百萬千瓦等級機(jī)組三背壓凝汽器新型布置方案研究

余 滔

(上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200093)

0 前 言

隨著火力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增加，百萬千瓦等級機(jī)組為了提高循環(huán)熱效率，可以進(jìn)一步降低阻塞背壓。降低阻塞背壓有兩種方法[1]，一是提高末級葉片的高度，但由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高，末級葉片高度很難進(jìn)一步提高；二是增加低壓缸的數(shù)量以增加凝汽器排汽面積，由傳統(tǒng)的二個低壓缸增加到三個低壓缸，即百萬千瓦等級機(jī)組需要設(shè)計出配套的三殼體凝汽器。

1 幾種傳統(tǒng)布置的三殼體凝汽器

1.1 布置方式

三殼體凝汽器，通過水側(cè)聯(lián)通管道(以下簡稱聯(lián)通管道)和循環(huán)水進(jìn)出接口的布置，以及汽側(cè)聯(lián)通與否，可以形成單背壓、雙背壓和三背壓布置方式。圖1、圖2和圖3為三種傳統(tǒng)布置方式的流程示意圖[2]。

圖1 單背壓流程示意圖

圖2 雙背壓流程示意圖

圖3 三背壓(傳統(tǒng))流程示意圖

圖1布置的凝汽器，三個凝汽器的汽側(cè)均聯(lián)通，每個凝汽器循環(huán)水均從前水室一側(cè)流入，在后水室返回，再由另一側(cè)前水室流出，形成雙流程單背壓凝汽器。

圖2布置的凝汽器，1#和2#凝汽器的汽側(cè)聯(lián)通，3#凝汽器的汽側(cè)獨(dú)立。1#和2#凝汽器循環(huán)水均從前水室兩側(cè)流入，在后水室匯集為一根接管流出至3#凝汽器，3#凝汽器循環(huán)水由后水室兩側(cè)流入，從前水室兩側(cè)流出。根據(jù)循環(huán)冷卻水平均溫度的高低，1#和2#凝汽器的背壓相同，為低背壓側(cè)，3#凝汽器為高背壓側(cè)，形成單流程雙背壓凝汽器。

圖3布置的凝汽器，1#、2#和3#凝汽器汽側(cè)均不聯(lián)通，循環(huán)冷卻水依次流過1#、2#、3#凝汽器。根據(jù)循環(huán)冷卻水平均溫度的高低，1#凝汽器為低背壓側(cè)，2#凝汽器為中背壓側(cè)，3#凝汽器為高背壓側(cè)，形成單流程三背壓(傳統(tǒng))凝汽器。

1.2 熱力性能對比

根據(jù)凝汽器設(shè)計原理，相比單背壓，多背壓凝汽器可以提高機(jī)組循環(huán)熱效率，獲得的收益主要來自兩個方面：一是多背壓凝汽器的平均背壓低于單背壓凝汽器，背壓越低，低壓缸排汽膨脹更充分，做功更多；二是通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，讓凝結(jié)水由低背壓側(cè)流入高背壓側(cè)充分回?zé)幔Y(jié)水溫度更高，末級低壓加熱器用于加熱凝結(jié)水的抽汽需求量減少，更多的蒸汽可以參與做功[3]。

某項目凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度為18 ℃，汽輪機(jī)采用三個低壓缸排汽口方案，對應(yīng)配置一臺三殼體凝汽器，凝汽器總計算面積為60 930 m2，根據(jù)上述三種傳統(tǒng)布置方式分別計算出背壓見表1。

表1 三種傳統(tǒng)布置方式的背壓對比表(單位：kPa)

可以看出多背壓布置下的凝汽器的平均背壓更低，相比單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器低0.091 kPa，三背壓(傳統(tǒng))凝汽器低0.21 kPa。三背壓(傳統(tǒng))布置下的凝汽器背壓更低，機(jī)組效率提升會更多。

1.3 布置時存在的問題

雙背壓凝汽器雖有一定的背壓收益，但在工程應(yīng)用布置時會存在以下問題：

3#凝汽器單獨(dú)為高背壓側(cè)，換熱面積比1#、2#凝汽器更大，殼體更大，底部負(fù)挖更多，需要向外側(cè)延伸，此處汽機(jī)平臺的土建立柱以及0米層的負(fù)挖量需要去適應(yīng)3#凝汽器的布置，土建成本會有所增加。

