300 MW機(jī)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(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021）

300 MW機(jī)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(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021）

某300 MW機(jī)組凝汽器運(yùn)行狀態(tài)不佳，導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)常限負(fù)荷運(yùn)行。介紹凝汽器性能試驗(yàn)和性能計算的方法，并以此對凝汽器進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：改造后凝汽器各性能參數(shù)基本保持穩(wěn)定，與改造前相比，端差、排氣壓力降低，清潔系數(shù)顯著提高；凝汽器改造后性能達(dá)到了設(shè)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(jī)組所獲得的經(jīng)濟(jì)效益并對凝汽器的日常運(yùn)行提出了建議。

凝汽器性能；傳熱系數(shù)；排汽壓力；端差；清潔系數(shù)

0　引言

凝汽器作為機(jī)組冷端系統(tǒng)不可缺少的一部分，其性能直接影響機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。凝汽器性能不佳會造成汽輪機(jī)排汽壓力上升，甚至導(dǎo)致機(jī)組限負(fù)荷運(yùn)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(yán)重的是冷卻水可能泄露到凝結(jié)水中，迅速引起水質(zhì)惡化，造成鍋爐、爐前系統(tǒng)及汽輪機(jī)的結(jié)垢、腐蝕，因此凝汽器的安全、高效運(yùn)行是非常必要的［4，5］。近年來，凝汽器在設(shè)計技術(shù)、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(yùn)行狀態(tài)不佳問題的老電廠，先后完成了對凝汽器的技術(shù)革新，由原來的銅管換成現(xiàn)在的不銹鋼管，模塊式排管替代了卵形排管并優(yōu)化調(diào)整了中間支撐管板間距［7-9］。某電廠300 MW機(jī)組凝汽器在2009年大修期間進(jìn)行了技術(shù)革新，但由于凝汽器長期運(yùn)行，目前又出現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)不佳的情況，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常運(yùn)行［10］。介紹了凝汽器性能試驗(yàn)和性能計算方法，對改造前凝汽器進(jìn)行性能試驗(yàn)，明確了改造方向并對改造后凝汽器的性能進(jìn)行了驗(yàn)證［11］。

1　凝汽器性能試驗(yàn)及性能計算

1.1試驗(yàn)?zāi)康募肮r

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

1.2試驗(yàn)方法及步驟

（1）試驗(yàn)負(fù)責(zé)人員全面了解汽輪機(jī)和凝汽器運(yùn)行狀況，正確安裝試驗(yàn)所需儀表并檢查儀表讀數(shù)是否正常。

（2）確定凝汽器及相關(guān)設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并能長期連續(xù)運(yùn)行，凝汽器改造前膠球清洗系統(tǒng)正常投入，凝汽器改造后靜電水處理器正常投入。

（3）試驗(yàn)前需要檢查汽輪機(jī)真空嚴(yán)密性，在規(guī)定的真空度下，關(guān)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(nèi)。

（4）試驗(yàn)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(yàn)過程中機(jī)組始終處于單元制運(yùn)行方式，循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行方式保持不變，循環(huán)水流量穩(wěn)定，機(jī)組處于穩(wěn)定工況運(yùn)行，正式記錄數(shù)據(jù)之前，先記錄一部分?jǐn)?shù)據(jù)，看其是否在參數(shù)允許變化范圍內(nèi)。

（6）凝汽器性能試驗(yàn)期間不得向凝汽器補(bǔ)水，熱力系統(tǒng)其它設(shè)備均為正常運(yùn)行方式，無需進(jìn)行隔離；冷卻水的泄露量也應(yīng)處于泄露范圍內(nèi)，盡量做到無泄露。

（7）試驗(yàn)時要求蒸汽參數(shù)接近于額定值并保持參數(shù)及負(fù)荷的穩(wěn)定，試驗(yàn)中參數(shù)允許變化范圍如表1所示。

表1　參數(shù)允許變化范圍

（8）確定以上條件都符合后，記錄試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束時，由試驗(yàn)項(xiàng)目責(zé)任人當(dāng)場匯總?cè)斯び涗洈?shù)據(jù)和試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。

1.3凝汽器性能計算

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《表面式凝氣器試驗(yàn)規(guī)程》和HEI凝汽器標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了凝汽器性能參數(shù)的計算方法，并引導(dǎo)出了區(qū)別于凝汽器標(biāo)準(zhǔn)中的另一種凝汽器試驗(yàn)清潔狀態(tài)下的傳熱系數(shù)的計算方法，兩種計算方法可以在性能計算時相互驗(yàn)證。

