雙背壓凝汽器熱井回?zé)岢醺脑?/h1>
2021-05-18 01:17:50陽歐，高揚
科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力 2021年4期 關(guān)鍵詞：凝汽器
陽 歐，高 揚
（東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000）
現(xiàn)代大型機組汽輪機通常含有兩個排汽缸，與之配套的凝汽器通常采用雙背壓設(shè)計，設(shè)置有獨立的兩個殼體。雙背壓凝汽器相對單背壓凝汽器提高了換熱端差，在同等設(shè)計條件下其所需面積更小，故采用相同面積的雙背壓凝汽器比單背壓凝汽器運行中背壓更低，提高了機組經(jīng)濟(jì)性，在電廠中廣泛運用。近年來出于對制造成本的考慮，部分機組雙背壓凝汽器的熱井未設(shè)置回?zé)幔苯訉⒌捅硥旱哪Y(jié)水匯集到高背壓側(cè)，再進(jìn)入凝結(jié)水系統(tǒng)，不僅使凝結(jié)水中溶氧量增加，還導(dǎo)致凝結(jié)水系統(tǒng)入口水溫降低，造成回?zé)嵯到y(tǒng)中的換熱器傳熱惡化，管道腐蝕，甚至引起管道穿孔或爆裂，降低了機組經(jīng)濟(jì)性與安全性。新機設(shè)計中各大廠家普遍采用 “積水板-淋水盤”的除氧方式，將低背壓側(cè)的凝結(jié)水通過積水板匯集后引入高背壓側(cè)形成水柱或水膜進(jìn)行回?zé)幔瑹峋叨纫筝^高，對于原沒有回?zé)嵩O(shè)計的凝汽器，熱井高度普遍較低，無法按照常規(guī)方式進(jìn)行回?zé)岣脑欤趿扛叩膯栴}迫切需要解決。
1 雙背壓凝汽器原理
雙背壓凝汽器通常采用獨立殼體設(shè)計，汽側(cè)空間相互獨立，冷卻水側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，由于每個殼體的進(jìn)口水溫不一致，換熱能力不一樣，自動形成不同的背壓，典型的雙背壓凝汽器布置見圖1，冷卻水從A 凝汽器進(jìn)入，在A 凝汽器內(nèi)換熱完成后水溫升高，再進(jìn)入B 凝汽器進(jìn)行換熱，最后從B 凝汽器出口排出；在入口水溫較低的凝汽器 （A 凝汽器）內(nèi)形成低背壓，在入口水溫較高的凝汽器 （B凝汽器）內(nèi)形成高背壓。雙背壓凝汽器與單背壓凝汽器在相同冷卻水量和冷卻表面的前提下，雙背壓凝汽器的平均背壓比常規(guī)背壓凝汽器的背壓相對低一些[1]。單 （雙）背壓凝汽器冷卻水溫度關(guān)系曲線見第43 頁圖2 ，雙背壓凝汽器相比單背壓凝汽器，熱負(fù)荷更加均勻，提高了循環(huán)熱效率。
圖1 雙背壓凝汽器布置示意圖
常規(guī)雙背壓機組運行中，高、低背壓凝汽器運行壓差通常大于1 kPa，夏季工況壓差可達(dá)3 kPa，高、低背壓凝汽器的熱井凝結(jié)水溫差可達(dá)5 ℃，直接將低背壓側(cè)熱井凝結(jié)水排往高背壓側(cè)進(jìn)行混合，導(dǎo)致高背壓側(cè)凝結(jié)水過冷度可達(dá)2～3 ℃，溶氧問題十分突出。
2 熱井除氧機理
圖2 單（雙）背壓凝汽器冷卻水溫度關(guān)系曲線
凝汽器熱井除氧采用熱力除氧方式，利用汽輪機排汽加熱凝結(jié)水，降低凝結(jié)水的溶氧能力，使不凝結(jié)氣體逸出，其機理基于道爾頓分壓定律、亨利定律以及傳質(zhì)方程。
2.1 道爾頓分壓定律
混合氣體的全壓等于其組成各氣體分壓力之和，熱井內(nèi)水面上混合氣體的全壓等于溶解在水中各氣體分壓之和。
