某燃?xì)饴?lián)合循環(huán)工程汽輪機冷端優(yōu)化及分析

廣東粵電濱海灣能源有限公司 王昱彭

某發(fā)電機、1臺蒸汽輪機、1臺無補燃三壓再熱型余熱鍋爐及其相關(guān)的輔助設(shè)備。每臺汽機配置一臺表面式凝汽器，汽機采用下排汽方式。凝汽器循環(huán)水采用污水處理廠市政中水，循環(huán)水濃縮倍率為4，根據(jù)中水水質(zhì)分析估算，循環(huán)水中氯離子含量范圍為170～1230mg/L，硫酸根含量范圍為160～383mg/L。凝汽器換熱管束采用鈦管。

1 該工程凝汽器結(jié)構(gòu)特點及其對機組性能的影響

該工程凝汽器的結(jié)構(gòu)特點：凝汽器是蒸汽輪機的重要組成部分，其性能直接影響到整個機組熱經(jīng)濟性[1]。凝汽器在汽機的熱力循環(huán)中起到冷源的作用，降低汽輪機排汽背壓就可減小冷端損失、提高熱效率，從而增加蒸汽輪機出力。圖1為表面式凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖。該工程汽輪機型式為三壓再熱、抽凝式、高中壓分缸、低壓缸為向下雙排汽，低壓缸與凝汽器之間采用膨脹節(jié)連接。凝汽器型式采用表面式、單殼體、雙流程、UT 型管束，換熱管束為鈦管。

圖1 表面式凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

凝汽器對機組性能的影響：圖2為主機廠提供的本工程100%負(fù)荷性能保證純凝工況下初步凝汽器微增功率曲線，由此可見，隨著排汽背壓逐步降低汽機出力相應(yīng)升高，據(jù)初步估算，背壓每降低1kPa汽機出力增加約2200kW，但背壓降至較低值后曲線變得較為平緩。影響凝汽器背壓的主要因素有凝汽器面積、循環(huán)水流量和循環(huán)水溫度等；凝汽器面積越大、循環(huán)水流量越大或循環(huán)水溫度越低凝汽器背壓越低，反之凝汽器背壓越高。

圖2 凝汽器微增功率曲線

2 凝汽器面積優(yōu)化

為了進一步提高機組的經(jīng)濟性，該工程擬對冷端進行優(yōu)化，以期達到更低的凝汽器背壓，提高機組運行經(jīng)濟性。

增加凝汽器面積可以降低背壓，而增加凝汽器面積理論上可通過增加換熱管根數(shù)或加長換熱管長度兩種方式。若采用增加凝汽器換熱管根數(shù)來增加面積的方式，在循環(huán)水流量不變的情況下，通過每根換熱管的循環(huán)水流速會減小，相對原流速下，每根管子的換熱能力有所影響，凝汽器背壓降低有限，其次還會造成基座長度和主廠房跨度進一步增加，所以，該工程未采用該方式。若采用加長凝汽器換熱管來增加面積的方式，在凝汽器喉部擴散角度滿足設(shè)計要求的前提下，凝汽器背壓降低較為明顯。

綜上分析，經(jīng)冷端優(yōu)化和熱平衡計算，擬采用加長凝汽器換熱管來增加面積，將每臺凝汽器的換熱面積增加2000m2,機組100%負(fù)荷性能保證純凝工況下的凝汽器背壓可由7.2kPa 降至6.9kPa，機組出力可增加約900kW，另凝汽器水阻增大1.2m 導(dǎo)致循環(huán)水系統(tǒng)輔機功耗增加167kW，機組凈出力可增加733kW。但該工程為熱電聯(lián)產(chǎn)機組，根據(jù)主機廠熱平衡圖和初步凝汽器微增功率曲線，在100%負(fù)荷性能保證供熱工況下，凝汽器背壓均約為4.7kPa，增加凝汽器面積對凝汽器背壓和機組出力幾乎沒有影響。因此，凝汽器面積優(yōu)化的經(jīng)濟分析應(yīng)結(jié)合熱負(fù)荷變化進行。

