300 MW機組凝汽器改造及性能分析

許 寧，李軍爍，楊燕燕，楊海生，李永華

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021）

300 MW機組凝汽器改造及性能分析

許 寧1，李軍爍1，楊燕燕1，楊海生2，李永華1

（1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，河北 石家莊 050021）

某300 MW機組凝汽器運行狀態不佳，導致機組經常限負荷運行。介紹凝汽器性能試驗和性能計算的方法，并以此對凝汽器進行性能分析，確定了凝汽器存在的問題和改造方向。對比改造前后凝汽器性能試驗數據，結果表明：改造后凝汽器各性能參數基本保持穩定，與改造前相比，端差、排氣壓力降低，清潔系數顯著提高；凝汽器改造后性能達到了設計要求，靜電水處理器也取得了良好的除垢效果。最后評估了凝汽器改造后機組所獲得的經濟效益并對凝汽器的日常運行提出了建議。

凝汽器性能；傳熱系數；排汽壓力；端差；清潔系數

0　引言

凝汽器作為機組冷端系統不可缺少的一部分，其性能直接影響機組的運行狀態。凝汽器性能不佳會造成汽輪機排汽壓力上升，甚至導致機組限負荷運行［1-3］。凝汽器冷卻管的腐蝕泄露會直接影響凝汽器性能，更為嚴重的是冷卻水可能泄露到凝結水中，迅速引起水質惡化，造成鍋爐、爐前系統及汽輪機的結垢、腐蝕，因此凝汽器的安全、高效運行是非常必要的［4，5］。近年來，凝汽器在設計技術、管材材料等方面取得了一定程度的突破［6］。許多面臨凝汽器運行狀態不佳問題的老電廠，先后完成了對凝汽器的技術革新，由原來的銅管換成現在的不銹鋼管，模塊式排管替代了卵形排管并優化調整了中間支撐管板間距［7-9］。某電廠300 MW機組凝汽器在2009年大修期間進行了技術革新，但由于凝汽器長期運行，目前又出現了運行狀態不佳的情況，嚴重影響了機組的正常運行［10］。介紹了凝汽器性能試驗和性能計算方法，對改造前凝汽器進行性能試驗，明確了改造方向并對改造后凝汽器的性能進行了驗證［11］。

1　凝汽器性能試驗及性能計算

1.1試驗目的及工況

凝汽器性能試驗是為了評估凝汽器在正常運行負荷下的性能，性能參數主要包括凝汽器端差、排汽壓力以及清潔系數等。本次性能試驗工況包括:凝汽器改造前試驗負荷為280 MW工況（排汽壓力過高，無法滿負荷運行）和凝汽器改造后試驗負荷為300 MW工況，水泵運行方式全都為雙泵運行。

1.2試驗方法及步驟

（1）試驗負責人員全面了解汽輪機和凝汽器運行狀況，正確安裝試驗所需儀表并檢查儀表讀數是否正常。

（2）確定凝汽器及相關設備處于正常運行狀態，并能長期連續運行，凝汽器改造前膠球清洗系統正常投入，凝汽器改造后靜電水處理器正常投入。

（3）試驗前需要檢查汽輪機真空嚴密性，在規定的真空度下，關閉靠近感受孔處的截止閥時，真空下降速度是否在要求以內。

（4）試驗前需要清理掉在凝汽器管道以及水室管板上堆積的微生物、雜物；充分清理冷卻管確保其足夠清潔。

（5）整個試驗過程中機組始終處于單元制運行方式，循環水系統運行方式保持不變，循環水流量穩定，機組處于穩定工況運行，正式記錄數據之前，先記錄一部分數據，看其是否在參數允許變化范圍內。

（6）凝汽器性能試驗期間不得向凝汽器補水，熱力系統其它設備均為正常運行方式，無需進行隔離；冷卻水的泄露量也應處于泄露范圍內，盡量做到無泄露。

（7）試驗時要求蒸汽參數接近于額定值并保持參數及負荷的穩定，試驗中參數允許變化范圍如表1所示。

表1　參數允許變化范圍

（8）確定以上條件都符合后，記錄試驗所需數據，試驗結束時，由試驗項目責任人當場匯總人工記錄數據和試驗采集數據。

1.3凝汽器性能計算

根據電力行業標準 《表面式凝氣器試驗規程》和HEI凝汽器標準，總結了凝汽器性能參數的計算方法，并引導出了區別于凝汽器標準中的另一種凝汽器試驗清潔狀態下的傳熱系數的計算方法，兩種計算方法可以在性能計算時相互驗證。

（1）對數平均溫差θmT

式中:θmT為對數平均溫差，℃；θ1T為初始溫差，θ1T=tsT-t1T，℃；θ2T為終端溫差，θ2T=tsT-t2T，℃；tsT為凝汽器壓力對應的飽和溫度，℃；t2T為凝汽器循環水出口溫度，℃；t1T為凝汽器循環水進口溫度，℃。

