高加危急疏水至排汽裝置安全分析

俞華，賀成，陳勛瑜，周小猛，費(fèi)振偉，王磊，朱靜

(中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海 200061)

高加危急疏水至排汽裝置安全分析

俞華，賀成，陳勛瑜，周小猛，費(fèi)振偉，王磊，朱靜

(中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司，上海 200061)

本文分析排汽裝置的高加危急疏水?dāng)U容后的乏汽參數(shù)，計(jì)算空冷冷凝器蒸汽凝結(jié)溫度的汽輪機(jī)背壓，判斷汽輪機(jī)能否安全運(yùn)行；列取了在高加危急疏水排入排汽裝置下汽輪機(jī)背壓超過(guò)報(bào)警值時(shí)的各項(xiàng)安全措施。

背壓；凝結(jié)溫度；安全；優(yōu)化

1 情況介紹

延安煤油氣資源綜合利用項(xiàng)目熱動(dòng)力站工程（建設(shè)規(guī)模為 4×320t/h 高溫、高壓煤粉鍋爐+2×50MW 直接空冷抽凝式供熱汽輪發(fā)電機(jī)組）采用直接空冷凝汽器。本工程單臺(tái)機(jī)采用2臺(tái)高壓加熱器，高壓給水采用大旁路系統(tǒng)。

原設(shè)計(jì)方案：在其中任意一臺(tái)高壓加熱器換熱管爆裂時(shí)，通過(guò)及時(shí)切換高壓給水至給水旁路，同時(shí)打開(kāi)高壓加熱器的電動(dòng)危急疏水閥，危急疏水排入排汽裝置，在排汽裝置中擴(kuò)容形成乏汽并排入空冷凝汽器；在空冷凝汽器中冷卻成凝結(jié)水，通過(guò)凝結(jié)水泵排出。業(yè)主擔(dān)憂(yōu)危急疏水直接排入排汽裝置時(shí)，疏水變成背壓下的飽和蒸汽，因乏汽的比體積增大最終導(dǎo)致汽輪機(jī)背壓升高，造成汽輪機(jī)背壓過(guò)高，或達(dá)到報(bào)警背壓，對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行造成隱患。

本文通過(guò)對(duì)高加危急疏水排入方式的選用，分析乏汽的形成原理、空冷冷凝器背壓影響因素、通過(guò)對(duì)背壓的計(jì)算，分析是否威脅汽輪機(jī)安全運(yùn)行。

2 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析

2.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中第 8.3.6.2 規(guī)定：緊急放水應(yīng)單獨(dú)引至高壓加熱器疏水?dāng)U容器或凝汽器等；同時(shí)在東方汽輪機(jī)廠(chǎng)的空冷冷凝器機(jī)組中，也不乏采用高加危急疏水直接排入排汽裝置的情況。

根據(jù)一般的水冷式凝汽器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，高壓加熱器危急疏水去處一般分為：①排入汽輪機(jī)本體疏水?dāng)U容器擴(kuò)容后將乏汽及疏水排入凝汽器；②在中小型火力發(fā)電廠(chǎng)中也可以將危急疏水排至定排疏水?dāng)U容器擴(kuò)容，噴入冷卻水最終排至機(jī)組排水槽；③水冷式凝汽器機(jī)組也可以將危急疏水排至循環(huán)水排水管道。同時(shí)《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》8.3.6 的條文說(shuō)明“中小型機(jī)組，加熱器緊急放水，在工程設(shè)計(jì)中一般都排至定期排污擴(kuò)容器或引至循化水吸水口處”。因此本文針對(duì)高加危急疏水直接排入排汽裝置的是否安全、是否會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行造成影響進(jìn)行了計(jì)算分析。

2.2 設(shè)計(jì)分析

高壓加熱器危急疏水需要開(kāi)啟的原因?yàn)椋孩偌訜崞鲹Q熱管爆管；②下級(jí)疏水?dāng)U容器或除氧器存在問(wèn)題無(wú)法正常疏水；③水位計(jì)失靈無(wú)法監(jiān)視水位。根據(jù) DL/T 5054《火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》高加危急水量應(yīng)選擇下列2種排水量的較大值：