（1）對數(shù)平均溫差θmT

式中:θmT為對數(shù)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(yīng)的飽和溫度，℃；t2T為凝汽器循環(huán)水出口溫度，℃；t1T為凝汽器循環(huán)水進(jìn)口溫度，℃。

（2）凝汽器試驗(yàn)熱負(fù)荷QT

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

（3）凝汽器總體傳熱系數(shù)KT

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

（4）HEI標(biāo)準(zhǔn)中的總體傳熱系數(shù)KHEI

式中:KHEI為 HEI標(biāo)準(zhǔn)中總體傳熱系數(shù)，W/（m2·℃）；KHEIT為根據(jù)HEI標(biāo)準(zhǔn)計算的基本總體傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）；K0為基本傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）；βc為清潔系數(shù)；βt為根據(jù)循環(huán)水進(jìn)口溫度得到的總體傳熱系數(shù)的修正系數(shù)；βm為根據(jù)管材和壁厚得到的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)。

（5）凝汽器清潔系數(shù)βc

（6）根據(jù)HEI標(biāo)準(zhǔn)，修正后的總體傳熱系數(shù)Kc

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

（7）兩種方法計算試驗(yàn)清潔狀態(tài)下，修正至設(shè)計流速、設(shè)計進(jìn)水溫度的傳熱系數(shù)

式中:Kc1為試驗(yàn)清潔狀態(tài)下修正至設(shè)計流速、設(shè)計進(jìn)水溫度的傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）；Kc2為試驗(yàn)清潔狀態(tài)下修正至設(shè)計流速、設(shè)計進(jìn)水溫度的傳熱系數(shù)，W/（m2.℃）；KOD為設(shè)計狀態(tài)下的基本傳熱系數(shù)；βtD為根據(jù)設(shè)計循環(huán)水進(jìn)口溫度得到的水溫修正系數(shù)。

（8）凝汽器壓力的修正計算

由于凝汽器性能試驗(yàn)時，循環(huán)水進(jìn)口溫度和循環(huán)水流量不可能與設(shè)計值正好相同。因此，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，需要把循環(huán)水進(jìn)口溫度和循環(huán)水量修正到設(shè)計條件下，在設(shè)計熱負(fù)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(shè)計循環(huán)水進(jìn)口溫度，℃；Δtc為修正至設(shè)計條件下的凝汽器溫升，℃；δtc為修正至設(shè)計條件下的凝汽器端差，℃；X為對總體傳熱系數(shù)進(jìn)行修正后的對數(shù)平均溫差系數(shù)。

2　實(shí)例計算

2.1改造前凝汽器性能計算

本次試驗(yàn)前未進(jìn)行機(jī)組真空系統(tǒng)嚴(yán)密性試驗(yàn)。據(jù)了解，現(xiàn)場的真空嚴(yán)密性結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。現(xiàn)場對循環(huán)水流量使用了超聲波流量計進(jìn)行測量，經(jīng)測量雙泵運(yùn)行時水量為31 000 t/h。對汽輪機(jī)280 MW負(fù)荷試驗(yàn)工況進(jìn)行了計算，并將試驗(yàn)結(jié)果修正至設(shè)計熱負(fù)荷、設(shè)計循環(huán)水量、設(shè)計進(jìn)口水溫，計算的主要結(jié)果如表2。

凝汽器主要設(shè)計參數(shù):設(shè)計流程數(shù)2，設(shè)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(nèi)徑21 mm，管子長度10 900 mm，管子數(shù)量23 600根，管子通水面積4.09 m2，循環(huán)水流速2.21 m/s，循環(huán)水流量32 500 t/h。

表2　凝汽器改造前性能計算結(jié)果

從表中計算結(jié)果來看，雙泵情況下修正后的排汽壓力為7.363 kPa，相比于設(shè)計值為5.997 kPa，兩者相差0.366 kPa，這說明凝汽器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)比設(shè)計狀態(tài)差。運(yùn)行工況下的端差均大于設(shè)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(huán)冷卻水量、凝汽器運(yùn)行中內(nèi)部存在空氣積聚和凝汽管側(cè)臟污。試驗(yàn)中，實(shí)測兩泵運(yùn)行工況下的冷卻水量為31 000 t/h，略低于設(shè)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(xiàn)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(yùn)行數(shù)據(jù)的計算分析，在280 MW工況下凝汽器的清潔系數(shù)為0.515，而凝汽器的清潔系數(shù)設(shè)計值為0.842，因此，凝汽器的管側(cè)臟污是造成其運(yùn)行中端差大的主要原因。凝汽器的管側(cè)清潔狀態(tài)不佳，可能與目前采用的中水補(bǔ)水方式有關(guān)，中水補(bǔ)水方式水質(zhì)的硬度較高，會造成凝汽器管側(cè)的結(jié)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(jìn)行了技術(shù)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(jìn)行更換即可。針對中水補(bǔ)水方式中水質(zhì)硬度過高問題，如圖1所示，在凝汽器進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，在其后的每兩個月進(jìn)行一次凝汽器性能試驗(yàn)，觀察凝汽器運(yùn)行效果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如下表3所示。

