冷度，除氧效果理想，總體傳熱系數(shù)比美國(guó)熱交換管凝汽器標(biāo)準(zhǔn)(HEI)高15%～30%。由圖1可以看出，“兩山峰形”管束排列順汽流方向，汽流直而短，蒸汽在管束中流速低、汽阻小。

(2)優(yōu)化、完備的抽汽-氣系統(tǒng)和空冷區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與管束排列形狀一致的抽空氣通道布置方式，使蒸汽從管束四周進(jìn)入，每個(gè)管束熱負(fù)荷均勻，傳熱系數(shù)高?？绽鋮^(qū)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，蒸汽-空氣混合物在空氣冷卻區(qū)沿冷卻水管向抽氣口縱向流動(dòng)，與管內(nèi)冷卻水進(jìn)行強(qiáng)逆流換熱，混合物中蒸汽充分凝結(jié)，降低汽-氣混合物出口溫度，改善抽氣設(shè)備的工作條件。

(3)擋水板少而精，且無(wú)橫置擋板，防止擋板下部渦流區(qū)的存在。凝汽器殼體布置2組管束，增加凝汽器回?zé)嵬ǖ罃?shù)，使每組管束進(jìn)汽均勻，傳熱系數(shù)提高，又使熱井中凝結(jié)水得到有效加熱。

(4)巴克-杜爾公司對(duì)單臺(tái)凝汽器進(jìn)行方案核準(zhǔn)，東方同輝動(dòng)力公司據(jù)其核準(zhǔn)的方案完成施工圖設(shè)計(jì)。此合作方式保證了改造凝汽器采用的總是其最成熟、最新的技術(shù)，同時(shí)也降低了電廠費(fèi)用[1]。

(5)冷卻水管采用不銹鋼管，通過(guò)重新排列冷卻管束，不會(huì)降低凝汽器的熱交換性能；不銹鋼管良好的耐腐蝕性能可大大提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，使用壽命可達(dá)30年；同時(shí)，可減少事故停機(jī)次數(shù)，減小維護(hù)工作量，提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。

該改造方案雖然投資大，但徹底杜絕了冷卻管端口泄漏的問(wèn)題，同時(shí)保證凝汽器的長(zhǎng)期高效運(yùn)行。最終，該廠選擇管束置換法進(jìn)行凝汽器的改造。

3 凝汽器改造的實(shí)施

(1)保留原凝汽器外殼，改造時(shí)校核殼體剛度并進(jìn)行加固；凝汽器與其他相關(guān)設(shè)備的連接方式不變；凝汽器支撐方式不變；凝汽器和低壓缸連接的喉部不動(dòng)，保留喉部?jī)?nèi)所有支撐件和設(shè)備。為保證設(shè)備安全，需對(duì)凝汽器殼體、喉部及喉部?jī)?nèi)設(shè)備進(jìn)行臨時(shí)性和永久性加固。

(2)將凝汽器內(nèi)部全部管束更換為不銹鋼直管。按照循環(huán)水水質(zhì)，主凝結(jié)區(qū)冷卻水管選用壁厚為0.5 mm的TP316L不銹鋼直管，管束外圍迎汽面及空冷區(qū)冷卻水管選用壁厚為0.7 mm的TP316L不銹鋼直管。

(3)將端管板更換為TP316L(δ=5 mm)+Q235-B(δ=35 mm)的不銹鋼復(fù)合板，提高端管板的抗腐蝕性能，徹底杜絕冷卻管端口因腐蝕而發(fā)生滲漏。

(4)更換全部中間隔板及管束附件、連接件等。

(5)為適應(yīng)新的管束，對(duì)水室進(jìn)行改制或更換。

(6)采用涂抹環(huán)氧瀝青漆的方式對(duì)水室進(jìn)行防腐處理。

(7)采用不銹鋼冷卻水管，冷卻水管頭和端管板間采用脹接+(無(wú)添料)氬弧焊接的連接方式。

(8)采用新型的抽汽-氣系統(tǒng)，減小管路阻力。

(9)新設(shè)計(jì)凝汽器的長(zhǎng)、寬、高基本與原凝汽器相同，保證在現(xiàn)有的凝汽器外圍設(shè)備不變的情況下，可正常拆除和安裝。

