空冷凝汽器調試階段的常見問題及分析

王 靜,劉玉軍,王子微

(杭州汽輪輔機有限公司空冷事業部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器調試階段的常見問題及分析

王 靜,劉玉軍,王子微

(杭州汽輪輔機有限公司空冷事業部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器的換熱效果受環境因素的影響很大,其穩定運行受環境氣溫、汽輪機背壓以及凝結水溫度的變化而限制。在空冷系統中,不僅有空冷凝汽器,還包括排汽管道、凝結水收集系統和抽真空系統,體積龐大,結構復雜,空氣泄露點多,真空維持困難。因此,在機組運行期間,特別在機組啟動調試階段,空冷凝汽器會出現壓力高、凝結水過冷嚴重等問題,在冬季時甚至會凍結。現以某空冷凝汽器系統為例,針對空冷凝汽器在調試階段出現的壓力高和凝結水過冷嚴重等問題,經分析原因后,找到了解決辦法,并提出了預防措施。

空冷;機組;凝汽器;壓力;凝結水;過冷度;汽阻;調試

0 概 述

空冷機組的運行有著顯著的節水效果,至今,已相繼發展了混凝式間接空冷、表面式間接空冷和直接空冷三種冷卻方式,而直接空冷方式更是具有獨特的優勢。目前,已成為空冷機組采用的主流方式,被廣泛應用在電力行業、石油化工等行業。

1 空冷凝汽系統

直接空冷凝汽設備被稱為空冷凝汽器(Aircooled condenser ACC),是用空氣冷卻汽輪機的排汽,通過冷凝將排汽凝結成水。冷凝后的凝結水經除氧后,再進入下一輪的熱循環。空冷系統的運行狀況,主要受汽輪機背壓(空冷器內壓力)和凝結水溫度的限制,背壓過高,將影響汽輪機的出力和效率。凝結水的溫度過低,也會影響系統運行的經濟性。因此,只有確保適當的汽輪機背壓和凝結水溫度,才能使系統穩定地運行。

在正常情況下,空冷凝汽器內的壓力和凝結水溫度是一一對應的,凝結水溫度應接近空冷凝汽器壓力所對應的飽和溫度。當凝結水溫度低于該飽和溫度時,稱為凝結水過冷,二者的差值稱為過冷度。過冷度一般在2~5℃,超過此溫度范圍,說明凝結水過冷。過冷度越大,說明系統的運行狀態越差,系統的經濟性也就越差。

空冷凝汽器的換熱性能受環境溫度的影響較大。在夏季,環境溫度高,空冷凝汽器的換熱效果差。冬季的環境氣溫低,凝結水容易過冷。在寒冷地區,還會出現凍結現象,這是空冷凝汽器運行時常常遇到的問題。然而,在初期調試階段,更容易出現汽輪機背壓過高等現象。提高風機轉速,加大送風量后,可降低背壓,但可能使凝結水的過冷情況嚴重。現分析某型空冷凝汽器在調試時發現的問題,提出了解決辦法和預防措施。

2 某型空冷機組及運行數據

2.1 空冷機組的系統布置

某機組的汽輪機型號為KS40/40凝汽式汽輪機,采用了直接空冷凝汽器,汽輪機排汽參數,如表1所示。

表1 汽輪機排汽參數

該機組位于南方地區,地處亞熱帶濕潤季風氣候,夏季氣溫較高,無需考慮冬季凍結的問題,因此,主要考慮夏季凝汽器的冷卻性能。設定的設計環境溫度為36℃,按汽輪機的最低背壓及最大流量值,計算和校核空氣凝冷器的冷卻面積。在空冷凝汽系統內,包含了凝汽器及數個子系統。

(1)空冷凝汽器

汽輪機排汽管的直徑為1 700 mm,從壓縮機廠房引至室外空冷器蒸汽分配管入口。空冷器共6個冷卻單元,采用K/D系統順逆結構形式,5個為順流單元,1個為逆流單元。按照廠區的空間布置結構,空冷器布置在管廊的上方,成1列,管束為60°呈等腰三角形結構(A型)。空冷凝汽系統的結構,如圖1所示。

