凝汽器高位布置的循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐 正，霍玉龍

（1.中國(guó)電建集團(tuán)河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北石家莊050031；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊050031）

0 引言

華北地區(qū)某空冷機(jī)組進(jìn)行了尖峰冷卻改造，尖峰系統(tǒng)采用“表面式凝汽器+機(jī)力塔+循環(huán)水泵”的濕冷循環(huán)水系統(tǒng)。由于電廠原為階梯型布置，且在本技改過(guò)程中受場(chǎng)地限制，只能將冷卻塔布置于地勢(shì)較低的區(qū)域，凝汽器布置位置高于機(jī)力塔噴頭標(biāo)高。再加上缺乏這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在投產(chǎn)試運(yùn)行期間，出現(xiàn)了一些問(wèn)題，筆者對(duì)項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中的問(wèn)題進(jìn)行闡述分析，以供設(shè)計(jì)人員參考。

1 尖峰凝汽器參數(shù)的確定

1.1 尖峰凝汽器熱力計(jì)算

與常規(guī)火力濕冷發(fā)電機(jī)組一樣，凝汽器熱力計(jì)算采取HEI（heat exchange institute）標(biāo)準(zhǔn)中的方法，凝汽器的氣側(cè)壓力是冷卻水溫度、冷卻水量、凝汽器面積等因素的多元函數(shù)。關(guān)于尖峰冷卻系統(tǒng)背壓的計(jì)算，筆者在文獻(xiàn)[1]中進(jìn)行了詳述，即通過(guò)空冷島背壓與尖峰凝汽器背壓相等這一關(guān)系建立方程，求解出尖峰凝氣量，進(jìn)而求出尖峰凝汽器背壓。尖峰凝汽器的重要參數(shù)——凝汽器面積，實(shí)際是“試算”得出的。即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，假定凝汽器面積后根據(jù)背壓計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，再計(jì)算[2]。值得說(shuō)明的是，目前尖峰冷卻系統(tǒng)改造中的尖峰凝汽器均采用單壓凝汽器，筆者優(yōu)化計(jì)算顯示，尖峰冷卻系統(tǒng)的冷卻倍率較小，雙壓凝汽器與單壓凝汽器相比，可使空冷島背壓降低0.5~1.5 kPa[3]，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 尖峰凝汽器的水力計(jì)算

水力計(jì)算主要是為了確定凝汽器的水阻，進(jìn)而準(zhǔn)確計(jì)算循環(huán)水泵的揚(yáng)程。實(shí)際上，凝汽器水阻的計(jì)算對(duì)凝汽器的熱力性能是有影響的，從原理上將存在一個(gè)最優(yōu)的流速，使得“汽輪機(jī)+循環(huán)水泵”組成的系統(tǒng)存在一個(gè)最大的凈出力情況[4]。但由于汽輪機(jī)的負(fù)荷不是定值，經(jīng)常要根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度要求而變化，同時(shí)循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)也隨著環(huán)境溫度的變化而季節(jié)性地調(diào)整，從而使得計(jì)算最優(yōu)流速比較困難。目前規(guī)范建議設(shè)計(jì)流速在2 m/s左右[5]。

1.3 尖峰凝汽器設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程中凝汽器參數(shù)[6]如下：設(shè)計(jì)背壓為在280 t/h的蒸汽量下，循環(huán)水量9 800 t/h，冷卻倍率35倍，凝汽器進(jìn)水溫度39℃時(shí)，尖峰凝汽器背壓≤18.5 kPa；最高運(yùn)行背壓65 kPa；循環(huán)水壓力0.25 MPa；尖峰凝汽器有效冷卻面積5 500 m2；換熱管水流速小于2.2 m/s；堵管冗余不小于10%；冷卻水溫最大44.1℃；尖峰凝汽器水阻≤66 kPa。

上述要求中，最高運(yùn)行背壓、換熱管流速、堵管冗余、水阻等與常規(guī)濕冷火電機(jī)組的要求無(wú)差異。

2 機(jī)力塔參數(shù)的確定

2.1 機(jī)力塔熱力計(jì)算

機(jī)力塔熱力計(jì)算主要是根據(jù)環(huán)境參數(shù)、冷卻水量、進(jìn)出水溫度等確定機(jī)力塔的功率，以保證設(shè)計(jì)的冷卻塔可以提供足夠量的低溫水。關(guān)于機(jī)力塔的熱力計(jì)算，相關(guān)的規(guī)范及書(shū)籍均有詳細(xì)論述，筆者就電力行業(yè)中的機(jī)力塔計(jì)算的注意事項(xiàng)也有過(guò)論述，如淋水密度不宜過(guò)大、氣水比不宜過(guò)高等[7-9]。