試驗(yàn)、理論計(jì)算及已改造凝汽器的投運(yùn)情況證明了以薄壁不銹鋼管代替銅管，只要采用先進(jìn)的管束排布方式，不僅不會(huì)降低凝汽器的傳熱性能，而且在長(zhǎng)期的運(yùn)行中不銹鋼不易結(jié)垢，可保持持續(xù)、較高的傳熱效率，與銅管相比，使用壽命大大延長(zhǎng)。

按照Tepee排管先進(jìn)的流場(chǎng)理論及排管方式進(jìn)行新凝汽器方案設(shè)計(jì)。新凝汽器共設(shè)2組支撐隔板，選用厚度為16 mm的Q235-B鋼板，在汽側(cè)通過(guò)適當(dāng)?shù)膿跗寮皳跛宓雀郊M織蒸汽流，達(dá)到高效的傳熱和除氧效果，以期望保持小的凝汽器端差和凝結(jié)水過(guò)冷度；在凝汽器內(nèi)部通過(guò)簡(jiǎn)潔的固定連接和支撐保證凝汽器在運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生振動(dòng)。凝汽器改造前、后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 凝汽器改造前、后參數(shù)對(duì)比

4 改造前、后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

某電力研究院對(duì)該機(jī)組凝汽器進(jìn)行了改造前、后性能對(duì)比試驗(yàn)，主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[3]。

表2 凝汽器改造前、后性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

按照凝汽器設(shè)備規(guī)范，將循環(huán)水流量修正到34 000 t/h，在額定負(fù)荷(TRL)工況、冷卻水進(jìn)口溫度33 ℃條件下，機(jī)組排汽壓力為10.09 kPa，比改造前降低1.39 kPa，見(jiàn)表3[3]。

表3 凝汽器TRL工況下性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照凝汽器設(shè)備規(guī)范，將循環(huán)水流量修正到34 000 t/h，在機(jī)組熱耗保證(THA)工況、冷卻水進(jìn)口溫度20 ℃條件下，機(jī)組排汽壓力為4.90 kPa，比改造前降低0.77 kPa，見(jiàn)表4[3]。

表4 凝汽器THA工況下性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 改造后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益

(1)2種工況下排汽壓力比改造前平均降低1.08 kPa，按真空度每提高1 kPa降低煤耗2.5 g/(kW·h)，#7機(jī)組年平均發(fā)電17億kW·h計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤17×108×2.5×10-6×1.08=4 590 (t)。按照標(biāo)準(zhǔn)煤?jiǎn)蝺r(jià)800元/t計(jì)算，每年可節(jié)省費(fèi)用4 590×800×10-4=367.2(萬(wàn)元)。

(2)改造凝汽器總投資為656.2萬(wàn)元，投資回收期為656.2÷367.2=1.79(年)。

通過(guò)上述分析可以看出，改造達(dá)到了預(yù)期的效果，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

(1)雖然該凝汽器節(jié)能改造投資額達(dá)656.2萬(wàn)元，但是每年節(jié)能產(chǎn)生的效益為367.0萬(wàn)元，投資回收期只有1.79年。

(2)極大地提高了設(shè)備的運(yùn)行可靠性，凝結(jié)水硬度超標(biāo)缺陷得到根治，保證了機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，降低了維護(hù)頻率，提高了設(shè)備可利用系數(shù)，建議在同類機(jī)組中進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]王學(xué)棟,袁建華,曲建麗,等.330 MW機(jī)組凝汽器改造的數(shù)值模擬及性能分析[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010,52(2)：66-68.

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[3]丁俊齊,呂海禎,宋昂,等.華電國(guó)際電力股份有限公司十里泉發(fā)電廠#7機(jī)組凝汽器改造前后性能試驗(yàn)報(bào)告[R].濟(jì)南：山東電力研究院，2011.