小機凝結水系統改造在直接空冷機組的應用分析

鄭富

摘要：目前社會各行業提出節能減排，同樣電力行業也對節能減排提出了更高的要求，在大型發電企業中，都在尋找節能減排的有效措施。本文從600MW直接空冷機組小機凝結水的改造，分析相關的節能改進措施，提高凝汽器真空，優化機組經濟性。

關鍵詞：直接空冷系統；噴淋降溫；汽輪機；凝汽器

在我國北方富煤缺水地區，大型火力發電廠普遍為空冷機組，而直接空冷機組占有較大比重。直接空冷系統的冷源是空氣，其冷卻性能受環境影響很大，尤其是在夏季高溫階段背壓能夠達到45～50kPa。運行背壓高會威脅發電機組的安全，發電單位往往不得不降低機組負荷以滿足機組運行時所需的安全背壓，嚴重制約空冷機組夏季運行的安全性及經濟性。目前，很多發電單位都針對直接空冷機組背壓高這一問題進行了一系列設備改造，包括噴淋降溫、空冷風場優化等。這些改造項目都是從改變就凝汽器外部環境著手進行的，不但投資高，而且存在空冷凝氣器表面結垢加快、空冷島重力負荷增大等隱患。所以發電單位都迫切的想尋找一種投資小、安全性高的途徑去緩解空冷機組背壓高的問題。

一、直接空冷機組的一些特點

（一）主機排汽裝置

主汽輪機排汽裝置處于低壓缸和排汽管道之間，主要由矩形膨脹節、喉部、殼體、排汽短管、熱井、支座構成。低壓缸排汽依次通過膨脹節、喉部后，再經導導流板引導，進入排汽管道。 空冷凝汽器內凝結的水通過回水管自流至排汽裝置底部的熱井。

（二）主機排汽終參數

主汽輪機低壓缸排汽終參數主要是指排汽的壓力、溫度，影響它的因素有很多，主要是排汽量及環境溫度。直接空冷系統的冷源是空氣，受環境溫度的制約，設計背壓比濕冷機組高出許多，運行背壓范圍也比后者大。運行中，主汽輪機的排汽背壓一般控制在8kPa-30kPa之間，對應的飽和溫度在41℃-69℃之間。

（三）給水泵汽輪機

大型直接空冷機組大都采用以汽動給水泵給水為主，電動機水泵給水為輔的給水方式，機組正常運行時僅運行汽動給水泵。因直接空冷機組背壓受環境溫度影響大、變化快，為保障機組給水穩定，所以直接空冷機組的每臺給水泵汽輪機均配置有一臺濕式冷卻的凝汽器。

（四）小機凝結水

給水泵汽輪機排汽經其自帶的凝汽器冷卻后，便形成了小機凝結水。小機凝結水聚集在給水泵汽輪機凝汽器底部的熱井內，后通過小機凝結水泵直接排入主機排汽裝置熱井。小機凝結水泵的出口壓力一般設計為0.15MPa-0.2MPa。因給水泵汽輪機凝汽器為濕式冷卻，其排氣背壓始終維持在一個較低的水平，大約在4kPa-10kPa之間，小機凝結水的溫度約為28℃-45℃之間。

二、小機凝結水噴淋至排汽裝置方案

大型空冷機組在運行中的，因主機與小機的冷卻方式不同，具有小汽輪機排汽及其凝結水溫度低，而主汽輪機排汽溫度高的特點。目前直接空冷機組小機凝結水系統多采用通過小機凝結水泵升壓后，將小機凝結水直排至主機排汽裝置熱井的方式，該種方式不但使小機凝結水的低溫特性沒得到利用，而且還增加了主機凝結水的過冷度，降低了機組的經濟性。若要利用小機凝結水的低溫特性，則應在主機排汽進入空冷凝汽器之前，將小機凝結水通過噴嘴霧化后充分混入到主機排汽中，在兩者混合后，小機凝結水會對主機排汽進行提前冷卻，這樣便減少了空冷凝氣器的熱負荷，同時主機排汽加熱了小機凝結水，使其溫度接近主機排汽溫度，從而使主機凝結水過冷度進一步減小，提高了回熱系統效率。根據主機排汽的特性及主機排汽裝置的結構特點，在主機排汽裝置喉部布置小機凝結水霧化噴嘴最為合適，一是因為在該位置主機排汽焓值及干度較高，小機凝結水與其混合后傳熱將更充分；二是排汽裝置喉部有足夠的空間布置足夠多的噴嘴，以使小機凝結水噴淋得更為均勻。

（一）系統的布置

要將小機凝結水噴淋至排汽裝置喉部，需對原小機凝結水系統管道進行改造。系統可這樣布置：取消小機凝泵出口調門組后至主機排汽裝置熱井的直排管道，重新布置一路噴淋管道，將小機凝結水從小機凝泵出口調門組后分別引至A、B排汽裝置喉部，在排汽裝置內，均勻布置支管及噴嘴，覆蓋整個排汽裝置喉部，使小機凝結水進入主汽輪機排汽裝置后，經過噴嘴霧化形成的霧滴直接與主汽輪機低壓缸排汽充分混合并換熱，有效降低主汽輪機的排汽溫度，進而降低主汽輪機的排汽背壓，達到節約煤耗之目的。此外，也可保留原有小機凝泵出口調門組后至主機排汽裝置熱井之間的直排管道，在該直排母管及噴淋母管上各增加一套真空閥門，目的是在噴淋管道、閥門或噴嘴出現故障后，原有的直排系統可正常運行，保證小機凝結水系統正常運行。

