1 000 MW火電機組末級低壓加熱器疏水系統優化

陳兵兵， 李麗君， 程祖田

(中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司， 鄭州 450007)

火電機組中，加熱器疏水系統的作用是以合理的方式疏放及回收各級加熱器的蒸汽凝結水，同時保持加熱器內水位在正常范圍內，以保證加熱器的加熱效果并防止汽輪機進水[1]。

由于最末2級加熱器抽汽壓力低，加熱器疏水處于飽和水臨界狀態，機組負荷變化會引起疏水狀態發生改變，影響低壓加熱器(簡稱低加)疏水工作特性。另外，因主廠房布置所限管道走向復雜、管道阻力大以及疏水匯合點選擇不合理等原因，易引起疏水流動不暢，甚至疏水管道內疏水汽化形成氣液兩相流，造成疏水管道振動，若振動加劇焊口裂紋易使機組真空變差，溶氧量升高，加劇系統設備的氧化腐蝕，不利于電廠安全穩定運行[2-3]。因此分析末級低加疏水不暢原因、研究疏水管道振動機理、探討有效應對措施是保證電廠安全穩定運行的重要任務。

1 末級低加疏水系統配置

1.1 系統配置

針對1 000 MW一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式的超超臨界機組，最末2級低加布置于凝汽器喉部，2級低加疏水匯合后進入外置疏水冷卻器，疏水經過疏水冷卻器加熱凝結水后進入低加疏水立管，最終流入凝汽器熱井。

低加疏水系統流程見圖1。

圖1 末級低加疏水系統流程圖

1.2 存在問題

根據最末2級低加疏水壓力和溫度特點，最末2級低加疏水匯合點高度若低于次末級低加疏水水位高度，末級低加疏水管道將無法建立水封，匯合點后疏水管道內易產生氣液兩相流，管道阻力增加，疏水會倒逼至末級低加殼側，引起疏水不暢。顯然該系統配置最末2級低加疏水匯合點對系統可靠性影響很大，且實現難度較大。根據以往工程經驗，疏水匯合點高度均應小于0.5 m，而在規劃管道布置時由于主廠房布局等原因是很難實現的。

按照疏水冷卻器的運行要求，疏水冷卻器應滿水運行，為保證疏水冷卻器殼側滿水，疏水冷卻器應低位布置，若有條件可將疏水冷卻器布置于地下室內。顯然該類型疏水配置對疏水冷卻器布置較為苛刻，不易滿足。

另外，常規低加疏水配置的一個重要缺陷是未考慮最末2級低加水側爆管泄漏工況，由于加熱器汽側為非調節級抽汽，汽側管道上無隔離閥，一旦發生水側泄漏，汽輪機存在進水的風險，系統運行的可靠性較差。

2 新型疏水系統優化方案

2.1 方案簡介

為優化末級低加疏水系統，筆者提出新型自平衡水封的末級低加疏水系統，見圖2。

p1—次末級低加汽側壓力；p2—末級低加汽側壓力；p3—凝汽器側壓力；h1—次末級低加疏水水位高度；h2—U形水封底部高度；h3—末級低加疏水水位高度；h4—次末級低加與末級低加疏水匯合點高度；h5—低加緊急疏水引出口高度；h6—疏水冷卻器出口高度；h7—低加疏水立管匯合點高度；h8—末級低加疏水出口高度；Δp1—次末級低加疏水管道阻力損失；Δp2—末級低加疏水管道阻力損失

該系統主要由2級U形水封裝置組成，末級低加汽側與凝汽器形成第1級U形水封，末級低加疏水管道內的水位高度為h3；次末級低加汽側與末級低加汽側之間形成第2級U形水封，次末級低加疏水管道內的水位高度為h1。

次末級低加采用U形水封結構，為避免最末2級低加疏水匯合處出現氣液兩相流，水封出口應接至末級低加水位以下。為保證末級低加疏水通暢，應盡量減小次末級低加疏水對末級低加的阻塞，U形水封有效高度應大于最末2級低加汽側靜壓頭之差。

另外，由于加熱器汽側無隔離閥，若最末2級低加水側爆管泄漏，低加出現高水位，汽輪機進水風險極大。為排除此風險，新型疏水系統在最末2級低加疏水管道上設置了一套公用的緊急疏水回路，緊急疏水母管上設置低加緊急疏水氣動真空快開閥和低加緊急疏水電動真空隔離閥。

