百萬千瓦火電新型凝汽器研發(fā)

1 緒論

凝汽器作為汽輪機組必不可少的重要輔機，其性能的優(yōu)劣將直接影響到電廠的經(jīng)濟性、可靠性和安全性。隨著國內(nèi)火電機組的大型化，對凝汽器的設(shè)計技術(shù)也提出了更高的要求。

上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠原采用的百萬千瓦等級火電機組凝汽器技術(shù)來源于西門子公司，但是在使用時會受到知識產(chǎn)權(quán)的約束，特別是出口項目，會使我公司的凝汽器產(chǎn)品在對外市場競爭中處于不利的地位。

為了做強做精核心產(chǎn)品、提升設(shè)計技術(shù)水平、降本增效，自行研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的百萬等級火電機組新型凝汽器成為迫切需要。

2 凝汽器的功能

從傳熱學觀點上來看，凝汽器是一種熱交換設(shè)備，它采用水或空氣作為冷卻介質(zhì)，將汽輪機排汽凝結(jié)成水并帶走蒸汽凝結(jié)時放出的熱量。從熱力學觀點上來看，凝汽器在蒸汽動力裝置的熱力循環(huán)過程中起著冷源的作用。凝汽器的基本任務(wù)有兩點：

（1）在汽輪機的排汽部分建立較低背壓環(huán)境，使蒸汽能夠最大限度地做功，以提高汽輪機的效率。

（2）將凝汽器凝結(jié)所產(chǎn)生高品質(zhì)的凝結(jié)水提供給鍋爐，形成水系統(tǒng)的封閉循環(huán)，提高水的利用效率。

對于大型凝汽器，除了凝結(jié)主汽輪機的排汽以外，還要凝結(jié)給水泵驅(qū)動汽輪機的排汽和汽輪機的旁路排汽，并對進入凝汽器的各種疏水和補水進行減溫減壓或加熱除氧。為提高整個裝置的效率，對凝汽器提出了更高的要求：

（1）凝汽器應(yīng)具有較高的傳熱系數(shù)。當凝汽器的傳熱系數(shù)較高時，其傳熱效果也就越好，這樣就能夠產(chǎn)生較低的運行背壓，提高汽輪機裝置的熱效率。

當汽輪機進汽溫度保持不變的條件下，通過提高凝汽器的傳熱系數(shù)使得汽輪機背壓降低1kPa，則汽輪機的效率提高1%～2%，這對于大型電站系統(tǒng)來說是一個相當可觀的數(shù)值。

（2）凝汽器對凝結(jié)水應(yīng)具有良好的回熱作用。良好的回熱性能可以使凝結(jié)水出口溫度tc盡可能不低于凝汽器壓力Pc對應(yīng)的飽和溫度ts，以減少汽輪機回熱抽汽，降低熱耗。定義δtc= ts-tc為凝結(jié)水過冷度，則過冷度越低，熱耗也越低。

在朗肯循環(huán)中，凝結(jié)水過冷度每增加1℃，大約要增加0.5%的熱耗。另外，由于凝結(jié)水的過冷，其中的含氧量也會加大。對于大型凝汽器，凝結(jié)水過冷度一般不超過1°C。

（3）蒸汽在凝汽器冷卻管之間的流動阻力(汽阻)要小，以降低汽輪機排汽口的壓力和減小凝結(jié)水過冷度。

（4）冷卻水在凝汽器中的流動阻力要小，以降低循環(huán)水泵的耗功。

（5）凝汽器應(yīng)具有良好的除氧能力，以防止凝結(jié)水管道和設(shè)備腐蝕。

（6）凝汽器應(yīng)具有較大的穩(wěn)定工作范圍，以適應(yīng)汽輪機的變工況要求。

（7）提高真空系統(tǒng)的氣密性，減少空氣漏入量，保證凝汽器的傳熱性能。

（8）凝汽器的總體結(jié)構(gòu)和布置方式應(yīng)便于制造、安裝和維修。

3 凝汽器主要技術(shù)參數(shù)

江蘇某1000MW超超臨界火電機組凝汽器主要技術(shù)數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

5 清潔系數(shù) 0.85 6 凝結(jié)水過冷度 ℃ ≤ 0.5 7 凝汽器設(shè)計端差 ℃ 6.033/5.712 8 水室設(shè)計壓力 MPa 0.6 9 管子總水阻 kPa ≤ 69.5 11 凝汽器凈重 kg 1200000 12 凝汽器運行重量 kg 2650000

4 、百萬火電新型凝汽器研發(fā)

百萬火電凝汽器見圖1。

圖1 凝汽器外形

該百萬千瓦機組凝汽器型式為雙背壓、雙殼體、表面型、殼體和水室為全焊接結(jié)構(gòu)。凝汽器主要由殼體、接頸、水室等部件組成。循環(huán)水流程見圖2，循環(huán)水先流入第一個殼體(低背壓凝汽器)，然后經(jīng)第二個殼體流出（高背壓凝汽器）。

