350MW超臨界抽凝式熱電聯產機組凝汽器系統優化運行

國峰 馮宗田 婁漢強

一、前言

汽輪機真空嚴密性、凝汽器傳熱端差直接影響汽輪機的效率，提高凝汽器系統經濟性，首先提高凝汽器的清潔度、降低端差、提高真空泵的抽吸能力，本文從系統設置、真空泵冷卻水選擇以及減少凝汽器熱負荷等方面進行分析。

二、工程概況

國家能源泰安熱電有限公司裝機兩臺350MW超臨界燃煤抽凝式熱電聯產機組，于2015年投產。鍋爐為超臨界參數變壓運行直流爐，單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、運轉層以上露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐，汽輪機為上海汽輪機廠生產的C350-24.2/0.343/566/566型超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、單軸、單背壓、抽凝式、八級回熱、濕冷凝汽式汽輪機。#1、2機分別配置兩臺水環式真空泵，維持凝汽器系統真空運行。

三、真空系統概述

汽輪機凝汽裝置是發電機組的重要組成部分，在汽輪機裝置的熱力循環中起著冷源的作用，通過降低汽輪機的排汽壓力和溫度來提高循環效率。以水為介質的凝汽設備由凝汽器、抽汽器、循環水泵和凝結水泵以及它們之間的連接管道、閥門和附件組成，利用較低溫度的冷卻水使排汽凝結并形成高度的真空。

汽輪機組真空對機組的運行效率影響十分突出，對于1臺350MW機組來說。凝汽器真空每下降1kPa，在主蒸汽流量不變的情況下，主機作功效率降低約0.7%，負荷將降低2.5MW。此外真空的泄漏還將影響蒸汽凝結及熱交換性能，增大過冷度和換熱端差，增加真空泵的負擔。同時影響二次除氧效果，加劇低壓設備管道腐蝕，對機組的安全運行非常不利。由于真空對機組的經濟運行至關重要，因此汽輪機的真空成為決定汽輪機經濟運行的一個主要評價指標。

凝汽器的真空主要由三方面的因素決定：

1）冷卻水進口溫度。主要決定于電廠所在地的氣候和季節，水溫越低真空越好。

2）冷卻水溫升。決定于凝汽器的循環倍率、蒸汽比焓和凝結水比焓。循環倍率越大真空越高。

3）凝汽器的傳熱端差。增大凝汽器的換熱面積可以減少端差。

提高凝汽器的真空雖然可以使汽輪機的理想比焓降增大，功率提高，但無論從設計角度還是運行角度來看卻不是真空越高越好。增加凝汽器的面積有利于提高真空但需要增加投資;增大循環水量有可能汽輪機凝汽器真空提高而多發的電反而少于循環水泵多耗的電，得不償失。因此在機組負荷和參數一定的條件下，凝汽器運行壓力與機組功率、微增功率有著密切的關系，凝汽器的最佳真空應通過設備投資、增加收益和運行費用等因素的綜合比較確定。

四降低凝汽器的傳熱端差

凝汽器傳熱端差是衡量凝汽器性能的重要標志，其值為凝汽器壓力下飽和溫度與冷卻水出口溫度之差。對已投運的凝汽器，影響其傳熱端差的主要因素是：

1）凝汽器清潔度

2）進人凝汽器的熱負荷

3）冷卻水入口溫度

受自然環境條件的限制，在電廠廠址確定后循環冷卻水的溫度也就確定了，因此對端差的影響主要是前兩項因素，清潔系數對凝汽器壓力的影響更為顯著。在凝汽器冷卻管保持清潔的情況下，增加凝汽器冷卻面積對改善真空的效果是不明顯的。通常情況下凝汽器設計采用的清潔度為0.85，但在實際運行中由于循環水的污染，凝汽器的清潔度常常達不到設計要求。為改善循環水在換熱管水側表面形成的污垢，在循環水系統中一般要設置膠球清洗裝置來維持換熱管表面的清潔。

五真空泵冷卻系統的選擇

凝汽器的真空系統主要由抽真空裝置及其管道系統等組成，用以維持凝汽器系統真空。目前火力發電廠的抽真空系統主要有兩種方式：一是采用射水抽氣器抽氣系統;二是采用真空泵抽氣系統。前者設計由于系統復雜、能耗大、啟動時間長主要用于中小型機組，真空泵抽氣系統因為具有管道布置簡潔、占地面積小、廣泛應用于300MW、600MW及以上機組。