主機排汽裝置喉部工況變化快，運行環境惡劣，所以新增的噴淋管道，在主機排汽裝置外部的部分，可選用與原直排管道材質規格相同的管道，但在主機排汽裝置內部的部分則必須使用不銹鋼無縫鋼管，且所有焊縫必須經過金屬檢驗。

（二）噴嘴的選擇

噴嘴是小機凝結水霧化的關鍵設備，噴嘴霧化效果的優劣，直接影響該改造的節能效果。

評價霧化效果最直接的因素就是霧化后液滴直徑的大小和液滴覆蓋的面積。液滴越小，單位小機凝結水形成的表面積越大，即與主機排汽的接觸面積越大，小機凝結水與主機排汽間的換熱也將越快；液滴覆蓋面積越大，則小機凝結水噴淋后分布得越均勻，參與換熱的小機凝結水液滴比例也將越高。因此要求小機凝結水霧化后，液滴體積越小越好，液滴覆蓋面積越大越好。

除噴霧所用特定物質的影響以外，影響霧化液滴大小的四個主要因素是：噴嘴類型、流量、噴射壓力、噴霧形狀。一般情況下，在同一個霧化噴嘴中，低噴射壓力產生較大的液滴，而高噴射壓力產生較小的液滴；小流量產生細噴霧液滴，而大流量生成大噴霧液滴。小機凝結水流量取決于給水泵汽輪機進汽量，無法人為改變，故無法通過改變流量來影響霧化效果；在小機凝結水泵一定的情況下，小機凝結水壓力受到小機凝結水流量及小機凝結水泵出口調門的開度影響，運行中小機凝泵出口調節門以小機凝汽器水位為調節量進行自動控制調節，而小機凝汽器的水位又是由給水泵汽輪機排汽的凝結形成的，無法人為改變，所以也無法通過改變噴射壓力來影響霧化效果；而噴霧形狀又取決于噴嘴類型；因此要獲得足夠理想的霧化效果，需選擇合適的噴嘴類型。

小機凝結水霧化噴嘴處于排汽裝置內部，不便于檢修，加之其噴口又長期受到高壓高速水流的磨擦作用，因此噴嘴在滿足理想的霧化效果的同時，還應具備如下特點：①結構簡單，便于清洗和更換；②材料耐磨損、腐蝕，使用壽命長；③內流道斷面大且通暢，不易堵塞。

綜上所述，宜選用可拆卸的不銹鋼材質空心錐形霧化噴嘴。

此外，因霧化噴嘴處于主機排汽裝置喉部，其位置距低壓缸較近，為避免溫度較低的小機凝結水噴至低壓末級葉片上，造成低壓末級葉片損壞，所以不論任何時候，小機凝結水都不能朝上噴淋，因此要求噴嘴噴口、噴嘴座開口方向都必須朝下。

（三）小機凝結水泵的選型

小機凝結水噴淋至主機排汽汽裝置改造后，因噴淋管道較之直排管道長度大幅增加、支管明顯增多、加之噴嘴霧化需要一定的壓力，故改造時應注意原有的小機凝結水泵的設計壓力及能否滿足噴嘴的霧化要求，必要時可對小機凝結水泵進行改型。以600MW機組為例，要將小機凝結水泵出口壓力由0.15MPa提高到0.5MPa，泵功率需提高約20KW。

（四）控制裝置

為得到更好的霧化效果，可分別在小機凝結水噴淋管進入A、B排汽裝置前的支管上各增加一臺電動閥門，通過DCS控制。在小機凝結水流量較低時，可關閉一臺電動閥門，僅留一半霧化噴嘴工作，這樣可將單個噴嘴的流量提高一倍，使霧化效果更佳。

（五）末級噴淋支管

末級噴淋支管的出口為霧化噴嘴，因霧化噴嘴的噴口朝下，在噴嘴工作時，朝下的水流會給噴嘴施加一個向上的反作用力，該反作用力將傳遞到末級噴淋支管上，使末級支管與次末級支管連接處的焊縫受到一個較大的力矩，可能造成末級支管變形或焊縫裂紋。故應設法限制死末級支管向上移動的空間。

三、經濟效益分析

根據計算，在T-MCR工況下，投入噴淋系統后，汽輪機真空可提高0.3kPa，對應供電煤耗降低約0.3g/kwh，具有良好的經濟效益。

四、結論

小機凝結水噴淋至排汽裝置改造，可以有效地降低主汽輪機的排汽溫度和排汽背壓，進而降低機組的煤耗，不緊提高了機組的經濟性和安全性，還能一定程度地緩解機組夏季出力受限的問題；同時，該技改具有投資費用低、施工周期短、施工難度小的優點，值得在直接空冷機組中推廣。

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