2.2 理論分析

2.2.1 殼側阻力計算

為了滿足端差要求，低加內部一般設置2個傳熱段：凝結段和疏水冷卻段。其中凝結段中蒸汽凝結成水，其體積急劇縮小，其余蒸汽自動補充，屬于自然對流，故可忽略壓力損失。而在疏水冷卻段，為了提高該段的換熱效果，隔板采用折流板，疏水流動屬于強制對流，所以低加殼側的壓降損失主要在疏水冷卻段[4]。而對1 000 MW超超臨界機組，由于末級低加抽汽壓力較低，如果設置低加疏水冷卻段，疏水采用調節閥控制，會使加熱器的疏水阻力增大，且末級低加布置于凝汽器喉部，疏水冷卻段的設置不但導致低加殼體直徑的增加，而且疏水管道的布置以及系統閥門的布置較復雜。因此，對1 000 MW超超臨界機組最末2級低加均采用取消疏水冷卻段的加熱器。為保證末級低加疏水通暢，最末2級低加配置外置疏水冷卻器，疏水通過U形水封流入凝汽器，經對比，此種低加疏水配置系統布置簡單，運行經濟性好、安全可靠性高[5]。

顯然，低加殼側阻力可忽略不計，最末2級低加運行時為0 m水位，抽汽側壓力可近似等于加熱器疏水管道汽側壓力。

2.2.2 疏水管道阻力計算

按照DL/T 5054—2016 《火力發電廠汽水管道設計規范》，管道系統的壓力損失包括直管的沿程阻力損失和管道組成件的局部阻力損失。對于管道的壓力損失，須計算終端和始端的高度差引起的壓力損失。

(1) 計算雷諾數。

(1)

式中：Re為雷諾數；ω為管內介質流速，m/s；Di為管子內徑，m；μ為介質動力黏度，Pa·s；υ為介質的比體積，m3/kg。

(2) 確定阻力系數。

確定管道摩擦因數，計算管道的總阻力系數。

(2)

式中：ξt為管道總阻力系數；λ為管道摩擦因數；L為管道總展開長度，包括附件長度，m；∑ξ1為管道附件的局部阻力系數總和。

根據管壁相對粗糙度(管子等值粗糙度ε與Di的比值)通過查表，取ε=0.045 7 mm，查圖確定λ。

(3) 計算管內介質的動壓力。

(3)

式中：pd為管內介質的動壓力，Pa。

(4) 計算疏水管道的阻力損失。

Δp=ξtpd

(4)

式中：Δp為疏水管道的阻力損失，Pa。

2.2.3 疏水系統綜合分析

由于末級低加抽汽壓力低、疏水管道流動動力小、疏水處于飽和水與飽和蒸汽臨界點附近，運行參數變化對疏水流動狀態影響較大，故在疏水管道設計過程中，必須綜合考慮疏水壓力、溫度、疏水管道阻力、機組工況變化等各種因素進行精確計算。該新型末級低加疏水系統模型中忽略速度的影響，末級低加汽側與凝汽器形成第1級U形水封，可得：

(5)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度,m/s2。

次末級低加汽側與末級低加汽側之間形成第2級U形水封，可得：

(6)

為避免次末級低加與末級低加疏水匯合處出現氣液兩相流，水封出口應接至末級低加水位以下(h4≤h3)，根據實際工程經驗預留1.0 m的裕量，即最末2級低加疏水匯合點高度取值為：

h4≈h3-1.0

(7)

為保證末級低加疏水通暢，盡量減輕次末級低加疏水對末級低加的阻塞，U形水封有效高度應大于(p1-p2)/(ρg)。

采用新型疏水系統后，保證疏水冷卻器滿水運行工況的必要條件為h6≤h4，降低了對疏水冷卻器的布置要求，不設置地下室，僅將疏水冷卻器布置于主廠房0 m即可滿足要求。

為避免緊急疏水影響疏水冷卻器水位，h5應介于h4與h6之間，即h6≤h5≤h4，根據工程經驗，h5略高于h6即可，推薦高度取值為：

h5≈h6+0.5

(8)

另外，h7直接影響最末2級低加疏水管道內的疏水水位，若疏水立管匯合點選取不當，將無法保證末級低加水管道內的U形水封。根據U形水封特點，h7應保證機組全負荷工況下均能形成水封，且h7不應高于h8。為保證全負荷工況下末級低加均處于無水位工況運行，建議預留(p2-p3)/(ρg)+0.5，即