式中：p 為水面上混合氣體全壓；pN2，pO2，pCO2，pH2O為水中各氣體分壓。
在一定壓力下，加熱凝結(jié)水至沸騰狀態(tài)，水面上水蒸汽的分壓力將趨于全壓，水中其他氣體的分壓將趨于零，溶解在水中的其他氣體逸出。
2.2 亨利定律
氣體在凝結(jié)水中的溶解度與該氣體在凝結(jié)水水面上的分壓力成正比，單位體積水中溶解的氣體量與水面上該氣體的分壓力成正比。
式中：B 為水中溶解的某種氣體量；Kd為某種氣體的溶解度系數(shù)，與氣體種類和溫度有關(guān)；pb為某種氣體在水面上的分壓力。
2.3 傳質(zhì)方程
氣體離析出水面需要足夠的動力，傳質(zhì)方程為
式中：G 為離析氣體量；Km為傳質(zhì)系數(shù)；A 為傳熱面積；Δp 為不平衡壓差。
由以上可知，要將凝結(jié)水中溶解的其他氣體除去，需要將凝結(jié)水加熱到凝汽器壓力下的飽和溫度，使不凝結(jié)氣體在凝結(jié)水中的分壓趨于零，在水中的溶解度趨于零，不凝結(jié)氣體逸出。不同壓力、溫度下的含氧量曲線見圖3，其中壓力為絕對壓力。
除氧初期，凝結(jié)水過冷度大，水中溶解的氣體較多，不平衡壓差較大，以小氣泡的形式克服水表面張力自水中離析出來。能除去水中80%～90%的氣體，相應(yīng)水中含氧量可降低到0.05～0.1 mg/L[2]。除氧后期，不平衡壓差較小，氣體難以克服凝結(jié)水的表面張力離析出來，需要降低凝結(jié)水的表面張力，采用水膜方式更利于不凝結(jié)氣體的逸出。
圖3 不同壓力、溫度下水中的含氧量曲線
3 雙背壓凝汽器熱井除氧
3.1 改造原則
一是熱井除氧采用汽輪機排汽進(jìn)行回?zé)幔幌钠啓C抽汽，節(jié)能降耗。二是在現(xiàn)有的凝汽器熱井結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行除氧，不對熱井進(jìn)行大幅度結(jié)構(gòu)性調(diào)整。三是根據(jù)傳質(zhì)條件，結(jié)合實際過冷度，將低背壓側(cè)的凝結(jié)水在高背壓內(nèi)形成水膜，降低凝結(jié)水的表面張力，利于不凝結(jié)氣體的逸出。
3.2 結(jié)構(gòu)改造
根據(jù)改造原則，通過連通管原理將低背壓側(cè)凝結(jié)水引入，漫過集水板邊沿后形成水膜；按照凝汽器管系排布，在管束之間的回?zé)崞魍ǖ老略O(shè)置積水盤，積水盤可根據(jù)熱井高度采用單層或多層結(jié)構(gòu)，成膜長度更長，效果更佳，圖4 為熱井除氧布置示意圖。
圖4 雙背壓凝汽器熱井除氧布置示意圖
如常規(guī)600 MW 凝汽器，熱井長度約13 m，管束區(qū)為4 組，可設(shè)置擋板2 套、積水板3 套，單層結(jié)構(gòu)形成水膜長度可達(dá)104 m，如果熱井高度足夠，設(shè)置雙層結(jié)構(gòu)，水膜長度可達(dá)300 m，水膜與乏汽的回?zé)崦娣e大，接觸時間長，除氧效果好。
為了防止凝汽器熱井在低水位，可以設(shè)置擋板，將低背壓凝汽器熱井與高背壓凝汽器熱井隔開，兩者相互獨立，這樣低背壓側(cè)熱井凝結(jié)水無法參與高背壓側(cè)熱井的水位補償；然后在高、低背壓側(cè)熱井之間設(shè)置電動閥門，根據(jù)高背壓側(cè)熱井水位進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
3.3 控制方式
