汽輪機凝汽器端差運行診斷分析

徐世明

(大唐湘潭發電有限責任公司,湖南湘潭 411100)

凝汽設備是凝汽式汽輪機裝置的一個重要組成部分,凝汽器真空是汽輪機運行中的重要參數,其數值大小對汽輪機的運行經濟性、安全性及調節性能都有很大的影響〔1〕。由現場實際可知影響凝汽器的 3個溫度中,重要的是凝汽器端差的大小,所以在某種程度上,汽輪機凝汽器端差大小是凝汽器是否正常運行的綜合體現。例如,某機組計算結果:端差每增加 1℃,熱耗增加 0.26%～0.6%〔2〕。

1 凝汽器理論端差的定義及應達值

1.1 凝汽器理論端差

理論端差的物理意義:假設實際運行工況的凝汽器臟污程度和空氣漏入量對傳熱的影響程度與基準工況相同時,實際運行工況在實際的循環水量Dw、進水溫度 tw1下,理論上可達到的端差〔2〕。結合實際情況,即 3號機檢修后首次開機為基準工況,此時凝汽器的清潔率是最好的,即認為理想情況,應滿足清潔率要求;另外,凝汽器真空抽氣系統改造后可消除 2個汽室相互干擾導致抽氣不均、影響傳熱性能的狀況,所以可認為此時的空氣影響系數是理想值 (參見表 1)。

由能量平衡公式可知,循環冷卻水通過凝汽器管束吸收的熱量等于排汽傳遞給冷卻水的熱量:

式中 k為總體傳熱系數 (當蒸汽負荷大于 40 kg/m2· h時應考慮蒸汽負荷率的修正〔3〕);k0為基本傳熱系數;C為取決于冷卻水管外徑的計算系數;υw為冷卻水管流速;ξc為清潔系數;βt為冷卻水入口水溫修正系數;βm為冷卻水管材和壁厚修正系數。

由式 (1),(2)得同一負荷下基準工況為

現場實際運行工況為

式中 υw為冷卻管內流速 (m/s);Δt為冷卻水溫升;?t凝汽器端差 (℃);Ac為凝汽器傳熱面積(m2);Ad為凝汽器水側通流面積 (m2);υw為冷卻管內流速 (m/s);Δt′為變工況后冷卻水溫升(℃);?t′為變工況后凝汽器端差 (℃);A′c為凝汽器變工況后的傳熱面積 (m2);A′d為凝汽器變工況后水側通流面積 (m2);D′c為凝汽器變工況后的排汽量 (kg/s)。

在同一負荷 2種工況下 Dc=D′c,C′=C(只與冷卻管外徑有關 ),A′d=Ad, β′m=βm(與管材、壁厚有關),A′c=Ac(通過運行凝汽器水位控制可以實現),由式 (3)～(6)聯立得

并假定理想情況 ξ′=ξ,得出理論端差

3號機組檢修后首次投運凝汽器高、低壓的原始數據見表 1。

表 1 原始數據基準表

1.2 應達值分析

1.2.1 應用此公式可避開一些麻煩的測量與繁瑣的計算,現場應用性強。例如,循環水量在工程上一直都沒有很好的測量方法。

1.2.2 此公式應用的一個重要的條件是在負荷一定的情況下進行比較,以消除負荷對端差的影響,即保證 D′c=Dc,其中凝結水流量是一個很重要的參考數據。

1.2.3 確定不為運行人員所感覺的變化以便收到較好的經濟效果,例如由 0.83變到 0.73,?t就會升高 0.66℃,不在極限真空范圍內背壓大概升高0.2 kPa左右,影響的經濟性由公式 Δb=?ηb0=b得到,對某機組粗略計算每小時大概多0耗 0.3 t標煤。

1.2.4 排除真空低時盲目查找原因的情況。例如,理論端差合格,南方水溫因氣候原因可達 30℃以上,且溫升不大,此時若為提高真空而多啟真空泵,則只能是浪費廠用電。另外由于溫度對溫度系數影響很大,一般情況下低壓凝汽器比高壓凝汽器端差高是正常現象,同時,環境溫度降低,冷卻水溫下降會有端差增大的趨勢。建議實際端差比理論端差大0.5℃時,在排除容易確定的因素后則需進一步深入查找原因:(1)查看近期水質、膠球投入與回收率情況等,即找 ξc的原因;(2)查找漏氣與抽氣情況等〔4〕方面的原因。例如,某次做真空嚴密性試驗,試驗前經計算得理論端差:低壓凝汽器 (L)5.028℃,高壓凝汽器 (H)4.25℃,現場實測 L:4.96℃,H:4.67℃,與理論值相差小于 0.5℃,則允許;停真空泵 4min后 L端差變為 6.37℃,H變為 7.565℃,所以 L比理論值大1.342℃,H比理論值大 3.315℃,差值大于 0.5℃,則不允許。這是因真空泵停 ,Φa下降導致。

