330 MW機組凝汽器換型改造及節能效果分析

潘廣強，鄭效宏

(華電國際電力股份有限公司十里泉發電廠，山東 棗莊 277103)

1 凝汽器改造的必要性

華電國際電力股份有限公司十里泉發電廠#7機組為330 MW凝汽式機組，凝汽器為哈爾濱汽輪機廠生產的單殼體雙流程表面式凝汽器，于1997年投產，運行已滿15年。近年來凝汽器銅管頻繁泄漏，且泄漏的頻率呈增大趨勢，造成凝結水硬度超標、凝汽器背壓增高，嚴重影響機組的安全、經濟運行，也增加了日常的維護工作量。因此，對#7機組凝汽器進行改造勢在必行。

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，其余部件和結構不變。此方案的優點是投資少、實施周期短，但還存在以下缺點。

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

(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，不銹鋼管易出現過脹現象，運行后管口易泄漏。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，設計新的凝汽器管束排列方式。將凝汽器內部全部管束更換為不銹鋼管，端管板更換為不銹鋼復合板，更換新中間隔板、擋汽板、擋水板、抽汽-氣裝置及內部連接件等。

將4塊端管板更換為TP316L(δ=5 mm)+Q235-B(δ=35 mm)的不銹鋼復合板。采用不銹鋼復合端管板后，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，為此采用德國巴克-杜爾公司開發并已成功運行的Tepee排管。Tepee排管結構如圖1所示，其特點如下。

圖1 Tepee排管示意

(1)Tepee凝汽器管束汽阻小、熱負荷分布均勻、流場平穩、蒸汽渦流區少，主凝結區無明顯的空氣積聚，基本消除過冷度，除氧效果理想，總體傳熱系數比美國熱交換管凝汽器標準(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)優化、完備的抽汽-氣系統和空冷區結構設計。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入，每個管束熱負荷均勻，傳熱系數高。空冷區結構先進，蒸汽-空氣混合物在空氣冷卻區沿冷卻水管向抽氣口縱向流動，與管內冷卻水進行強逆流換熱，混合物中蒸汽充分凝結，降低汽-氣混合物出口溫度，改善抽氣設備的工作條件。

(3)擋水板少而精，且無橫置擋板，防止擋板下部渦流區的存在。凝汽器殼體布置2組管束，增加凝汽器回熱通道數，使每組管束進汽均勻，傳熱系數提高，又使熱井中凝結水得到有效加熱。

(4)巴克-杜爾公司對單臺凝汽器進行方案核準，東方同輝動力公司據其核準的方案完成施工圖設計。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，同時也降低了電廠費用[1]。

(5)冷卻水管采用不銹鋼管，通過重新排列冷卻管束，不會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組運行的安全性，使用壽命可達30年；同時，可減少事故停機次數，減小維護工作量，提高經濟效益[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題，同時保證凝汽器的長期高效運行。最終，該廠選擇管束置換法進行凝汽器的改造。

3 凝汽器改造的實施

(1)保留原凝汽器外殼，改造時校核殼體剛度并進行加固；凝汽器與其他相關設備的連接方式不變；凝汽器支撐方式不變；凝汽器和低壓缸連接的喉部不動，保留喉部內所有支撐件和設備。為保證設備安全，需對凝汽器殼體、喉部及喉部內設備進行臨時性和永久性加固。

(2)將凝汽器內部全部管束更換為不銹鋼直管。按照循環水水質，主凝結區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)為適應新的管束，對水室進行改制或更換。

(6)采用涂抹環氧瀝青漆的方式對水室進行防腐處理。

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

(8)采用新型的抽汽-氣系統，減小管路阻力。

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

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

按照Tepee排管先進的流場理論及排管方式進行新凝汽器方案設計。新凝汽器共設2組支撐隔板，選用厚度為16 mm的Q235-B鋼板，在汽側通過適當的擋汽板及擋水板等附件組織蒸汽流，達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水過冷度；在凝汽器內部通過簡潔的固定連接和支撐保證凝汽器在運行過程中不發生振動。凝汽器改造前、后參數對比見表1。

表1 凝汽器改造前、后參數對比

4 改造前、后試驗數據對比

某電力研究院對該機組凝汽器進行了改造前、后性能對比試驗，主要試驗數據見表2[3]。

表2 凝汽器改造前、后性能試驗數據對比

按照凝汽器設備規范，將循環水流量修正到34 000 t/h，在額定負荷(TRL)工況、冷卻水進口溫度33 ℃條件下，機組排汽壓力為10.09 kPa，比改造前降低1.39 kPa，見表3[3]。

表3 凝汽器TRL工況下性能試驗數據

按照凝汽器設備規范，將循環水流量修正到34 000 t/h，在機組熱耗保證(THA)工況、冷卻水進口溫度20 ℃條件下，機組排汽壓力為4.90 kPa，比改造前降低0.77 kPa，見表4[3]。

表4 凝汽器THA工況下性能試驗數據

5 改造后產生的經濟效益

(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機組年平均發電17億kW·h計算，每年可節約標準煤17×108×2.5×10-6×1.08=4 590 (t)。按照標準煤單價800元/t計算，每年可節省費用4 590×800×10-4=367.2(萬元)。

(2)改造凝汽器總投資為656.2萬元，投資回收期為656.2÷367.2=1.79(年)。

通過上述分析可以看出，改造達到了預期的效果，取得了良好的經濟效益。

6 結論

(1)雖然該凝汽器節能改造投資額達656.2萬元，但是每年節能產生的效益為367.0萬元，投資回收期只有1.79年。

(2)極大地提高了設備的運行可靠性，凝結水硬度超標缺陷得到根治，保證了機組的安全性和經濟性，降低了維護頻率，提高了設備可利用系數，建議在同類機組中進行推廣。

參考文獻：

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

[2]周蘭欣,林湖,胡學武,等.凝汽器傳熱端差的計算與分析[J].華東電力，2003(11):16-18.

[3]丁俊齊,呂海禎,宋昂,等.華電國際電力股份有限公司十里泉發電廠#7機組凝汽器改造前后性能試驗報告[R].濟南：山東電力研究院，2011.