軸排空冷供熱機組真空除氧方案研究

□ 李 理

中國天辰工程有限公司 天津 300499

1 研究背景

天然氣是世界能源結構向低碳、無碳演變的主要能源,聯合循環發電用氣是天然氣需求增長的主體[1]。土耳其Kazan聯合循環熱電站項目采用F級聯合循環空冷供熱機組,額定對外供汽量為376 t/h,抽汽工況下系統補水量大,且存在抽凝與抽背兩種供汽工況,給凝結水系統真空除氧方案的確定帶來很大難度。為保證最終選擇的方案能夠達到合同要求的除氧效果,筆者對各種方案進行了比較分析。

2 凝結水中溶氧危害

溶解在水中的氣體對熱力設備的危害表現在兩個方面[2]。一方面,各工況下熱力設備中的不凝氣體會影響設備的傳熱效果,增大整個系統的不可逆損失。另一方面,以氧為主要成分的氣體會形成對各金屬設備的腐蝕,造成設備使用壽命縮短,可靠性降低。直接空冷機組長期在凝結水溶氧量高、過冷度大的不利工況下運行,會降低熱經濟性,并產生不利影響,包括加快凝結水系統的氧化腐蝕和酸腐蝕,縮短凝結水系統設備及管道的使用年限,提高鍋爐給水的含鐵量,加快鍋爐受熱面結垢速度,降低鍋爐效率,同時使鍋爐的安全運行受到較大影響,汽輪機的運行效率也相應降低。為確保聯合循環電站余熱鍋爐凝結水加熱器、軸封加熱器及凝結水管道安全經濟運行,降低凝結水溶氧量是一項重要工作。

國內外各相關標準中均對凝結水溶氧量進行了規定,具體見表1。

表1 凝結水溶氧量規定

Kazan項目要求在穩定操作工況下,凝結水泵出口溶氧量不高于40 μg/L,同國內標準相比較為嚴格,因此需對除氧方案及除氧器廠家的選擇加以重視。

3 凝結水溶氧量超標原因

凝結水除氧的條件如下[4]:

(1) 滿足傳熱條件,凝結水需加熱至工作壓力下的飽和溫度;

(2) 及時將水中離析的氣體排走。

直接空冷系統機組處于真空下運行的設備較為龐大,如凝汽設備、抽空氣系統、凝結水泵等,處于負壓狀態時,設備任何不密封處都有漏入空氣的可能,會直接影響凝結水溶氧量。另外,供熱機組大量系統補水也是凝結水溶氧量超標的重要原因。

具體而言,凝結水溶氧量超標的原因有三方面。

(1) 凝結水系統閥門及凝結水泵填料盤根密封不嚴。凝結水泵吸入側處于負壓狀態下運行,采用機械密封或填料盤根,外部接通來自凝結水泵出口的密封水。當凝結水泵處于備用時,密封可能不嚴,造成空氣漏入,使凝結水溶氧量提高。此外,所有處于負壓狀態的閥門和法蘭,如凝結水泵入口閥、空氣閥、本體疏水泵出入口閥門、空氣管道等,一般都使用填料盤根密封,在密封材料老化且未得到及時更換時,空氣漏入會造成凝結水溶氧量超標。

(2) 空冷器焊縫缺陷。空冷器是直接空冷系統的主要設備,主要部分采用焊接工藝。若焊接質量存在缺陷,會使空氣從缺陷部分進入空冷器,造成凝結水溶氧量超標。

(3) 脫鹽水及蒸汽凝液返回補水方式不當。脫鹽水補水溶氧量高,若補水方式不合理,如噴嘴不完善且距抽凝系統較遠,不能及時抽出氣體,則容易造成凝結水溶氧量超標。

4 聯合排汽裝置除氧方案

4.1 概述

采用燃氣-蒸汽聯合循環的電廠,所消耗的水量僅為同等容量蒸汽輪機電站的1/2左右[5]。在蒸汽輪機采用空冷的情況下,消耗水量進一步降低,但與此同時,必須重視空冷機組的凝結水除氧措施。