尖峰冷卻系統(tǒng)中的機(jī)力塔為高溫塔，也是循環(huán)水高溫差塔，這是與常規(guī)機(jī)力塔以及其他工業(yè)用機(jī)力塔最大的差異。

冷卻塔的設(shè)計(jì)主要是保證出塔水溫和功率消耗，而這兩項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的是考核“熱耗” “廠用電”的重要關(guān)聯(lián)項(xiàng)。

2.2 機(jī)力塔設(shè)計(jì)參數(shù)

單臺(tái)機(jī)力塔參數(shù)見(jiàn)表1。

一般的機(jī)力塔招標(biāo)中會(huì)有如下規(guī)定：位置水頭、配水系統(tǒng)水頭損失及噴頭所需的壓力3項(xiàng)之和不超過(guò)10.5 m。之所以有這種規(guī)定，是防止機(jī)力塔內(nèi)部配水管及噴頭水頭損失過(guò)大，影響循環(huán)水泵的出水量。但對(duì)于“凝汽器高位布置”的帶有機(jī)力塔的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)而言，這種規(guī)定卻有失偏頗。因?yàn)槟鞲呶徊贾?，循環(huán)水系統(tǒng)最高點(diǎn)在凝汽器的最高一層冷卻管，應(yīng)保證最高處的水壓不出現(xiàn)“負(fù)壓”。

3 循環(huán)水泵參數(shù)的確定

3.1 循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算

因循環(huán)水量由凝汽器熱力計(jì)算而得，所以在循環(huán)水泵選型計(jì)算中，水量按照定值考慮，主要計(jì)算循環(huán)水泵的揚(yáng)程及電機(jī)功率。循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算見(jiàn)表2。

表1單臺(tái)機(jī)力塔參數(shù)表

表2循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算表

3.2 循環(huán)水泵參數(shù)

流量Q=9 800 m3/h，揚(yáng)程H=23 m，效率η=89.5%，軸功率P=734 kW，配套電機(jī)功率P=900 kW，電壓U=6 000 V，汽蝕余量NPSHr=6.8 m，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=750 r/min，長(zhǎng)期安全運(yùn)行的允許最小流量Q0=3 600 m3/h，進(jìn)口口徑D1=1 000 mm，出口口徑D2=1 000 mm，進(jìn)出口距泵軸距離H1=715 mm，泵頂距泵軸距離H2=765 mm，葉輪直徑D0=750 mm。

4 試運(yùn)行期間的問(wèn)題

4.1 尖峰凝汽器出水管頂部的進(jìn)排氣閥門不斷地進(jìn)氣

一般在凝汽器的出水管道或進(jìn)水管道的最高點(diǎn)設(shè)置進(jìn)排氣閥門，主要是想在系統(tǒng)超壓時(shí)自動(dòng)排氣，系統(tǒng)負(fù)壓時(shí)自動(dòng)補(bǔ)氣。后將凝汽器出水管道上的閥門關(guān)閉至45%狀態(tài)后，情況得以緩解。

該工程循環(huán)水系統(tǒng)為“凝汽器高位布置”的循環(huán)水系統(tǒng)，與常規(guī)的火力發(fā)電機(jī)組稍有不同。常規(guī)機(jī)組凝汽器布置在主廠房的-5 m以下，冷卻塔的配水管道高于凝汽器最高點(diǎn)8 m左右，系統(tǒng)內(nèi)壓力的最低點(diǎn)在機(jī)力塔的配水管道最高點(diǎn)，而配水支管緊接噴頭，只要循環(huán)水能“上塔”，即可保證系統(tǒng)可以正常運(yùn)行；而凝汽器位于最高點(diǎn)時(shí)，除了要保證水流能夠通過(guò)系統(tǒng)最高點(diǎn)外，還需要防止最高點(diǎn)處的壓力出現(xiàn)負(fù)壓。