（2）凝汽器試驗熱負荷QT

式中:QT為凝汽器試驗熱負荷，kW；GwT為試驗循環水流量，kg/s；CPT為試驗循環水在平均水溫下的比熱容，kJ/（kg·℃）。

（3）凝汽器總體傳熱系數KT

式中:KT為凝汽器試驗總體的傳熱系數，W/（m2·℃）；A為凝汽器面積，m2。

（4）HEI標準中的總體傳熱系數KHEI

式中:KHEI為 HEI標準中總體傳熱系數，W/（m2·℃）；KHEIT為根據HEI標準計算的基本總體傳熱系數，W/（m2.℃）；K0為基本傳熱系數，W/（m2.℃）；βc為清潔系數；βt為根據循環水進口溫度得到的總體傳熱系數的修正系數；βm為根據管材和壁厚得到的傳熱系數的修正系數。

（5）凝汽器清潔系數βc

（6）根據HEI標準，修正后的總體傳熱系數Kc

式中:Kc為修正后的總體傳熱系數，W/（m2·℃）；Fυ為流量修正系數；Ft為水溫修正系數。

（7）兩種方法計算試驗清潔狀態下，修正至設計流速、設計進水溫度的傳熱系數

式中:Kc1為試驗清潔狀態下修正至設計流速、設計進水溫度的傳熱系數，W/（m2.℃）；Kc2為試驗清潔狀態下修正至設計流速、設計進水溫度的傳熱系數，W/（m2.℃）；KOD為設計狀態下的基本傳熱系數；βtD為根據設計循環水進口溫度得到的水溫修正系數。

（8）凝汽器壓力的修正計算

由于凝汽器性能試驗時，循環水進口溫度和循環水流量不可能與設計值正好相同。因此，根據試驗標準的規定，需要把循環水進口溫度和循環水量修正到設計條件下，在設計熱負荷下修正后的凝汽器飽和溫度由式（12）確定:

式中:tsc為凝汽器壓力飽和溫度修正值，℃；t1D為設計循環水進口溫度，℃；Δtc為修正至設計條件下的凝汽器溫升，℃；δtc為修正至設計條件下的凝汽器端差，℃；X為對總體傳熱系數進行修正后的對數平均溫差系數。

2　實例計算

2.1改造前凝汽器性能計算

本次試驗前未進行機組真空系統嚴密性試驗。據了解，現場的真空嚴密性結果在標準要求范圍內。現場對循環水流量使用了超聲波流量計進行測量，經測量雙泵運行時水量為31 000 t/h。對汽輪機280 MW負荷試驗工況進行了計算，并將試驗結果修正至設計熱負荷、設計循環水量、設計進口水溫，計算的主要結果如表2。

凝汽器主要設計參數:設計流程數2，設計面積:17 800 m2，管材不銹鋼TP304，管子外徑22 mm，管子壁厚0.5 mm，管子內徑21 mm，管子長度10 900 mm，管子數量23 600根，管子通水面積4.09 m2，循環水流速2.21 m/s，循環水流量32 500 t/h。

表2　凝汽器改造前性能計算結果

從表中計算結果來看，雙泵情況下修正后的排汽壓力為7.363 kPa，相比于設計值為5.997 kPa，兩者相差0.366 kPa，這說明凝汽器的實際運行狀態比設計狀態差。運行工況下的端差均大于設計值，這說明凝汽器換熱效果不佳。

影響凝汽器端差的主要因素包括循環冷卻水量、凝汽器運行中內部存在空氣積聚和凝汽管側臟污。試驗中，實測兩泵運行工況下的冷卻水量為31 000 t/h，略低于設計值32 500 t/h，對端差的影響為減少方向，不會造成端差增大；通過現場就地測量凝汽器表面溫度及抽空氣管溫度，兩者的溫度偏差很小，說明凝汽器抽空氣管中所占空氣量很小。通過對凝汽器運行數據的計算分析，在280 MW工況下凝汽器的清潔系數為0.515，而凝汽器的清潔系數設計值為0.842，因此，凝汽器的管側臟污是造成其運行中端差大的主要原因。凝汽器的管側清潔狀態不佳，可能與目前采用的中水補水方式有關，中水補水方式水質的硬度較高，會造成凝汽器管側的結垢，從而影響凝汽器換熱。

2.2改造后凝汽器性能計算

凝汽器在2009年大修期間進行了技術革新，采用了模塊式排管。從上述分析可看出，凝汽器可能是冷卻管部分堵塞、腐蝕，只需對此部分冷卻管所在模塊進行更換即可。針對中水補水方式中水質硬度過高問題，如圖1所示，在凝汽器進水處由膠球清洗裝置改造成靜電水處理器用于防止水垢生成、容垢、滅藻。