一是低背壓側(cè)熱井水位由高背壓側(cè)擋板高度與高、低背壓凝汽器壓差自動平衡，低背壓側(cè)熱井無需進(jìn)行水位控制。二是高背壓側(cè)熱井正常水位盡量調(diào)低，滿足控制需求即可，可進(jìn)一步增加水膜與蒸汽的換熱時間，除氧更充分。三是高、低背壓凝汽器熱井串聯(lián)的閥門，在高背壓側(cè)熱井低水位時開啟，高水位時關(guān)閉，在水位異常時參與水量補償，提高凝汽器的抗故障能力。
4 結(jié)論
針對已投運機組實施雙背壓凝汽器熱井回?zé)岣脑旌螅行У亟档土四Y(jié)水過冷度，含氧量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定控制在2.0×10-8以內(nèi)，提高了機組安全性；改造后在除氧的同時也提高了凝結(jié)水溫度，相應(yīng)降低了末級低加的抽汽，提高了機組經(jīng)濟(jì)性。
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雙背壓凝汽器通常采用獨立殼體設(shè)計，汽側(cè)空間相互獨立，冷卻水側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，由于每個殼體的進(jìn)口水溫不一致，換熱能力不一樣，自動形成不同的背壓，典型的雙背壓凝汽器布置見圖1，冷卻水從A 凝汽器進(jìn)入，在A 凝汽器內(nèi)換熱完成后水溫升高，再進(jìn)入B 凝汽器進(jìn)行換熱，最后從B 凝汽器出口排出；在入口水溫較低的凝汽器 （A 凝汽器）內(nèi)形成低背壓，在入口水溫較高的凝汽器 （B凝汽器）內(nèi)形成高背壓。雙背壓凝汽器與單背壓凝汽器在相同冷卻水量和冷卻表面的前提下，雙背壓凝汽器的平均背壓比常規(guī)背壓凝汽器的背壓相對低一些[1]。單 （雙）背壓凝汽器冷卻水溫度關(guān)系曲線見第43 頁圖2 ，雙背壓凝汽器相比單背壓凝汽器，熱負(fù)荷更加均勻，提高了循環(huán)熱效率。
圖1 雙背壓凝汽器布置示意圖
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2 熱井除氧機理
圖2 單（雙）背壓凝汽器冷卻水溫度關(guān)系曲線
凝汽器熱井除氧采用熱力除氧方式，利用汽輪機排汽加熱凝結(jié)水，降低凝結(jié)水的溶氧能力，使不凝結(jié)氣體逸出，其機理基于道爾頓分壓定律、亨利定律以及傳質(zhì)方程。
2.1 道爾頓分壓定律
混合氣體的全壓等于其組成各氣體分壓力之和，熱井內(nèi)水面上混合氣體的全壓等于溶解在水中各氣體分壓之和。
式中：p 為水面上混合氣體全壓；pN2，pO2，pCO2，pH2O為水中各氣體分壓。
在一定壓力下，加熱凝結(jié)水至沸騰狀態(tài)，水面上水蒸汽的分壓力將趨于全壓，水中其他氣體的分壓將趨于零，溶解在水中的其他氣體逸出。
2.2 亨利定律
氣體在凝結(jié)水中的溶解度與該氣體在凝結(jié)水水面上的分壓力成正比，單位體積水中溶解的氣體量與水面上該氣體的分壓力成正比。
式中：B 為水中溶解的某種氣體量；Kd為某種氣體的溶解度系數(shù)，與氣體種類和溫度有關(guān)；pb為某種氣體在水面上的分壓力。
2.3 傳質(zhì)方程
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式中：G 為離析氣體量；Km為傳質(zhì)系數(shù)；A 為傳熱面積；Δp 為不平衡壓差。
由以上可知，要將凝結(jié)水中溶解的其他氣體除去，需要將凝結(jié)水加熱到凝汽器壓力下的飽和溫度，使不凝結(jié)氣體在凝結(jié)水中的分壓趨于零，在水中的溶解度趨于零，不凝結(jié)氣體逸出。不同壓力、溫度下的含氧量曲線見圖3，其中壓力為絕對壓力。