1#、2#凝汽器循環(huán)冷卻水匯集后進(jìn)入3#凝汽器，后水室側(cè)的循環(huán)水聯(lián)通管連接復(fù)雜，且3#殼體半側(cè)的聯(lián)通管道內(nèi)徑需要大于3 000 mm，要占用更多的布置空間。

三背壓(傳統(tǒng))凝汽器雖有較好的背壓收益，但在工程應(yīng)用布置時(俯視方案圖見圖4)會存在以下問題：

前后側(cè)各有兩組聯(lián)通管道，聯(lián)通管道的內(nèi)徑為2 600 mm，彎頭占用大量布置空間，增加了廠房投資。

三個凝汽器通過聯(lián)通管道串聯(lián)，循環(huán)水流程明顯增長，水阻大大增加，增加了循環(huán)水泵能源消耗。

進(jìn)出口水管不在同一側(cè)，廠區(qū)外聯(lián)通管道接入汽機(jī)房布置困難，會增加負(fù)挖布置管道的土建成本。

圖4 三背壓(傳統(tǒng))凝汽器布置俯視圖

2 一種新型布置的三殼體三背壓凝汽器

2.1 布置方式

上述傳統(tǒng)布置方式的多背壓方案在三殼體凝汽器工程應(yīng)用上均存在一些布置問題，不能滿足部分用戶的需求。因此研究設(shè)計了一種新型三背壓布置方式，通過調(diào)整進(jìn)出口水管及聯(lián)通管道的布置，既能實(shí)現(xiàn)三殼體凝汽器的三背壓運(yùn)行，又能克服上述傳統(tǒng)多背壓布置的缺點(diǎn)。

新型三背壓凝汽器為單流程，每個凝汽器殼體內(nèi)設(shè)置2組管束A和B。循環(huán)冷卻水接口：1#凝汽器有兩個進(jìn)口，2#凝汽器有一個進(jìn)口、一個出口，3#凝汽器有兩個出口。循環(huán)冷卻水流程(見圖5)：從凝汽器1A流經(jīng)凝汽器3B后流出，從凝汽器1B流經(jīng)凝汽器2A后流出，從凝汽器2B流經(jīng)凝汽器3A后流出(布置俯視圖見圖6)。

圖5 新型三背壓流程示意圖

圖6 新型三背壓凝汽器布置俯視圖

新型三背壓凝汽器相比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器在布置方式上具有以下優(yōu)點(diǎn)：

循環(huán)水聯(lián)通管布置在同一側(cè)，充分利用上下空間布置后水室聯(lián)通管，廠房占地相比減少近100 m2，節(jié)約出大量的空間可以布置其他設(shè)備；

循環(huán)水三進(jìn)三出，循環(huán)水的流程縮短，水阻相比降低約1/3；

循環(huán)水進(jìn)出口水管在同一側(cè)，可方便布置進(jìn)出汽機(jī)房的循環(huán)水管道。

2.2 熱力計算

按照上述某項目凝汽器的熱力邊界條件，對新型三背壓凝汽器方案的熱力計算進(jìn)行研究。

1#凝汽器內(nèi)左右兩組管束循環(huán)冷卻水的冷卻水流量均相同、進(jìn)口水溫均為18 ℃，因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力相同，熱負(fù)荷相同，1#凝汽器可以整體按照單背壓凝汽器來計算，得出冷卻水出口水溫、換熱面積和凝汽器背壓。

2#凝汽器內(nèi)左右兩組管束循環(huán)冷卻水的冷卻水流量均相同、進(jìn)口水溫不同，因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同，熱負(fù)荷不同，2B管束的進(jìn)口水溫為18℃，2A管束的進(jìn)口水溫為1B管束的出口水溫，兩組管束需要拆開來進(jìn)行計算，通過熱負(fù)荷的分配調(diào)整，使得兩組管束的計算換熱面積一致，同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

3#凝汽器與2#凝汽器情況相似，左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同，熱負(fù)荷不同，3A管束的進(jìn)口水溫為2B管束的出口水溫，3B管束的進(jìn)口水溫為1A管束的出口水溫，兩組管束需要拆開來進(jìn)行計算，通過熱負(fù)荷的分配調(diào)整，使得兩組管束的計算換熱面積一致，同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

通過調(diào)整凝汽器背壓、熱負(fù)荷分配，進(jìn)行迭代計算，最終使三個凝汽器的計算面積相同，此時三個凝汽器對應(yīng)三個不同的背壓，匯總的數(shù)據(jù)見表2。