圖1為該工程循環(huán)系統(tǒng)高程圖。從圖1（圖中標(biāo)高以m計(jì)，管徑以mm計(jì)）中可以看出，系統(tǒng)最高點(diǎn)標(biāo)高為5.97 m，冷卻塔配水管道標(biāo)高為2.4 m，兩者自然高差為5.97-2.4=3.57 m，而兩點(diǎn)之間管道的水頭損失為1.17 m，故機(jī)力塔配水管道層剩余的壓力為3.57-1.17=2.4 m。

前文中論述了招標(biāo)文件要求冷卻塔的位置水頭、配水系統(tǒng)水頭損失及噴頭所需的壓力之和小于10.5 m，圖1中的位置高差為8.7 m，則噴水管處的壓力不小于10.5-8.7=1.8 m即可滿足要求。

剩余壓力2.4 m＞噴頭所需壓力1.8 m，對(duì)于冷卻塔高位布置的循環(huán)水系統(tǒng)，這樣的關(guān)系能滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行。但對(duì)于凝汽器高位布置的系統(tǒng)，凝汽器最高點(diǎn)產(chǎn)生了至少0.6 m的負(fù)壓。此外，凝汽器出口處的循環(huán)水溫度達(dá)到了54.3℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓為1.52 m，即保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的最小壓力為1.52 m，而此時(shí)由于下游管道阻力不足，形成了抽吸作用，無(wú)法保證足夠的“正壓力”，所以進(jìn)排氣閥門不斷補(bǔ)氣。

防止最高點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)壓的技術(shù)措施只能是人為增加下游管道的阻力，而增加下游管道阻力，可以有兩種方案。方案一，減小管道管徑、增加節(jié)流孔板等增加永久阻力損失的方式；方案二，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開(kāi)度，增加可調(diào)節(jié)阻力損失的方式。兩種方式只要能保證系統(tǒng)內(nèi)不產(chǎn)生負(fù)壓均為可以接受方案，而且兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。方案一雖然可以短期內(nèi)滿足運(yùn)行條件，但隨著腐蝕增加、結(jié)垢等發(fā)生，系統(tǒng)總阻力會(huì)增加，循環(huán)水量會(huì)減少，若要保證遠(yuǎn)期水量充足，則需提高循環(huán)水泵的揚(yáng)程，增加循環(huán)水泵的電耗；方案二雖然短期內(nèi)需要部分關(guān)閉閥門，但隨著管道系統(tǒng)的阻力增加，完全可以通過(guò)減少閥門開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)高效運(yùn)行。

因此，針對(duì)這種壓力最低點(diǎn)位于系統(tǒng)中間的循環(huán)水系統(tǒng)，推薦考慮如下技術(shù)措施：第一，凝汽器最高點(diǎn)不宜高于冷卻塔配水管道標(biāo)高；第二，凝汽器循環(huán)水出口絕對(duì)壓力不宜低于4 m；第三，循環(huán)水回水管道可比供水管道小一個(gè)等級(jí)。

4.2 超聲波流量計(jì)測(cè)得流量小于銘牌流量

尖峰系統(tǒng)投運(yùn)2月后，在性能驗(yàn)收期經(jīng)相關(guān)部門進(jìn)行流量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)母管的循環(huán)水量不達(dá)標(biāo)僅有17 000 m3/h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)的19 600 m3/h。

圖1 循環(huán)水系統(tǒng)高程圖（標(biāo)高，m；管徑，mm）

超聲波時(shí)差法是實(shí)現(xiàn)循環(huán)水流量測(cè)量的方法之一。但由于管路中含有彎頭、三通、伸縮節(jié)、閥門等局部阻力件，且阻力件下游直管段長(zhǎng)度較短，無(wú)法保證被測(cè)截面處流體流動(dòng)處于充分發(fā)展的流速分布狀態(tài)，現(xiàn)有超聲波測(cè)量方法難以獲得滿意的測(cè)量精度[10]。而通過(guò)采用下述“水泵功率反推法”以及水泵廠家提供的特性曲線，計(jì)算結(jié)果顯示，循環(huán)水流量滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明超聲波流量計(jì)所測(cè)流量誤差較大。根據(jù)循環(huán)水系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者推薦以下兩種核算方法。