聯合排汽裝置是國內空冷汽輪機設計一貫采用的方式[6],設計時將濕冷機組的原表面式凝汽器改為空冷機組的聯合排汽裝置。聯合排汽裝置集排汽管道連接、凝結水箱、疏水擴容、真空除氧、主汽旁路末級減溫減壓等功能于一體,使直接空冷機組凝汽系統的設計與濕冷機組基本一致,起到簡化系統、節省投資與占地的目的。2003年,我國第一臺安裝聯合排汽裝置的200 MW直接空冷供熱機組成功投入商業運行。之后的幾年時間里,相繼有200臺左右直接空冷機組投入運行,基本都安裝了聯合排汽裝置,投運機組凝結水溶氧量可達到30 μg/L[7]。

目前,國內三大動力設備制造廠——東方汽輪機廠、哈爾濱汽輪機廠、上海汽輪機廠的空冷汽輪機產品均采用聯合排汽裝置,方案差異不大。

4.2 東方汽輪機廠除氧方案

包頭二電廠項目、云岡電廠擴建項目中采用了東方汽輪機廠生產的空冷汽輪機聯合排汽裝置,其剖面圖如圖1所示。在排汽裝置喉部設置脫鹽水補水噴嘴,由低壓缸排汽,對進入喉部經霧化后的脫鹽水進行加熱除氧。由水中析出的氧隨其它不凝氣體一起抽至空冷器逆流區,再由抽真空設備抽出。

▲圖1 東方汽輪機廠聯合排汽裝置剖面圖

汽輪機排汽經空冷器冷凝后,由回水母管上膜式噴嘴噴入。形成水膜后,與低壓缸排汽混合加熱至飽和,實現除氧及降低凝結水過冷度。設置在導流板上的大量長條孔使回水順利匯入下部凝結水箱,減小汽水混合物對空冷排汽管道的磨損。析出的氧隨其它不凝氣體一起匯至空冷器逆流區,由抽真空設備抽出。

4.3 哈爾濱汽輪機廠除氧方案

武鄉電廠項目、大唐運程發電廠項目中采用了哈爾濱汽輪機廠設計制造的聯合排汽裝置,其剖面圖如圖2所示。補水泵將脫鹽水補水送至聯合排汽裝置喉部,經霧化噴嘴霧化噴出。低壓排汽在較短時間內將補水加熱至飽和,從而實現除氧,之后隨排汽共同進入空冷器。補水升至飽和溫度后,析出的氧隨其它不凝氣體一起匯至空冷器逆流區,由抽真空設備抽出。

汽輪機排汽經空冷器冷凝后,由凝結水管道流至聯合排汽裝置下部水箱。在聯合排汽裝置內設置帶有多個噴嘴的凝結水環形母管。噴嘴噴出的凝結水噴灑至位于其下方的填料層中形成水膜,與通過導流板方形孔的汽輪機排汽逆流混合加熱,實現二次除氧。析出的氧及其它不凝氣體在聯合排汽裝置喉部由抽真空設備抽出。

4.4 上海汽輪機廠除氧方案

太原第二熱電廠六期、七期項目中采用了上海汽輪機廠生產的聯合排汽裝置,其剖面圖如圖3所示。

▲圖2 哈爾濱汽輪機廠聯合排汽裝置剖面圖

▲圖3 上海汽輪機廠聯合排汽裝置剖面圖

汽輪機排汽經空冷器冷凝后,與補水在排汽裝置中分別通過蝶形噴嘴和霧化噴嘴霧化。通過噴嘴霧化后,補水被汽輪機排汽加熱至飽和,達到除氧的效果。析出的氧隨其它不凝氣體一起匯至空冷器逆流區,由抽真空設備抽出。另一方面,由導流通道將汽輪機排汽引至排汽裝置,對凝結水回水進行充分加熱,降低凝結水過冷度,使溶氧析出。析出的氧和其它不凝氣體在聯合排汽裝置喉部由抽真空設備抽出。

4.5 凝結水箱增加除氧裝置

國內首批建設的幾個200 MW、300 MW機組中,排汽聯合裝置采用了凝結水箱單獨設置的方式。凝結水箱凝結水和補水入口裝設霧化噴嘴,并引入汽輪機排汽進行加熱和除氧。有些電廠將補水點設置在空冷器的配汽管上,經過霧化噴嘴噴入排汽管道,使補水與排汽實現充分混合,達到加熱除氧的效果[9],這樣做的不足之處是冬季低負荷時容易造成空冷器凍結。