圖1　靜電水處理

在凝汽器改造完成后，進行驗收試驗，在其后的每兩個月進行一次凝汽器性能試驗，觀察凝汽器運行效果，試驗數據及計算結果如下表3所示。

表3　凝汽器改造后性能計算結果

從表3中數據可以看到，凝汽器改造后試驗工況為300 MW，循環水量為32 500 t/h，機組已經可以滿負荷運行，限負荷運行現象得到解決，這就從側面表明凝汽器運行狀態良好；凝汽器端差從改造前的5.7℃降低到2.75℃左右，降低近2.95℃，與設計端差（2.7℃）非常接近，說明凝汽器換熱效果良好；改造后凝汽器試驗工況下的清潔系數在 0.83以上，較改造前提高近0.315，凝汽器設計清潔系數為0.842，排除試驗環境條件影響，這說明凝汽器冷卻管清潔程度顯著提高，內部結垢幾乎不存在；將試驗工況下的排氣壓力修正到設計熱負荷、設計進水溫度、設計流速下為6.021 kPa左右，較凝汽器改造前7.363 kPa降低了1.342 kPa，比設計工況下的排汽壓力略高，這說明凝汽器真空情況得到改善，有利于機組安全運行；改造后凝汽器的總體傳熱系數比改造之前提高了1 200 W/（m2·℃）以上，說明凝汽器內部傳熱、換熱得到有效改善。總體來看，改造后凝汽器性能達到了設計水平，解決了凝汽器冷卻管結垢臟污導致的換熱能力下降的問題。

凝汽器改造后三次性能試驗工況基本接近，對試驗結果進行對比，發現三次試驗結果凝汽器端差、清潔系數、排汽壓力基本相差不大，說明改造后凝汽器性能保持穩定，靜電水處理器對中水補水的水質起到了很好的改善作用。不考慮試驗環境條件的影響，凝汽器改造后三次的試驗結果總體上是一致的，但仍存在很小的變化趨勢。隨著時間的推移，凝汽器總體傳熱系數、清潔系數呈現下降的趨勢，凝汽器端差、排氣壓力呈現上升的趨勢，說明盡管靜電水處理器對中水水質起到很好的改善作用，但還是有少量的雜質在冷卻管中結垢，從而影響了凝汽器換熱性能。對于這部分污垢，電廠可以定期改變單泵及雙泵的運行方式，增大對凝汽器內部的擾動的方式來改善。由于冷卻管不銹鋼管較銅管導熱性能略差，循環水流速越高，凝汽器換熱性能越好，建議電廠在允許的條件下，盡量保持循環水較高的流速。

3　經濟性分析

300 MW 機組按每個 kPa降低煤耗 2.02 g/kW·h，凝汽器改造后可降低煤耗約 2.63 g/kW·h，機組平均年運行7 000 h，年可節約標煤5 523 t，標煤價格為600元/t，年節約用煤費用約331萬元。每年需要增加電耗約15萬元；年維修費用約20萬元；靜電水處理器需投資7.5萬元；凝汽器改造及安裝費用約35萬元；如下表4所示，凝汽器改造后每年可獲得253.5萬元的收益。

表4　凝汽器改造后經濟統計

4　試驗結論及建議

（1）改造前凝汽器雙泵情況下修正后的排汽壓力為7.363 kPa，而設計值為5.997 kPa，兩者相差0.366 kPa，說明凝汽器的實際運行狀態比設計狀態差。運行工況下的端差均大于設計值，說明凝汽器換熱效果不佳。

（2）改造前凝汽器雙泵情況下凝汽器的清潔系數為0.515，而凝汽器的清潔系數設計值為0.842，說明凝汽器的管側臟污是造成其運行中端差大的主要原因。

（3）改造后的凝汽器與改造前相比，端差降低約2.98℃，排氣壓力降低約1.35 kPa，清潔系數提高到0.83以上，凝汽器性能顯著提高基本達到設計要求，每年可獲得253.5萬元的收益。

（4）連續三次凝汽器性能試驗，凝汽器性能參數變化不大，說明靜電水處理器取得了良好的除垢效果。

（5）建議在凝汽器運行期間，加強對凝汽器及靜電水處理器的監測，條件允許的情況下電廠可以定期改變單泵及雙泵的運行方式，增大對凝汽器內部的擾動，這樣有助于改善管束內部污垢的沉積狀況，但在平時運行時盡量保持循環水較高的流速。

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Improvement and Performance Analysis for Condenser in 300MW Unit

XU Ning1，LI Junshuo1，YANG Yanyan1，YANG Haisheng2，LI Yonghua1
（1.School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China；2.State Grid Hebei Electric Power Company Hebei Electric Power Research Institute，Shijiazhuang 050021，China）

A 300 MW unit condenser operated in poor condition often resulted the unit limit load operation.This paper introduces the performance test and performance calculation method for the condenser，and analyzes the performance of the condenser.The existing problems and the improvement direction of the condenser are determined. Contrast of the condenser performance test data before and after the transformation，the results show:after the transformation，the performance parameters of the condenser remained stable；compared with before the transformation，the end difference and the exhaust pressure is reduced，the cleaning coefficient increased significantly；condenser performance meets the design requirements，and electrostatic water processor also makes a good cleaning effect.In the end，the economic benefit of the unit after reconstruction of condenser is evaluated，and the suggestions are put forward for the daily operation of the condenser.

condenser performance；heat transfer coefficient；exhaust pressure；end difference；cleaning coefficient；

TK264.4

A DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.006

2016-05-13。

許寧（1992-），男，碩士研究生，研究方向為熱力發電廠節能及經濟性分析，E-mail:602341438@qq.com。