4.2.1 根據(jù)水泵功率反推法進(jìn)行計(jì)算

電廠SIS系統(tǒng)中可以查到水泵出口溫度、壓力、電機(jī)電壓及電流等在線測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以對(duì)水泵的流量進(jìn)行核實(shí)。所用公式推導(dǎo)及過(guò)程如下。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率為[11]

式中，Pgr為驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入功率，kW；U為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線電壓，kV；I為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線電流，A；cosφ為功率因數(shù)，0.85~0.9。

水泵輸入功率為

式中，P2為水泵輸入功率，kW；ηgr為驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率，0.9~0.95。

水泵實(shí)際做功功率為

式中，P1為水泵實(shí)際做功功率，kW；ηb為水泵效率，0.8~0.9。

水泵入口總水頭為

式中，H1為水泵入口總水頭，m；Z1為泵入口截面相對(duì)基準(zhǔn)面的高度，m；p1為泵入口截面處壓力，Pa；ρ1為水泵入口水密度，kg/m3；V1為水泵入口水流速度，m/s；g為重力加速度，m/s2。

水泵出口總水頭為

式中，H2為水泵出口總水頭，m；Z2為泵出口截面相對(duì)基準(zhǔn)面的高度，m；p2為水泵出口壓力，Pa；ρ2為水泵出口水密度，kg/m3；V2為水泵出口水流速度，m/s。

聯(lián)立式 （4）、式 （5）并進(jìn)行簡(jiǎn)化，得出的水頭揚(yáng)程公式為

式中，H為水泵揚(yáng)程，m；ρm為水的算數(shù)評(píng)價(jià)密度，kg/m3。

對(duì)于水泵進(jìn)出口管道管徑相同的情況，可以省去水流流速的影響，則水泵的流量為

式中，Q為水泵流量，m3/s。

通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙、水泵資料、SIS系統(tǒng)在線儀表數(shù)值，便可以計(jì)算出循環(huán)水泵的流量。值得說(shuō)明的是，電機(jī)功率因數(shù)、電機(jī)效率、水泵效率均為廠家提供參數(shù)，若數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所計(jì)算得出的循環(huán)水量也會(huì)有誤差。所以，最好能結(jié)合下面的方法互相校核。

4.2.2 根據(jù)凝汽器熱平衡反推法進(jìn)行計(jì)算

在凝汽器中，存在一個(gè)熱力平衡關(guān)系，即循環(huán)水吸收的熱量等于乏汽凝結(jié)釋放的熱量[12]。

式中：Cw為水的比熱容，4.187 kJ/（kg·℃）；mw為循環(huán)水的質(zhì)量流量，kg/s；Δt為循 環(huán) 水 溫升，℃；Δh為凝氣焓差，kJ/kg；mq為凝結(jié)水質(zhì)量流量，kg/s。

對(duì)于空冷機(jī)組而言，由于末級(jí)葉片尺寸短，背壓較高，汽輪機(jī)的排汽濕度較低，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，將汽輪機(jī)排汽近似為干蒸汽，將Δh視為凝結(jié)水溫度的單值函數(shù)，也為背壓的單值函數(shù)。

圖2為凝氣焓差與背壓的關(guān)系圖。根據(jù)圖2所擬合出的函數(shù)關(guān)系為為凝汽

式中：Δh為凝氣焓差，kJ/kg；器背壓，kP。

聯(lián)立式（7）、式（8）并整理得

式中：Q為水泵流量，m3/s；t2為凝汽器出口的循環(huán)水溫度，℃；t1為凝汽器入口的循環(huán)水溫度，℃。

圖2 凝氣焓差與背壓關(guān)系

本式中等號(hào)右側(cè)變量容易獲得，循環(huán)水密度與溫度有關(guān)，可以查表獲得。

值得說(shuō)明的是，尖峰凝汽器的凝結(jié)水管道上常不設(shè)置流量計(jì)，從本文校核循環(huán)水量的角度而言，應(yīng)在尖峰凝汽器的凝結(jié)水管道上設(shè)置流量計(jì)。