圖1 空冷凝汽系統示意圖

換熱管為大口徑圓管鋼鋁復合翅片管,管排數為4,順流單元的換熱管凝結75%~80%的蒸汽,余下的不凝結汽體及空氣將通過逆流換熱管排出,避免空冷器在運行時產生局部氣死區。在每個空冷器單元的下部,配置了1臺由變頻電機驅動并配備減速裝置的軸流風機,由風機將空氣輸送到換熱管束的表面。冷卻換熱管內的汽輪機排汽,通過熱量交換,將蒸汽冷凝成凝結水。當排汽背壓偏離設計值時,系統將自動調節風機轉速,以確保證背壓在設計范圍以內。

(2)凝結水收集系統

蒸汽被凝結成水后,從匯流管進入凝結水箱。然后,通過凝結水箱出口處的凝結水泵,將凝結水送往除氧器,除氧后送入鍋爐進行下一次的熱循環。

在凝結水匯流管上,裝有測溫裝置,可隨時檢測凝結水的溫度。在凝結水箱上,也裝有溫度檢測儀表。當凝結水溫度低于設定的溫度范圍,系統將自動調節空冷器單元風機的轉速,減少冷卻空氣的輸送量,以確保系統的穩定運行。

(3)抽真空系統

抽空氣管道安裝在逆流管束的頂部,運行時,不斷抽離空冷凝汽器中的空氣和不凝結氣體,以確保系統的真空度和傳熱性能。抽真空設備為射汽抽氣器,啟動抽氣器的干空氣的設計值為408kg/h,主抽氣器的干空氣設計值為20.4kg/h。射汽抽氣器的外形,如圖2所示。

圖2 射汽抽氣器

2.2 運行數據及分析

空冷機組安裝完成后,首次進行了調試運行,并檢測了空冷凝汽器的運行狀況。調試運行時,環境氣溫為25℃,汽輪機運行工況為50%設計負荷,分別記錄了空冷器運行數據和汽輪機背壓,同時,還計算了凝結水的過冷度。調試運行時的參數,如表2所示。

表2 調試運行時的參數

2.2.1 汽輪機背壓的變化

調試時,汽輪機背壓與風機轉速的關系,如圖3所示。從圖3可知,隨著風機轉速的增加,汽輪機的背壓是下降的。當環境溫度小于空氣設計溫度時,在50%機組負荷下,汽輪機的背壓大于設計背壓。如果繼續提高風機轉速,背壓有所降低,但下降幅度很小。當風機全速開啟時,背壓只降至27 k Pa,但仍高于設計背壓,不利于系統的穩定運行。

圖3 汽輪機背壓與風機轉速的關系

2.2.2 凝結水過冷度的變化

調試時,空冷器凝結水過冷度隨風機轉速變化的關系圖,如圖4所示。從圖4可知,隨著風機轉速的增加,凝結水的過冷度越來越大。當風機全速開啟后,汽輪機背壓穩定,過冷度也將達到定值,此時,過冷度已很大,凝結水的溫度已基本接近環境溫度。

圖4 凝結水過冷度與風機轉速的關系

2.2.3 抽氣溫度的變化規律

調試時,抽氣溫度隨著風機轉速變化的關系圖,如圖5所示。從圖5可知,隨著風機轉速的增加,抽氣溫度越來越低,最終將接近環境溫度,說明當風機轉速達到65%以上時,抽氣口已經沒有蒸汽通過。

圖5 抽氣溫度與風機轉速的關系

總之,當環境溫度低于設計的環境溫度,且機組并未滿負荷運行,蒸汽量僅為設計流量的50%,而運行背壓卻遠高于設計背壓。當風機轉速增加時,對降低背壓并沒有太大的作用,反而使抽氣溫度和凝結水的過冷度急劇增加。而且,當參數達到特定值,抽氣溫度和凝結水溫度將接近環境氣溫。機組調試時存在的這些問題,若在氣溫較低的西北寒冷地區,極有可能出現設備被凍結現象。

3 原因分析及解決方案

通過數據分析,初步判斷出引發問題的主要原因。

(1)抽真空能力不足。根據抽真空設備的選型要求,對于空冷項目,在設計和確定干空氣量時,應嚴格執行HEI標準中的規定。因空冷系統的體積龐大,空氣泄漏點較多,所以,至少要求有50%以上的裕量,但干空氣量也不能盲目過大,過大的干空氣量,將使大量蒸汽未來得及冷凝就被抽出,且抽真空設備的資金投入也會很高。