5 Kazan項目真空除氧方案

Kazan項目所使用的直接空冷汽輪機采用軸向排汽,汽輪機低位布置,尚無成熟的聯合排汽裝置與之相配合,因此,聯合排汽裝置除氧方案不適用。

為實現對外最大供汽,汽輪機采用了同步自換擋離合器設計。汽輪機主要運行工況有純凝、抽凝、抽背三種,各工況下補水量及空冷器負荷差別較大,蒸汽凝液返回量及返回溫度也存在變化,且空冷器內運行背壓受環境溫度影響很大,這些因素都需在除氧方案中予以考慮。

因為無法采用聯合排汽裝置,所以Kazan項目真空除氧方案只能采用單獨設置凝結水箱的方式。補水點可以選擇在凝結水箱除氧裝置處或空冷器配汽管上,除氧用蒸汽來自汽輪機排汽管,通過汽平衡管連接至凝結水箱,不凝氣體通過設置在除氧頭上的抽空氣口由真空泵抽出。應注意選擇直接空冷機組真空泵容量時,參考采用空冷器逆流段出口的最低運行壓力[8]。Kazan項目真空除氧系統及空冷器系統如圖4所示。

▲圖4 Kazan項目真空除氧系統及空冷器系統

為確定各工況下真空除氧理論蒸汽耗量,對不同環境溫度下各工況熱平衡參數進行匯總,年平均12 ℃熱平衡參數見表2,夏季40 ℃熱平衡參數見表3,冬季-5 ℃熱平衡參數見表4。

對上述各工況的熱平衡參數進行分析,除氧器最大加熱蒸汽耗量在5.9 t/h左右。根據該流量進行汽平衡管尺寸計算,蒸汽流速選擇40 m/s,汽平衡管徑為DN 900左右。為保證各工況下加熱蒸汽能通過除氧器,還需要除氧器廠家、空冷器廠家配合進行系統的水力計算,避免因除氧器側壓損大而導致加熱蒸汽流量達不到理論蒸汽流量,無法實現除氧功能。

表2 12 ℃各工況熱平衡參數

表3 40 ℃各工況熱平衡參數

表4 -5 ℃各工況熱平衡參數

根據美國熱交換學會(HEI)空冷器標準相關條款,蒸汽凝液及脫鹽水補水的位置選擇在除氧器處最佳,其次為在凝結水箱處,再次為在蒸汽排汽管處。在kazan項目中,補脫鹽水的同時還有溫度較高,為55 ℃的凝液返回系統。若直接補入除氧器中,由于溫度高于凝結水箱內溫度,將在除氧頭處發生閃蒸,可能造成除氧頭內超壓,并阻礙空冷器中凝液返回。即便是將凝液與脫鹽水補水混合之后再補入除氧器中,也存在由于混合溫度不均勻、返回凝液超溫等原因造成超壓的風險。若采用補入凝結水箱方式,則由于凝結水箱與除氧頭相連通,工作溫度相同,同樣會存在超壓風險。將補水點設在空冷器蒸汽排汽管上,通過霧化噴嘴將補水補入空冷器內,由空冷器順流、逆流換熱面將凝液閃蒸出的蒸汽冷卻,并由設在逆流換熱面頂部的抽空氣口將不凝氣體抽出,實現補水的初次除氧。凝液由空冷器凝結水收集母管匯至布置在空冷器下方的除氧器中,利用來自汽平衡管的低壓蒸汽進行二次除氧,確保凝結水出水溶氧量達標。這一方式的缺點是由于在蒸汽排汽管中布置噴頭,增大了汽輪機排汽系統壓損,對汽輪機純凝工況下的效率有一定影響。綜合比較,蒸汽排汽管補水方式允許補水溫度在較寬的范圍內變化,兩次除氧的方式使除氧效果有保障,加之機組長期在抽凝工況下運行,汽輪機排汽量較小,壓損對汽輪機出力的影響非常有限,因此推薦在蒸氣排汽管上補水的方式。

6 結束語

針對Kazan聯合循環熱電站項目空冷汽輪機組的特點,提出采用單獨設置帶除氧功能凝結水箱的方式進行真空除氧。對不同的補水點位置進行了比較分析,推薦將補水點設置在空冷器蒸汽排汽管上,以應對較高的凝液返回溫度,最終保證凝結水溶氧量達標。