4.2.3 循環(huán)水量不足的原因及對(duì)策分析

造成循環(huán)水量減少的可能原因：第一，循環(huán)水泵發(fā)生汽蝕，葉輪發(fā)生損壞；第二，葉輪被塑料布、樹(shù)枝等雜物堵塞；第三，循環(huán)水泵吸水管的吸水口被異物堵塞；第四，循環(huán)水泵吸水管道閥門未完全打開(kāi)；第五，冷卻塔噴頭發(fā)生堵塞。

故障分析及排查如下：第一，汽蝕是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，至少1年的時(shí)間才會(huì)因汽蝕導(dǎo)致水泵葉輪損壞到一定程度而影響循環(huán)水泵的出水量。因此，假如投運(yùn)初期水量減少，可以排除汽蝕原因。第二，檢查冷卻塔水池內(nèi)、清污機(jī)后的水質(zhì)情況，是否存在較多的漂浮物、懸浮物。若發(fā)現(xiàn)雜物較多，應(yīng)及時(shí)人工清理，并更換備用泵檢測(cè)水量情況。第三，水泵吸水管底部喇叭口設(shè)有格柵，以防止雜物進(jìn)入水泵，如果雜物較多，堵住吸水喇叭口，也會(huì)導(dǎo)致水泵出水量減少。第四，對(duì)自罐式吸水的臥式離心泵，為了檢修方便，需在吸水管路上設(shè)置閥門。正常運(yùn)行情況下，該閥門處于完全打開(kāi)狀態(tài)，應(yīng)檢查其是否因誤操作處于未完全打開(kāi)狀態(tài)。第五，當(dāng)水質(zhì)較差時(shí)，冷卻塔噴頭堵塞、結(jié)垢等均可能導(dǎo)致管道系統(tǒng)阻力加大，循環(huán)水流量減少。當(dāng)水泵出水管道阻力增加時(shí)，水泵工況點(diǎn)將沿著“水泵特效曲線”向流量減少、揚(yáng)程升高的方向移動(dòng)。因此，可檢查水泵出口壓力表數(shù)值是否異常升高，若出口壓力表數(shù)值升高，可以判斷是水泵出水管路阻力增加。通過(guò)檢查冷卻塔是否均勻噴水，可確定噴頭是否堵塞。

4.3 膠球沖洗系統(tǒng)收球率低

系統(tǒng)試運(yùn)行期間，當(dāng)2臺(tái)機(jī)組僅運(yùn)行1臺(tái)循環(huán)水泵時(shí)，出現(xiàn)膠球收球率低的現(xiàn)象。主要原因是受膠球質(zhì)量、清洗設(shè)備、循環(huán)水系統(tǒng)等因素影響。通過(guò)逐條分析原因，制定的相應(yīng)對(duì)策[13-15]見(jiàn)表3。

表3膠球系統(tǒng)收球率低的原因及對(duì)策

流速對(duì)收球率的影響比較明顯，由于季節(jié)原因，循環(huán)水系統(tǒng)在冬季時(shí)會(huì)降低循環(huán)水泵臺(tái)數(shù)，從而導(dǎo)致凝汽器內(nèi)水流速度過(guò)低，膠球系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。國(guó)內(nèi)某熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，采用中水為水源，冬季時(shí)2臺(tái)機(jī)組僅運(yùn)行1臺(tái)循環(huán)水泵，導(dǎo)致凝汽器腐蝕結(jié)垢，使用1年就被迫更換冷卻管材。

綜合對(duì)比分析，本尖峰冷卻系統(tǒng)2臺(tái)尖峰凝汽器由3臺(tái)循環(huán)水泵（2用1備）供水，且凝汽器過(guò)水?dāng)嗝孑^大，當(dāng)1臺(tái)循環(huán)水泵為2臺(tái)尖峰凝汽器供水時(shí)，凝汽器冷卻管內(nèi)流速過(guò)低，導(dǎo)致收球率低，后通過(guò)更換小直徑膠球，解決了該問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

a）對(duì)于凝汽器高位布置的二次循環(huán)冷卻系統(tǒng)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注凝汽器頂端水側(cè)的壓力，采取防止產(chǎn)生負(fù)壓的技術(shù)措施。

b）循環(huán)水泵流量難于測(cè)量，可根據(jù)在線儀表數(shù)據(jù)，間接校核驗(yàn)證。

c）循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮膠球沖洗系統(tǒng)，以保證換熱冷卻管內(nèi)壁清潔。