水環式真空泵由于具有使用安全、操作簡單、運行經濟、工作可靠、被廣泛采用。

水環真空泵是利用水作為介質進行工作的，通過泵殼體內的水環與葉輪形成的偏心結構來實現吸氣、壓縮、排氣的過程，從而達到連續抽氣的目的，所以泵體內的工作水溫決定了泵內各小室空間在旋轉過程中所能達到的真空。水環式真空泵在運行時，為保持抽吸能力，其工作水溫度必須低于凝汽器喉部吸入室壓力對應的飽和溫度，也就是必須保持一定的過冷度，如水溫升高，則真空泵發生汽化，不僅造成汽蝕，還會降低抽吸能力。

凝汽器負壓系統運行過程中，或多或少存在泄漏，隨著凝汽器內空氣的積聚，這時凝汽器的壓力受真空泵極限抽真空壓力的限制，在其他條件不變的情況下，真空泵的工作水溫度是制約水環真空泵性能的主要因素，時提高真空泵的工作能力的關鍵問題。

真空泵工作中產生的熱量要通過工作水冷卻器帶走，冷卻器冷卻水的溫度決定了工作水的溫度。開式循環水溫度低，目前大多數機組采用開式循環水冷卻工作水，同時保持換熱器清潔，降低換熱環節端差，以更有利于降低工作水溫度。此外，板式冷卻器較管式冷卻器有更高的換熱效率和更低的端差，因此推薦采用板式換熱器。

六減少真空系統的泄漏

凝汽器除接受汽輪機的排汽外，還要接收小汽機排汽、低壓旁路排汽及各路疏水以及閥門泄漏引起的高品位蒸汽和疏水。為了回收工質、提高效率，回收凝汽器的疏水越來越多，疏水參數的差異也越來越大，因此真空系統越來越廣，所有這些處于負壓運行的設備、管道和閥門等不嚴密處都可能漏入空氣，如果漏入的空氣量較大，而抽氣設備又無法及時地將其排出，則凝汽器非凝結氣體集聚，使熱阻增加，傳熱系數降低，導致凝汽器傳熱端差增大，真空降低，凝結水過冷度增加，從而降低了循環效率。真空系統易泄漏空氣的薄弱環節主要有：

1）凝汽器熱井、低壓加熱器水位計經常出現漏點，造成嚴密性下降。

2）軸封加熱器水位偏低，水封無法建立，導致空氣漏入。

3）給水泵密封水排至凝汽器，水封無法有效建立，導致空氣漏入。

4）低壓缸防爆門、小汽機排汽管防爆門、凝汽器人孔門等密封不嚴，導致空氣漏入。

5）大機、小機低壓軸封供汽不足，造成軸封泄漏，另外，汽封間隙的大小、汽封的完好程度也是造成軸封泄漏的重要因素。

6）凝結水泵進口管道法蘭、進口濾網法蘭、濾網放水、凝泵水封泄漏也會影響真空導致凝結水溶氧不合格。

7）負壓管道上的疏水閥、排汽閥關閉不嚴，導致真空泄漏。

七結束語

凝汽器系統對機組的經濟性影響較大，而影響凝汽器真空的因素又很多，既有凝汽器系統設備本身設計選型的問題，也有系統運行方式上的原因。提高凝汽器系統經濟性措施：

1）凝汽器的最佳真空應通過優化確定，并不是越高越好，機組在不同負荷、不同水溫條件下最佳背壓可以結合循環水泵的不同運行方式通過計算和試驗確定。

2）真空泵的補水采用除鹽水或凝結水。冷卻水采用開式水，換熱器采用板式，提高換熱效率，降低工作水溫度，以提高真空泵的極限抽真空能力。

3）真空系統泄漏也是造成真空低的主要原因，建設安裝采用質量高、密封性好的閥門能減少向凝汽器的內漏，

4）高、低壓加熱器的疏水管道布置、閥門選型應保證正常疏水暢通，運行中加強水位控制，防止事故疏水經常開啟，造成凝汽器熱負荷增加影響真空。

5）選用合適的軸封供汽壓力、調整合理汽封間隙，可以減少軸封系統漏入凝汽器的空氣，給水泵密封水和軸加疏水采用多級水封，水封高度既保證水封不被破壞又應有利于疏水通暢。

6）機組檢修調停機會及時凝汽器負壓系統注水檢漏，排查系統漏點，提高系統嚴密性。

7）提高凝汽器受熱面清潔程度，加強循環水質檢測，提高循環水品質，膠球清洗定期投運，選用合理規格膠球，清洗設備加強維護，提高收球率。

作者簡介：國峰，國家能源泰安熱電有限公司運行部，汽機專工，工程師，一直從事電廠汽機運行管理工作，研究方向：汽輪發電設備運行。