2 用凝汽器清潔率監測方法〔5〕診斷端差增大原因

2.1 計算方法

以 3號機剛檢修后為基準工況,因為此時凝汽器的清潔率可以認為是最好的,令清潔率 Φ=1,計算理想清潔狀態下凝汽器總體傳熱系數:

在理想清潔系數基礎上考慮空氣、清潔程度、管束修正為

式中 Cf為新的清潔系數,單獨不受其他耦合影響的與基準相比較的清潔度;Ca為空氣量修正系數;Cs為凝汽器管束布置系數;又有 kp=(CpDw/Ac)ln〔 (Δt+?t)/?t〕 (Dw為冷卻水同流量,Ac為凝汽器傳熱面積,Δt,?t為實際運行中所監測到的溫升和端差)可計算出實際運行中的 kp。

2.2 分 析

當真空系統嚴密性合格且冷卻水側足夠清潔,3號機剛剛檢修為基準工況認為可以滿足上述工況,應有 Ca=Cf=1,Cs=kp/k0,計算出 Cs的重要意義就是為機組以后再涉及的計算提供原始數據和評價汽輪發電機組凝汽器內管束布置的合理性,并確認真空系統正常即真空嚴密性正常或水環式真空泵抽氣能力正常 (Ca=1)時,當日后出現清潔率下降情況時 Cf=kp/(k′0CsCa);當已知 Cf或已計算出近期的 Cf,應用原始的 Cs,可計算出 Ca=k/(k′C C)〔5〕。p0sf

3 案例分析

機組經過檢修運行幾個月后,取某一工況進行評估,采集數據如表 2。

表 2 機組檢修運行后的某一工況數據

由表 2數據計算出實際運行工況,低壓凝汽器?t=5.75℃,高壓凝汽器 ?t=3.65℃。應用式 (8)計算出此工況下的理論端差,低壓凝汽器 ?t′=3.712℃,高壓凝汽器 ?t′=2.763℃。由上述比較可明顯看出運行端差比理論端差 (0.5℃)大,則不允許。分析時,首先應排除影響端差的易判斷因素;其次通過真空嚴密性試驗,結果良好,且真空泵電流和過冷度與以往此工況相比無大變化,可以排除 Ca影響;最后通過計算凝汽器新的清潔系數Cf,發現高壓凝汽器 Cf由 1降到 0.73,高壓凝汽器 Cf由 1降到 0.85。初步分析在很高的環境溫度下,開式循環的凝汽器幾個月的運行后污染程度還是很大,另外此期間膠球系統投入率也不高,有一段時間乙流程因故停止運行。

4 結 論

4.1 以機組首次投產或剛檢修后運行工況為理想工況,建立原始數據庫,準確地利用理論端差公式,為以后對凝汽器運行狀況作出正確評估,方便快捷,并為凝汽器端差在線診斷提供理論依據。

4.2 當理論端差過大時,應用文中提出的清潔率監測方法,從而做到思路清晰,考慮因素全面,縮短診斷時間,現場實際中起到事半功倍的效果。

〔1〕李勇,董玉亮,曹祖慶.考慮節水因素的凝汽器最佳真空的確定方法 〔J〕.動力工程,2001,21(4):1338-1341.

〔2〕李青,高山,等.火力發電廠節能技術及其應用 〔M〕.中國電力出版社,2007.

〔3〕楊善讓.汽輪機凝汽設備及運行管理 〔M〕.北京:水利電力出版社,1993.

〔4〕周蘭欣,付文鋒,等.抽氣器出力不足對凝汽器真空的影響〔J〕.汽輪機技術,2008,50(1):46-48.

〔5〕李勇,陳梅 .汽輪機運行性能診斷技術及其應用 〔M〕.科學出版社,1999.