不小于最大負(fù)荷下管側(cè)給水流量的 10%，并另加 10% 的裕度；

一根加熱器管子破裂流出的水量（兩個(gè)斷口）按下式計(jì)算流量，同時(shí)另加 10% 的裕度。

式中，Q —— 根管道破裂流出的水量，m3/h；

Di —— 管子的公稱(chēng)內(nèi)徑，mm；

Pt —— 管側(cè)設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Ps —— 殼側(cè)設(shè)計(jì)壓力，MPa。

其中高壓加熱器的最大危急水量可以達(dá)到117.174t/h。

按上式可分別計(jì)算出2臺(tái)高加在不同工況下的危急疏水量（表1）。

當(dāng)高加危急疏水進(jìn)入排汽裝置時(shí)，因排汽裝置的背壓較低，高壓危急飽和疏水?dāng)U容成背壓下的大量飽和疏水及部分飽和乏汽。飽和疏水通過(guò)重力作用流入排汽裝置熱水井，而擴(kuò)容后的乏汽與汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片排除的乏汽混合，通過(guò)直徑為3224mm 的排汽管進(jìn)入空冷凝汽器，在空冷凝汽器中的換熱管與外部冷卻介質(zhì)（冷空氣）進(jìn)行換熱冷凝成凝結(jié)水，凝結(jié)水通過(guò)凝結(jié)水管道自流至排汽裝置熱井。

影響排汽裝置及空冷冷凝器的背壓因素為：

（1）排汽裝置及空冷冷凝器中因密封不嚴(yán)致使外部空氣漏入。

（2）蒸汽、疏水所含的部分不凝氣體排入排汽裝置。

（3）高加事故工況中高加危急疏水?dāng)U容后產(chǎn)生大量乏汽，空冷器冷卻性能限制乏汽冷凝溫度，影響汽輪機(jī)后的排汽裝置及空冷冷凝器的背壓。對(duì)于外界漏入排汽裝置及空冷器的的空氣，疏水及汽輪機(jī)排汽帶入不凝氣體通過(guò)真空泵持續(xù)抽出，維持汽輪機(jī)各設(shè)計(jì)工況所需的背壓。高加爆管排出的緊急放水帶出的額外潛熱，提高空冷器乏汽及凝結(jié)水的溫度，最終導(dǎo)致汽輪機(jī)的背壓上升。根據(jù)質(zhì)量守恒及熱量平衡，可計(jì)算出高加危急疏水進(jìn)入排汽裝置擴(kuò)容高加危急疏水?dāng)U容后的乏汽量及擴(kuò)容后的飽和水量：

式中：G0——高加危急疏水量，t/h；

G1——高加危急疏水?dāng)U容后產(chǎn)生的乏汽量，kg/ h；

G2——高加危急疏水?dāng)U容后的飽和水量，kg/h；

H0——高加危急疏水焓，kJ/kg；

H1——高加危危急疏水?dāng)U容后的乏汽焓，kJ/kg；

H2——高加危急疏水?dāng)U容后的飽和水焓，kJ/kg。

根據(jù)上面計(jì)算公式，計(jì)算出進(jìn)入空冷器的乏汽量計(jì)算如表2所示。

高加危急疏水排至排汽裝置后擴(kuò)容形成飽和凝結(jié)水及乏汽，乏汽所帶的汽化潛熱需在空冷器與冷空氣進(jìn)行換熱冷卻，冷卻成凝結(jié)水通過(guò)自重排至排汽裝置熱井。汽輪機(jī)的背壓應(yīng)為乏汽（飽和蒸汽）凝結(jié)為飽和水溫度下所對(duì)應(yīng)的壓力。按《注冊(cè)公用設(shè)備工程師動(dòng)力專(zhuān)業(yè)資格考試教材》第三章第四節(jié)“汽輪機(jī)的凝氣設(shè)備”“凝汽器的真空與傳熱”，蒸汽凝結(jié)溫度 ts 決定于冷卻用空氣的溫度 tw1；冷卻空氣在空冷器內(nèi)的溫升即空冷器的溫差 Δt；空冷器的傳熱端差 δt，見(jiàn)下式：