為便于經(jīng)濟分析，假定本項目熱負(fù)荷逐年增加，即第一年為0、第二年為50%、第三年為100%，第三年開始機組的熱電比滿足政策要求。根據(jù)上文分析，增加凝汽器面積帶來的每臺機組出力增加值也將逐年減少，即第一年為733kW、第二年為367kW、第三年為額定供熱運行，機組出力按不變考慮。考慮到本項目機組按電網(wǎng)要求純凝調(diào)峰運行的能力，在該運行工況下，增加凝汽器面積還可以繼續(xù)提高機組出力，帶來經(jīng)濟效益。

電價按0.605元/kW?h、機組發(fā)電利用小時數(shù)按5000小時、運行維護費用收益=多發(fā)電收益-年維護費用計算，以凝汽器面積優(yōu)化前的循環(huán)水系統(tǒng)、凝汽器面積和機組出力變化為基準(zhǔn)，優(yōu)化前后主要參數(shù)對比如下：

初投資差異：循環(huán)水系統(tǒng)配置及初投資兩個方案相同，凝汽器面積差異2000m2、凝汽器初投資差異155萬元；100%負(fù)荷性能保證純凝工況運行收益差異：機組出力差異900kW，循環(huán)水泵輔機功率差異167kW，機組凈出力差異733kW，機組年多發(fā)電收益差異222萬元，每年維護費用差異4萬元；合計：初投資差異155萬元，第一年到第三年多發(fā)電收益差異分別為222/111/0萬元，每年維護費用差異4萬元，第一年到第三年運行維護費用收益分別為218/107/-4萬元，優(yōu)化后前三年運行維護費用收益總計321萬元，優(yōu)化后前三年綜合經(jīng)濟收益166萬元。

從以上技術(shù)經(jīng)濟比較可以看出：凝汽器面積優(yōu)化后，在本工程相關(guān)設(shè)計邊界條件下，當(dāng)每臺機組凝汽器面積增加2000m2時，初投資增加約155萬元，同時循環(huán)水系統(tǒng)的配置和初投資保持不變；凝汽器面積優(yōu)化后，純凝工況下每臺機組出力增加900kW，另凝汽器水阻增大1.2m 導(dǎo)致循環(huán)水泵輔機功耗增加167kW，機組凈出力增加約733kW，但100%供熱工況下機組出力幾乎不變；由于凝汽器面積優(yōu)化后，純凝工況下增加了較多的機組出力，運行經(jīng)濟性更優(yōu)，但隨著熱負(fù)荷逐年增加至滿負(fù)荷，機組出力的增加值逐年減少。單臺機組前三年綜合經(jīng)濟收益比凝汽器面積優(yōu)化前高166萬元，三年后機組如按電網(wǎng)要求調(diào)峰運行將進一步帶來經(jīng)濟收益。

3 結(jié)語

綜上所述，汽機冷端性能是直接影響機組運行經(jīng)濟性的重要因素，凝汽器面積越大、凝汽器背壓越低、機組運行經(jīng)濟性越好。通過技術(shù)經(jīng)濟比較可知，在本工程相關(guān)設(shè)計邊界條件下，當(dāng)每臺機組凝汽器面積增加2000m2時，可將100%負(fù)荷性能保證純凝工況下凝汽器背壓從7.2kPa 降至6.9kPa，機組凈出力可增加約733kW，但隨著熱負(fù)荷逐年增加至滿負(fù)荷，機組出力的增加值逐年減少。單臺機組前三年綜合經(jīng)濟收益比凝汽器面積優(yōu)化前高166萬元，三年后，機組如能按電網(wǎng)要求調(diào)峰運行，將進一步帶來經(jīng)濟收益。