汽輪機組低真空改造原理及凝汽器的優化設計

鄭殿鋒

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱150090）

汽輪機組低真空改造原理及凝汽器的優化設計

鄭殿鋒

（哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司，哈爾濱150090）

文中說明了未來一些地區機組低真空改造的必要性，通過對大連泰山電廠低真空改造凝汽器優化設計的分析和實際應用，提出了低真空改造對凝汽器的要求和需改造的部件，以及需注意的方面，涵蓋了設計到運行方面的要求，為今后電廠的低真空改造提供設計依據和參考。

低真空；改造；凝汽器；優化設計

0 引言

隨著我國經濟的發展，工業化進程加快，農村勞動力向城市集中，城區面積逐年變大，城市供暖要求也逐漸變大。但受地理條件制約以及政府整體規劃要求，并不能在所有需要供暖的地方建設新的供熱電廠，而原有電廠的供暖能力還不足，所以在原有機組上進行改造，余熱再利用，增加機組效率，增大供暖面積就成了當下一些電廠勢在必行的改造方案［1］。

以大連泰山電廠為例，該電廠的135MW機組是由哈爾濱汽輪機廠生產的超高壓、一次中間再熱、雙缸、單軸、雙分流、雙抽、凝汽式汽輪機，凝汽器設計背壓4.9 kPa。電廠熱效率僅為38%左右，近60%的熱量白白的損失掉，其中最大損失為凝汽器的冷源損失，約占總損失的60%。為了充分利用這部分冷源損失，改造后，在供暖期通過低真空運行將供熱系統的熱網循環水引入凝汽器作為冷卻循環水，提高汽輪機的排汽壓力，降低凝汽器的真空度，增加排汽溫度，利用排汽的汽化潛熱加熱熱網循環水，這樣不僅提高熱網循環水水溫，還提高了整機的熱效率。該機組改造過程中核心的改造部件之一為凝汽器，因為改造前后機組運行條件變化非常大，對于凝汽器的換熱及強度方面要求的都非常高，這里著重對該電廠135MW機組的低真空改造的凝汽器改造方案做一下詳細介紹。

1 汽輪機組低真空改造原理

1）原機組運行方式。主要是純凝工況和抽汽供暖工況運行，純凝時循環水系統和熱網系統自成一體，運行示意圖見圖1。

純凝運行時關斷閥12關閉，鍋爐加熱的蒸汽依次進入高壓缸、中壓缸、低壓缸，低壓轉子拖動發電機發電，做完功的蒸汽進入凝汽器，蒸汽被凝結后通過低加、除氧器、高加加熱后再回到鍋爐，形成一個閉式循環系統。此時凝汽器所用冷卻介質一般為系統外冷卻水；當機組在冬季需要供暖時，關斷閥12打開，一部分蒸汽通過熱網加熱器加熱供暖水，供暖水經過泵進入到千家萬戶，供暖后冷卻下來的水再回到熱網加熱器被加熱，以此循環運行。

2）機組改造內容。機組對低壓通流部分進行改造，保證機組背壓提高，排汽溫度提高到75～80℃，滿足機組背壓提高的安全性；對凝汽器重新進行計算和改造，滿足凝汽器溫度升高和水室壓力增大的安全性；對熱網一次網回水管路、熱網泵和加熱器進行核算改造，將熱網一次網回水引入凝汽器水側，用于吸收汽輪機乏汽熱量，提高一次網供水溫度，然后串聯到一次網熱網加熱器進行二次加熱，實現對外供熱。

圖1 機組改造前運行示意圖

3）機組改造后的運行方式。在采暖供熱期間低真空循環水供熱工況運行時，機組純凝工況下所需要的冷水塔及循環水泵退出運行，將凝汽器的循環水系統切換至熱網循環泵建立起來的熱水管網循環水回路，形成新的熱交換系統。循環水回路切換完成后，進入凝汽器的水流量降至6 000～9 000 t/h，凝汽器背壓由5～7 kPa左右升至30～45 kPa，低壓缸排汽溫度由30～40℃升至69～78℃（背壓對應的飽和溫度）。經過凝汽器的第一次加熱，熱網循環水回水溫度由50℃提升至66～75℃（凝汽器端差3℃），然后經熱網循環泵升壓后送入首站熱網加熱器，將熱網供水溫度進一步加熱后供向一次熱網，見圖2。