式中，ts——空冷器中蒸汽凝結(jié)溫度，℃；

tw1——冷卻用空氣進(jìn)入凝汽器的溫度，℃；

Δt——空氣在凝汽器溫升即凝汽器的溫差，℃；

δt——凝汽器傳熱端差；

q——乏汽的汽化潛熱，一般取 2140 ～ 2220kj/kg；

m——循環(huán)倍率，即單位質(zhì)量的乏汽量用幾倍的空氣來(lái)冷卻。

由上述式（4）及式（5）可知，空冷器的蒸汽凝結(jié)溫度（ts）主要由變量循環(huán)倍率（m）及冷卻用空氣的溫度（tw1）決定?？绽淦髦凶冾l風(fēng)機(jī)的風(fēng)量與排汽裝置中的乏汽總量的比值即為循環(huán)倍率，通過(guò)調(diào)整空冷器的變頻風(fēng)機(jī)風(fēng)量即可調(diào)整循環(huán)倍率，因此循環(huán)倍率受限于空冷器風(fēng)機(jī)的最大出力。

本工程空冷器空氣計(jì)算溫度為：（1）冬季 15 ℃；（2） 夏 季 32 ℃；（3） 夏 季 最 高 氣 溫38.7℃。通過(guò)計(jì)算在各工況下、不同高加危急疏水排入排汽裝置所形成的空冷器背壓，可形成表2中的背壓數(shù)據(jù)。

表1

表2

表 3 各工況空冷器背壓計(jì)算表

本工程采用東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的高溫高壓、單軸、單缸單排汽、雙抽凝汽式?jīng)_動(dòng)式汽輪機(jī)，其報(bào)警背壓為 50kPa，甩負(fù)荷背壓為 55kPa。由表 2可知最大汽輪機(jī)背壓的工況為：夏季最高環(huán)境溫度（32℃）及汽輪機(jī)最大排汽量工況（TRL）。在汽輪機(jī) TRL 工況下，因高壓加熱器換熱管爆裂造成高加水位上升，打開(kāi)高加危急疏水閥，將危急疏水排入排汽裝置擴(kuò)容，其形成乏汽將導(dǎo)致汽輪機(jī)背壓升高，但仍未達(dá)到汽機(jī)報(bào)警背壓。同時(shí)，在高加危急疏水排入排汽裝置，其背壓升高的同時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷將低于 TRL 的設(shè)計(jì)負(fù)荷，汽輪機(jī)進(jìn)汽量及排入空冷冷凝器的總排汽量將比 TRL 的設(shè)計(jì)工況小。因此，實(shí)際空冷冷凝器的背壓將比計(jì)算所得背壓低。因此本工程中高加危急疏水通過(guò)排汽裝置擴(kuò)容后的形成的背壓應(yīng)低于上表 TRL 計(jì)算數(shù)值。

3 結(jié)語(yǔ)

高加危急疏水在排汽裝置擴(kuò)容為飽和疏水和乏汽，乏汽進(jìn)入空冷冷凝器冷凝成凝結(jié)水的過(guò)程中，將造成汽輪機(jī)背壓的上升。其背壓需經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，并需確認(rèn)背壓低于汽機(jī)廠(chǎng)的報(bào)警背壓。

造成背壓上升的主要因素為：（1）進(jìn)入排汽裝置的總排汽量；（2）冷卻介質(zhì)的溫度；（3）空冷冷凝器的冷卻風(fēng)量。

當(dāng)高加危急疏水開(kāi)啟產(chǎn)生汽輪機(jī)背壓大于汽輪機(jī)報(bào)警背壓時(shí)，可以通過(guò)下列措施降低汽輪機(jī)背壓：（1） 可在排汽裝置或空冷器中的乏汽中噴入冷卻水，降低進(jìn)入排汽裝置的乏汽量；（2）將高加危急疏水排至定排疏水?dāng)U容器或循環(huán)水管道上；（3）增加空冷冷凝器風(fēng)量以及增加空冷冷凝器換熱面積，即選擇更大通風(fēng)量的風(fēng)機(jī)，增加有效的換熱面積；（4）如向空冷器冷卻風(fēng)側(cè)噴入冷卻水，降低空冷器冷卻風(fēng)溫。

[1]劉福軍 . 汽輪機(jī)真空高的原因分析及防范措施 [J]. 科技視界，2015:101.

[2]注冊(cè)公用設(shè)備工程師動(dòng)力專(zhuān)業(yè)資格考試教材第 3 版 [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013:107～108.

[3]楊軍，劉娜 . 鍋爐啟動(dòng)疏水?dāng)U容器及水箱設(shè)計(jì) [J]. 黑龍江：電站輔機(jī)，2010:8～10.

[4]DL/T5054-2006, 火力發(fā)電廠(chǎng)汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 [S]. 電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，2016:126.

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