表2 新型三背壓凝汽器熱力計算數(shù)據(jù)匯總表

2.3 熱力性能對比

根據(jù)背壓對應(yīng)的蒸汽飽和溫度，計算出三個凝汽器的平均蒸汽飽和溫度，查焓熵表得到對應(yīng)的平均背壓。新型三背壓凝汽器和表1中單背壓及三背壓(傳統(tǒng))凝汽器三種方案的背壓對比見表3。

表3 三種方案的背壓對比表(單位：kPa)

通過對平均背壓的比較，三背壓(傳統(tǒng))凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.21 kPa，新型三背壓凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.122 kPa。

雖然新型三背壓凝汽器的背壓下降數(shù)值小于三背壓(傳統(tǒng))凝汽器，即增加的背壓收益相比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器減少，但從凝汽器水阻、循環(huán)水管道進(jìn)出方位、廠房內(nèi)布置占用空間、土建負(fù)挖工作量等整體上考慮，上述某項目采用新型三背壓凝汽器比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器更具有工程應(yīng)用價值。

2.4 后水室及聯(lián)通管道設(shè)計關(guān)鍵點(diǎn)

后水室聯(lián)通管道常見于600 MW、1 000 MW及以上等級機(jī)組多殼體凝汽器，通過聯(lián)通不同凝汽器的后水室，聯(lián)通循環(huán)水側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)多殼體凝汽器多背壓運(yùn)行。

新型三背壓凝汽器的后水室聯(lián)通管道主要為凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A、凝汽器1A與3B的后水室聯(lián)通。

凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A的后水室聯(lián)通類型一致，由于兩殼體中心間距約4.5 m，如直接采用兩個90°彎頭連接，單個內(nèi)徑為2 600 mm的90°彎頭中心至端面距離大于2.6 m，兩個彎頭中間還需設(shè)置膨脹節(jié)，布置距離不夠，因此無法直接采用彎頭連接，為了節(jié)約布置空間，將后水室接管截面由圓形改為腰圓設(shè)計，朝一側(cè)水平斜15°接出，再通過幾段接管的角度變化實(shí)現(xiàn)流向90°的轉(zhuǎn)變，后水室聯(lián)通管道俯視圖見圖7。后水室接管厚度及聯(lián)通管道的加強(qiáng)措施可通過有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

圖7 新型三背壓凝汽器后水室聯(lián)通管道俯視圖

凝汽器1A與3B的后水室聯(lián)通，由于聯(lián)通的距離較遠(yuǎn)，空間足夠，可以通過圓形的長聯(lián)通管路連接，如圖8所示。

圖8 新型三背壓凝汽器后水室聯(lián)通管道正視圖

支座選擇標(biāo)準(zhǔn)鞍式支座，由于管道的長度約為20 m，充滿循環(huán)冷卻水后，載荷重量較大，最終選擇6個支座，支座采用地腳螺栓錨固，支座底板上的螺栓孔需考慮水平兩個方向的膨脹位移量。

凝汽器運(yùn)行時會以死點(diǎn)為基準(zhǔn)，隨著導(dǎo)向支座朝特定的方向膨脹，新型三背壓凝汽器汽側(cè)互不聯(lián)通，采用聯(lián)通管道連接兩個凝汽器，考慮熱位移，需要在聯(lián)通管道的中間設(shè)計膨脹節(jié)。膨脹節(jié)需根據(jù)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)選擇材質(zhì)，一般氯離子含量較低的淡水采用不銹鋼膨脹節(jié)，濃鹽水或海水采用橡膠膨脹節(jié)。兩個凝汽器運(yùn)行時沿管道徑向的熱位移基本相當(dāng)，此膨脹節(jié)主要吸收兩個凝汽器沿管道軸向的熱位移差，據(jù)此來設(shè)計合適的膨脹節(jié)。

3 結(jié) 論

百萬千瓦等級機(jī)組新型三殼體三背壓凝汽器，通過調(diào)整循環(huán)水管道進(jìn)出口的布置，以及后水室及聯(lián)通管道的設(shè)計，在不增加土建負(fù)挖工作量、不增加聯(lián)通管道布置面積和難度、不影響汽輪機(jī)廠房基礎(chǔ)設(shè)計的情況下，即可實(shí)現(xiàn)凝汽器的三背壓運(yùn)行。相比單背壓，一定程度的降低了凝汽器平均背壓，機(jī)組獲得了一定的收益，具有工程應(yīng)用價值。