(9)

3 工程應用

為說明新型疏水系統的配置，以某1 000 MW超超臨界機組為例進行工程應用。機組為C100-28/600/620型一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓凝汽式汽輪機，設置9級回熱抽汽，最末2級低加布置于凝汽器喉部，分別為8號低加和9號低加。機組最大連續運行工況為低加疏水可能出現的最惡劣工況(水封破壞工況)，8號、9號低加汽輪機的最大出力(TMCR)工況運行參數見表1。

表1 低加TMCR工況運行參數

3.1 核心參數選取

3.1.1 疏水立管匯合點選取

疏水立管匯合點高度須結合主廠房布置以及加熱器布置高度綜合考慮，h8為8.95 m，按式(9)可知h7≈6.54 m，根據主廠房實際布置條件，h7推薦值為6.6 m。

3.1.2 疏水冷卻器布置合理性分析

為校核疏水冷卻器布置高度是否合理，該工程的疏水冷卻器安裝在主廠房0 m處，h6為2.30 m。根據式(5)和式(6)可知(管道阻力損失是有利于水位的保持的，即阻力越大，疏水管道水位越高，因此可忽略管道阻力損失的影響)：h1≈0.21 m，h3≈4.64 m。由式(7)可知h4=3.64 m，取整為3.6 m。

保證疏水冷卻器滿水運行工況的必要條件為h6低于h4即可，顯然h6=2.3 m、h4=3.6 m，滿足運行工況要求，即疏水冷卻器布置合理。

3.1.3 U形水封高度及緊急疏水點選取

為保證9號低加疏水通暢，應盡量減輕8號低加疏水對9號低加的阻塞，U形水封有效高度應大于4.43 m。為保證U形水封不被破壞，建議水封高度預留一定的裕量，該工程U形水封有效高度取5.1 m，即U形水封最低點高度為-1.5 m。

由式(8)可知：h5為2.8 m可避免緊急事故工況汽輪機進水，保證疏水冷卻器內滿水。

3.2 工作過程分析

根據以往工程運行經驗，TMCR工況為末級低加疏水系統運行的最惡劣工況，機組最低負荷運行工況為疏水流動不暢最惡劣工況(抽汽壓力最低、壓差小、流動緩慢)，該工程根據以上要求，最末2級低加汽側與凝汽器形成2級U形水封，按照上述計算結果設置可滿足機組在TMCR工況下末級低加系統疏水通暢，在機組最低負荷運行工況汽輪機防進水，保證機組安全可靠運行。

當機組運行參數發生變化時，末級低加汽側壓力發生變化，第1級疏水U形水封的水位跟隨p2的波動自動調整水位高度形成U形水封的自平衡，末級低加疏水管道內水位跟隨p2變化在h3與h7之間波動；第2級疏水U形水封水位高度跟隨第1級疏水U形水封和次末級低加汽側壓力自平衡，次末級低加疏水管道內水位在h1與h7之間波動，在此過程中最末2級低加殼側內均為0 m水位，能有效避免汽輪機進水。

當最末2級低加水側爆管泄漏進入緊急疏水工況時，低加出現高水位，為降低汽輪機進水風險，在最末2級低加疏水管道上設置的公用緊急疏水回路動作，緊急開啟低加緊急疏水氣動真空快開閥和低加緊急疏水電動真空隔離閥，對疏水系統進行緊急疏水。

4 結語

筆者針對1 000 MW超超臨界機組末級低加疏水系統設置情況，提出了一種新型自平衡水封的末級低加疏水系統，通過理論分析研究，得到以下結論：

(1) 為保證末級低加疏水系統通暢，減輕次末級低加疏水對末級低加的阻塞作用，U形水封有效高度應大于(p1-p2)/(ρg)。

(2) 該新型末級低加疏水系統能有效降低對疏水冷卻器的布置要求，疏水冷卻器布置于主廠房0 m即可保證低加疏水通暢。

(3) 為降低汽輪機進水風險，在最末2級低加疏水管道上設置公用緊急疏水回路，提高了低加事故工況下的機組安全可靠性。

(4) 疏水立管匯合點高度應保證機組全負荷工況下均能形成水封，為保證所有工況下末級低加均處于0 m水位工況運行，其匯合點高度建議比末級低加疏水出口處高度低(p2-p3)/(ρg)+0.5。