圖2 機組改造后運行示意圖

機組在純凝工況運行時，退出熱網循環泵及熱網加熱器運行，恢復原循環水泵及冷卻塔運行，凝汽器背壓恢復至5～7 kPa。

2 低真空改造后對凝汽器的影響

低真空供熱改造后，排汽壓力、溫度均相應升高，凝汽器殼體及換熱管膨脹量均有較大變化，并且管束內部循環水壓力、溫度都有較大提高，對于凝汽器管束的脹口強度、運行壽命等都有很大影響。

3 低真空改造后對凝汽器的優化設計

1）改造后對凝氣面積的優化設計。改造后循環水溫、水量都發生變化，凝汽器面積要求重新核算，一般情況凝汽器面積都會增加，如果增加則需要對凝汽器內部管束進行更換或增加管子，以保證凝汽器面積［2］。

2）運行溫度高對凝汽器強度方面的影響和改進：改造后循環水溫度升高，由于換熱管與凝汽器殼體材質不同，因此受熱膨脹影響也不同，此時應該重新換熱管和凝汽器殼體的熱膨脹量，尤其換熱管是銅管的凝汽器受熱膨脹影響更大，容易產生換熱管和管板之間的開焊，導致泄漏，應將銅管換成不銹鋼管，同時在凝汽器的膨脹方向上設置膨脹節。另外，由于溫度高，垂直方向上的熱膨脹量也增大，如果原機組為彈性支撐，則熱膨脹所產生的力將作用在低壓缸的底座上，有將低壓缸頂起的趨勢，存在安全隱患，因此彈性支撐的膨脹節應改成剛性支撐（大連泰山電廠改造時在凝汽器后水室側設置了膨脹節，同時將彈性支撐改成剛性支撐，凝汽器上部與低壓缸連接部位改成膨脹節結構，見圖3）。

圖3 凝汽器優化設計改動部分

3）低真空供暖期熱網水量小對凝汽器的影響和改進。改造后循環水由冷卻塔冷卻改成熱網水冷卻，此時水量相當于正常THA工況運行時的50%，此時凝汽器內水速降低，以大連泰山電廠為例，改造前純凝工況循環水量大約18 000 t/h，設計水速2.1 m/s，改造后供暖期循環水量7 600 t/h，此時水速只有0.9 m/s（見圖4），如果循環水混濁，混濁物容易在凝汽器換熱管內壁堆積，降低凝汽器換熱效果，此時應關閉其中一側循環水閥門，使凝汽器半側運行的方式，此時凝汽器管內流速大約1.8 m/s（見圖5），滿足運行要求［3］。

圖4 改造前凝汽器冷卻水速與水量關系圖

圖5 凝汽器半側運行冷卻水速與水量關系

4 結論

機組的低真空改造對于電企以及政府的規劃有著重要意義，適應當前節能高效的企業發展要求，解決了許多電廠面臨的實際問題。電廠前期需對周邊的熱用戶發展情況做充分調研，結合企業自身的機型特點，制定適應合理的改造方案非常重要。這其中凝汽器的改造更要結合實際運行需要，載荷變化、溫度變化、壓力變化、介質變化等等，要做詳細設計和改造方案，才能保證改造后的機組高效穩定運行。

［1］ 李勤道，劉志真.熱力發電廠熱經濟性計算分析［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］ 中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］ 史月濤，丁興武，蓋永光.汽輪機設備與運行［M］.北京：中國電力出版社，2008.

（編輯：立 明）

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1002－2333（2014）04－0264－02

鄭殿鋒（1979—），男，工程師，主要從事汽輪機輔機設備設計工作。

2014-02-13