除氧初期，凝結(jié)水過冷度大，水中溶解的氣體較多，不平衡壓差較大，以小氣泡的形式克服水表面張力自水中離析出來。能除去水中80%～90%的氣體，相應(yīng)水中含氧量可降低到0.05～0.1 mg/L[2]。除氧后期，不平衡壓差較小，氣體難以克服凝結(jié)水的表面張力離析出來，需要降低凝結(jié)水的表面張力，采用水膜方式更利于不凝結(jié)氣體的逸出。
圖3 不同壓力、溫度下水中的含氧量曲線
3 雙背壓凝汽器熱井除氧
3.1 改造原則
一是熱井除氧采用汽輪機排汽進(jìn)行回?zé)幔幌钠啓C抽汽，節(jié)能降耗。二是在現(xiàn)有的凝汽器熱井結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行除氧，不對熱井進(jìn)行大幅度結(jié)構(gòu)性調(diào)整。三是根據(jù)傳質(zhì)條件，結(jié)合實際過冷度，將低背壓側(cè)的凝結(jié)水在高背壓內(nèi)形成水膜，降低凝結(jié)水的表面張力，利于不凝結(jié)氣體的逸出。
3.2 結(jié)構(gòu)改造
根據(jù)改造原則，通過連通管原理將低背壓側(cè)凝結(jié)水引入，漫過集水板邊沿后形成水膜；按照凝汽器管系排布，在管束之間的回?zé)崞魍ǖ老略O(shè)置積水盤，積水盤可根據(jù)熱井高度采用單層或多層結(jié)構(gòu)，成膜長度更長，效果更佳，圖4 為熱井除氧布置示意圖。
圖4 雙背壓凝汽器熱井除氧布置示意圖
如常規(guī)600 MW 凝汽器，熱井長度約13 m，管束區(qū)為4 組，可設(shè)置擋板2 套、積水板3 套，單層結(jié)構(gòu)形成水膜長度可達(dá)104 m，如果熱井高度足夠，設(shè)置雙層結(jié)構(gòu)，水膜長度可達(dá)300 m，水膜與乏汽的回?zé)崦娣e大，接觸時間長，除氧效果好。
為了防止凝汽器熱井在低水位，可以設(shè)置擋板，將低背壓凝汽器熱井與高背壓凝汽器熱井隔開，兩者相互獨立，這樣低背壓側(cè)熱井凝結(jié)水無法參與高背壓側(cè)熱井的水位補償；然后在高、低背壓側(cè)熱井之間設(shè)置電動閥門，根據(jù)高背壓側(cè)熱井水位進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
3.3 控制方式
一是低背壓側(cè)熱井水位由高背壓側(cè)擋板高度與高、低背壓凝汽器壓差自動平衡，低背壓側(cè)熱井無需進(jìn)行水位控制。二是高背壓側(cè)熱井正常水位盡量調(diào)低，滿足控制需求即可，可進(jìn)一步增加水膜與蒸汽的換熱時間，除氧更充分。三是高、低背壓凝汽器熱井串聯(lián)的閥門，在高背壓側(cè)熱井低水位時開啟，高水位時關(guān)閉，在水位異常時參與水量補償，提高凝汽器的抗故障能力。
4 結(jié)論
針對已投運機組實施雙背壓凝汽器熱井回?zé)岣脑旌螅行У亟档土四Y(jié)水過冷度，含氧量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可穩(wěn)定控制在2.0×10-8以內(nèi)，提高了機組安全性；改造后在除氧的同時也提高了凝結(jié)水溫度，相應(yīng)降低了末級低加的抽汽，提高了機組經(jīng)濟(jì)性。
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