圖2 循環(huán)水流程

4.1 新型管束

凝汽器管束是凝汽器的重要組成部分，是核心的換熱部件。合理的管束布置一般應(yīng)遵循以下原則：

（1）在管束之間和管束與殼體壁之間應(yīng)設(shè)置一定寬度的蒸汽通道，使蒸汽自由地流向管束的各個部分而使熱負荷均勻；

（2）管束外圍幾排管子應(yīng)適當排列，以便有足夠的通流面積，必要時布置汽流小通道，使進入管束的蒸汽速度不超過50m/s；

（3）蒸汽-空氣混合物向抽氣口流動時，其路徑要短而直，以降低汽阻；

（4）為了更有效地冷卻被抽出的空氣和殘余的未凝結(jié)蒸汽，以減小抽氣設(shè)備的負荷，必須劃分出部分冷卻管作為獨立的空氣冷卻區(qū)。為了提高空氣冷卻區(qū)的傳熱效果，汽-氣混合物應(yīng)有較高的流速，但不宜超過50m/s；

（5）為了減少凝結(jié)水的過冷度和含氧量，空氣冷卻區(qū)的布置應(yīng)盡量使主凝結(jié)區(qū)落下的凝結(jié)水不與空氣含量高的汽-氣混合物相接觸，并有適量的蒸汽流向管束下部回熱凝結(jié)水；

（6）在主凝結(jié)區(qū)內(nèi)盡量不設(shè)擋板，以避免汽流的紊亂；如設(shè)置擋板，應(yīng)考慮汽流規(guī)律，擋板要少而精。

出于對百萬千瓦火電機組汽機房整體布局考慮，凝汽器總體外形設(shè)計方案已經(jīng)定型，采用新的管束型式，外圍邊界條件不可以進行調(diào)整。相應(yīng)布置管束的殼側(cè)汽空間尺寸保持不變，只能在現(xiàn)有的空間里布置新的管束。

此次管束的研發(fā)根據(jù)典型百萬千瓦等級凝汽器的邊界條件進行的。在分析各流派管束優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，確定新型管束的布置型式。通過計算機軟件的模擬仿真，對凝汽器殼側(cè)分析截面上的流場情況做出定性和定量的分析，包括速度場、壓力場、空氣濃度、換熱系數(shù)等進行全面監(jiān)測，計算結(jié)果以彩色矢量圖和云圖的方式直觀地表達出來。在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，判斷管束內(nèi)部空氣是否出現(xiàn)淤積，通過改變空冷區(qū)的位置，或開蒸汽通道將空氣導入空冷區(qū)等方法改變網(wǎng)格單元，監(jiān)測對整個管束的傳熱系數(shù)的影響，再重新進行分析，直到得到理想的仿真結(jié)果為止。

4.2 殼體模塊

凝汽器殼體長期處在真空下工作，為了保證穩(wěn)定性和剛度，殼體必須進行足夠的加強。凝汽器殼體采用支撐管加強，隔板通過支撐管與殼體連接，沿冷卻管長度方向采用許多鋼管和圓鋼焊接在前后水室腔體上，加上管束和空冷區(qū)包殼等部件，使殼體組成一個整體鋼性結(jié)構(gòu)。此外，該結(jié)構(gòu)的強度和剛性還能夠保證凝汽器的對半模塊式運輸。

殼體模塊的研發(fā)通過運用Ansys有限元分析方法對采用新管束布置的殼體模塊進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布的分析。主要分析新管束布置的殼體模塊(四管束)在自重載荷作用下的應(yīng)力、變形分布。

殼體模塊體分析采用有限元計算軟件Ansys進行，軟件版本為10.0。由凝汽器結(jié)構(gòu)可知凝汽器殼側(cè)主要有殼體、管板、管束和隔板等組件。考慮到該結(jié)構(gòu)形式左右對稱且僅受自重載荷，實際分析中處于提高計算效率考慮，取結(jié)構(gòu)的一半作為計算模型。新管束布置的殼側(cè)有限元模型見圖3。

圖3 有限元殼體模型

結(jié)構(gòu)殼體、底板、管板和隔板屬于薄板結(jié)構(gòu)，用shell63彈性殼單元劃分網(wǎng)格。凝汽器換熱管數(shù)多達上萬根，整個管束的軸向剛度較大所以用MPC184剛性梁單元模擬管束。整個結(jié)構(gòu)共劃分64889個單元、66884個節(jié)點。

圖4 殼體網(wǎng)格

整個計算結(jié)構(gòu)受自重載荷作用，管束總重53.5×4t ，結(jié)構(gòu)對稱邊界施加對稱位移約束、底板兩邊施加軸向位移約束。新管束布置的殼體模塊（四管束）計算結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 殼體豎向位移

圖6 殼體應(yīng)力

圖7 殼體底板豎向位移

圖8 殼體底板應(yīng)力

根據(jù)以上新管束殼體模塊布管方案在自重載荷下的分析計算可見：新方案經(jīng)布管結(jié)構(gòu)調(diào)整殼體中心豎向位移較小，底板最大應(yīng)力較低。通過分析證明新管束殼體在結(jié)構(gòu)受力平均分配上更合理，有一定的優(yōu)化改進。