表3　凝汽器改造后性能計算結(jié)果

從表3中數(shù)據(jù)可以看到，凝汽器改造后試驗(yàn)工況為300 MW，循環(huán)水量為32 500 t/h，機(jī)組已經(jīng)可以滿負(fù)荷運(yùn)行，限負(fù)荷運(yùn)行現(xiàn)象得到解決，這就從側(cè)面表明凝汽器運(yùn)行狀態(tài)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(shè)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(yàn)工況下的清潔系數(shù)在 0.83以上，較改造前提高近0.315，凝汽器設(shè)計清潔系數(shù)為0.842，排除試驗(yàn)環(huán)境條件影響，這說明凝汽器冷卻管清潔程度顯著提高，內(nèi)部結(jié)垢幾乎不存在；將試驗(yàn)工況下的排氣壓力修正到設(shè)計熱負(fù)荷、設(shè)計進(jìn)水溫度、設(shè)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(shè)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(jī)組安全運(yùn)行；改造后凝汽器的總體傳熱系數(shù)比改造之前提高了1 200 W/（m2·℃）以上，說明凝汽器內(nèi)部傳熱、換熱得到有效改善。總體來看，改造后凝汽器性能達(dá)到了設(shè)計水平，解決了凝汽器冷卻管結(jié)垢臟污導(dǎo)致的換熱能力下降的問題。

凝汽器改造后三次性能試驗(yàn)工況基本接近，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)三次試驗(yàn)結(jié)果凝汽器端差、清潔系數(shù)、排汽壓力基本相差不大，說明改造后凝汽器性能保持穩(wěn)定，靜電水處理器對中水補(bǔ)水的水質(zhì)起到了很好的改善作用。不考慮試驗(yàn)環(huán)境條件的影響，凝汽器改造后三次的試驗(yàn)結(jié)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(shù)、清潔系數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，凝汽器端差、排氣壓力呈現(xiàn)上升的趨勢，說明盡管靜電水處理器對中水水質(zhì)起到很好的改善作用，但還是有少量的雜質(zhì)在冷卻管中結(jié)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(yùn)行方式，增大對凝汽器內(nèi)部的擾動的方式來改善。由于冷卻管不銹鋼管較銅管導(dǎo)熱性能略差，循環(huán)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(huán)水較高的流速。

3　經(jīng)濟(jì)性分析

300 MW 機(jī)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(jī)組平均年運(yùn)行7 000 h，年可節(jié)約標(biāo)煤5 523 t，標(biāo)煤價格為600元/t，年節(jié)約用煤費(fèi)用約331萬元。每年需要增加電耗約15萬元；年維修費(fèi)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(fèi)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(jīng)濟(jì)統(tǒng)計

4　試驗(yàn)結(jié)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(shè)計值為5.997 kPa，兩者相差0.366 kPa，說明凝汽器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)比設(shè)計狀態(tài)差。運(yùn)行工況下的端差均大于設(shè)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(shù)為0.515，而凝汽器的清潔系數(shù)設(shè)計值為0.842，說明凝汽器的管側(cè)臟污是造成其運(yùn)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(shù)提高到0.83以上，凝汽器性能顯著提高基本達(dá)到設(shè)計要求，每年可獲得253.5萬元的收益。

（4）連續(xù)三次凝汽器性能試驗(yàn)，凝汽器性能參數(shù)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(yùn)行期間，加強(qiáng)對凝汽器及靜電水處理器的監(jiān)測，條件允許的情況下電廠可以定期改變單泵及雙泵的運(yùn)行方式，增大對凝汽器內(nèi)部的擾動，這樣有助于改善管束內(nèi)部污垢的沉積狀況，但在平時運(yùn)行時盡量保持循環(huán)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?yàn)闊崃Πl(fā)電廠節(jié)能及經(jīng)濟(jì)性分析，E-mail:602341438@qq.com。