(2)系統存在泄露點。空冷凝汽系統設備龐大,連接點多。運行前,一定要進行嚴格的氣密性試驗,否則,禁止投運空冷器設備。

(3)存在汽阻現象,是因為機組的負荷過低而造成的。由于蒸汽量較少,且環境溫度遠低于設計環境溫度,管束內的蒸汽分配不均勻。部分蒸汽凝結過快,局部形成了真空,蒸汽中未冷凝的少量空氣未被及時排除,在管段內形成氣泡,阻礙蒸汽的正常流通。汽阻的明顯特征就是背壓值偏高,凝結水過冷嚴重。

綜合了各方面的原因后,針對問題,采取了解決措施。

首先,檢查全部的抽真空設備,核算設備的冷卻效能,比對設計數據和實際運行數據。經過排查,發現抽真空設備的運行參數與設計值不相符,實際抽吸量達不到設計方案的要求。因此,對抽真空設備進行了整改,解決了抽真空設備的抽吸量不足的問題。

其次,對整個空冷凝汽系統再一次進行氣密性試驗,經嚴格檢查后,確保真空度在允許的范圍之內。

對機組進行再次試運行,發現背壓高、凝結水過冷等問題仍然存在。最后,通過提高汽輪機的熱負荷,加大了進入空冷器的蒸汽流量,同時,開啟備用抽真空設備,加大抽氣能力,問題才得以解決,空冷器的運行正常。

在加大熱負荷的初始階段,汽輪機的背壓仍然后會有所上升,此時,不應急于增加風機的轉速,如盲目加大風速,汽阻現象仍不能消除,需待汽流穩定,讓蒸汽充滿整個空冷器,再將中間聚集的空氣徹底排出,空冷器內重新達到平衡。這時,再慢慢地提高風機的轉速,待壓力正常,關閉備用的抽真空設備。

為了盡量避免汽阻的產生,在空冷器的開機階段,一定要嚴格按照順序,先開逆流單元風機,待背壓和凝結水溫度以及抽氣的溫度達到設定值后,再開啟其它風機。在調試階段,機組處于低負荷工況,極易產生蒸汽分配不均等現象,此時,設備的換熱能力過大,所以,應避免風機的快速啟動。此外,為了避免汽阻的產生,在初期階段,就應從結構設計上避免汽阻的產生,良好的管束布置和結構形式,可降低汽阻的影響,減小凝結水的過冷度,防止空氣在管束內的聚集,雖然會增加設備投入成本,但卻能提高機組效率。

4 結 語

空冷凝汽器真空度和凝結水溫度,是確保汽輪機及系統運行的重要參數。設計結構合理的空冷凝汽器,可提高汽輪機的效率,同時,也節省了運行成本,提高了機組的經濟效益。汽阻現象將影響凝汽器的真空度和凝結水的過冷度,影響了熱量的利用和抽真空設備的正常運行,所以,應重視和研究汽阻的產生原因和消除措施。

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Common Problems and Analysis in CommissioningPeriod of Air Cooled Condenser

WANG Jing,LIU Yu-jun,WANG Zi-wei
(Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,Zhejiang,China)

The heat transfer efficiency of air cooled condenser is greatly affected by environmental factors,and its stable operation is limited by ambient temperature,turbine back pressure and condensate temperature.In the air cooling system,there are not only air cooled condensers,but also exhaust pipes,condensate collection systems and vacuum pumping systems.They are bulky,complex structures,many air leaks and difficult to maintain the vacuum. Therefore,during the operation of the unit,especially in the start-up and commissioning period of the unit,the problem of high pressure and subcooling of the condenste will occur in the air cooled condenser,and even freeze in winter.In this paper,taking Ningbo petrochemical project as an example,in view of the serious problems of high pressure and serious subcooling of condensate in the commissioning period of the air cooled condenser,the solutions and preventive measures are obtained by finding and analyzing the causes.

air cooled;unit;condenser;pressure;condensate;subcooling;steam resistance;commission

TK264.1

A

1672-0210(2017)02-0007-04

2016-10-12

2016-12-25

王靜(1981-),女,工程師,碩士,畢業于華北電力大學,從事汽輪機配套輔機系統的設計工作。