4.3 管、隔板排列形式優(yōu)化

凝汽器殼體的一個重要組成部分是凝汽器的冷卻管。循環(huán)水在冷卻管中流動，與蒸汽進行熱交換，從而帶走蒸汽的熱量，使蒸汽凝結(jié)成水。如果凝結(jié)水不能及時從管子上流下，則很容易在冷卻管上形成水膜，導致?lián)Q熱熱阻增大，降低換熱效率。為了防止冷卻管上水膜集聚，將冷卻管按一定角度傾斜布置。管、隔板在垂直方向逐塊抬高，安裝時冷卻管與管、隔板成一定的傾角，見圖9。這種布置方式更有利于管、隔板在車間部件的加工以及殼體在現(xiàn)場的安裝。

圖9 管隔板排列形式

4.4 接頸模塊（圖10）

百萬千瓦火電機組凝汽器的喉部高度約為5m左右，在凝汽器接頸上需布置內(nèi)置式低壓加熱器、給水泵汽輪機排汽接口、低壓加熱器用抽汽管道、低壓旁路排汽接收用減溫減壓裝置，這些部件增加了接頸結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。

圖10 十字交叉型接頸立體

考慮到凝汽器運行狀況，經(jīng)分析接頸采用十字交叉的布置型式，鋼管垂直支撐加強，并通過連接板來實現(xiàn)支撐管之間的連接和支撐管與側(cè)板的連接。此種支撐型式不僅有利于力的傳遞，還便于安裝以及管道布置。

同時采用有限元方法計算凝汽器接頸及支撐桿系在外壓及低壓缸載荷作用下的應(yīng)力分布，進行穩(wěn)定性評定，保證結(jié)構(gòu)安全。凝汽器接頸側(cè)板為薄壁結(jié)構(gòu)，在外壓和低壓缸重力作用下，主要失效模式表現(xiàn)為屈曲失穩(wěn)破壞。接頸中分布的支撐桿系作用為加強接頸剛性，提高抗失穩(wěn)能力。分析目的定為獲得支撐桿系在載荷綜合作用下的軸力，再進行穩(wěn)定性校核。計算結(jié)果見圖11、12。

圖11 薄膜應(yīng)力

圖12 薄膜加彎曲應(yīng)力

計算結(jié)果表明：接頸支撐管系在外壓及低壓缸載荷共同作用下通過了軸向失穩(wěn)校核，且側(cè)板薄膜加彎曲應(yīng)力符合強度評定要求，保證了結(jié)構(gòu)剛性，結(jié)構(gòu)安全。

4.5 水室模塊

原有的水室法蘭與殼體法蘭采用平墊片密封結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的缺點是水室設(shè)計壓力最高約0.4MPa。無法滿足國內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)采用二次循環(huán)機組時的設(shè)計要求（設(shè)計壓力0.6MPa）。

凝汽器水室采用圓弧形，見圖13。這種結(jié)構(gòu)使得水室在使用相同材料厚度及相同材質(zhì)的情況下具有更好的強度和剛度，能承受更大的內(nèi)外壓差。圓弧形結(jié)構(gòu)不但承壓能力好，而且還使水室更具美觀性和流線性，能最大限度消除水室內(nèi)部死角的存在，防止膠球聚集，并具有良好的流動性，使到達管板面上的冷卻水分布均勻，從而更有效的提高凝汽器傳熱效果。

圖13 水室與水室腔體

同時將已經(jīng)在600MW凝汽器上成功使用的水室法蘭與管板連接技術(shù)進行改進，使之適用于1000MW等級凝汽器的水室與室體法蘭連接，可將水室設(shè)計壓力提升至國內(nèi)二次循環(huán)機組普遍適用的0.6MPa。

4.6 低壓旁路接收裝置

原有的引進技術(shù)低壓旁路排汽采用一級減壓擴容裝置接收，只能接收較低參數(shù)的低壓旁路蒸汽。該技術(shù)明顯不適用國內(nèi)常規(guī)火電機組系統(tǒng)采用的較高參數(shù)的低壓旁路方案。

采用如圖14所示新設(shè)計的三級減溫減壓裝置接收旁路蒸汽，此裝置體積小，效率高，有利設(shè)備的布置，且能接收較高參數(shù)的旁路蒸汽。

圖14 三級減溫減壓裝置

4.7 疏水接收裝置研發(fā)

凝汽器還要接收來自給水加熱器逐級回流的疏水、給水補充水及雜項疏水等。給水補充水經(jīng)過設(shè)在接頸內(nèi)的噴水管從眾多的小孔噴入凝汽器內(nèi)，以達到良好的除氧效果。為確保其他疏水安全進入凝汽器，防止事故發(fā)生，設(shè)置了兩個外置式疏水擴容器。疏水擴容器具體型式見圖15。

圖15 外置式疏水擴容器

5 結(jié)語

通過此次百萬千瓦等級火電機組新型凝汽器的研發(fā)，不僅開拓創(chuàng)新、提升了我公司自身的技術(shù)水平，而且一舉擺脫了國外技術(shù)束縛，有利于我公司在電站設(shè)備行業(yè)新一輪競爭中保持市場領(lǐng)先地位。