尖峰凝汽系統在350 MW 空冷機組上的應用

黃文兵， 王自發， 唐義洪

（1.德陽東汽電站機械制造有限公司， 四川德陽， 618000； 2.中廣核新能源德令哈有限公司， 青海德令哈， 817000）

新疆某6×350 MW 機組， 為國產亞臨界、 一次再熱、 雙缸雙排汽、 直接空冷凝汽式汽輪發電機組。 夏季室外氣溫超過37 ℃時， 即使ACC 風機60 Hz 運行汽輪機背壓也無法降至限制值， 而不得不采取降低發電負荷的運行方式。 為了提高機組夏季運行經濟性和靈活性， 電廠于2014 年增設尖峰冷卻系統， 采用濕冷凝汽器加機力通風冷卻塔的技術方案。

1 尖峰凝汽系統概述

圖1 為尖峰凝汽系統圖。

圖1 尖峰凝汽系統圖

從圖1 可以看出： 從空冷排汽管道中分流一部分汽輪機排汽至尖峰凝汽器中用循環冷卻水進行冷卻。 尖峰凝汽器冷卻面積4 000 m2； 設計冷卻水溫38 ℃； 設計冷卻水量8 000 t/h； 設計背壓20 kPa。 被尖峰凝汽器加熱的循環冷卻水通過機力通風冷卻塔進行冷卻， 2 臺尖峰凝汽器共用1 臺機力通風冷卻塔， 其設計冷卻水量16 500 t/h， 采用三塔三風機配置， 單塔直徑9.75 m。 每臺尖峰凝汽器配置3 臺（兩用一備）循環水泵。 尖峰凝汽器抽真空管接入ACC 抽真空管道， 凝結水自流回排汽裝置熱井。

2 關鍵點設計

2.1 尖峰凝汽器的隔斷閥門

類似工程通常都會在尖峰凝汽器喉部上方或引流蒸汽管道上裝設電動蝶閥以便尖峰凝汽系統停運時與ACC 空冷系統隔斷。 本工程乏汽引流管口徑為DN3500， 由于項目投資預算的限制無法購買密封性能較好的進口蝶閥， 其他工程反饋裝設國產蝶閥在冬季尖峰凝汽系統正常停運或故障停運檢修時由于閥門密封不嚴導致機組真空嚴密性不合格， 達不到與ACC 系統隔離的效果， 因此本項目選擇不設隔斷閥門。 不設隔斷閥門屬類似工程首創， 面臨兩方面的風險： （1）機組運行而尖峰凝汽系統停運時凝汽器汽側空間充滿蒸汽， 換熱管“干燒”， 在尖峰凝汽系統停運期增加了機組管道系統空間， 加大了真空泄漏風險； （2） 尖峰凝汽系統投運期間換熱管管口泄漏導致凝結水水質不合格無法在線檢修， 機組必須停機。 其解決措施為： （1）制定嚴格的檢查監測措施提升設備制造安裝質量水平， 降低設備故障的概率； （2）制定嚴格的尖峰系統運行維護規范， 每個機組小修期必須對尖峰凝汽器的換熱管管口、 人孔等影響汽側密閉性的各關鍵零部件進行檢查維護， 每個大修期必須對尖峰凝汽器進行灌水查漏試驗以確保凝汽器的真空嚴密性合格。 尖峰凝汽系統運行至今5年未出現因尖峰凝汽系統故障無法與ACC 隔離而停機的情況。

2.2 尖峰凝汽器的保溫

工程所在地冬季最低氣溫達零下40 ℃， 尖峰凝汽系統停運時由于未設置隔斷閥門， 凝汽器汽側空間始終充滿蒸汽， 存在部分蒸汽與低溫壁面接觸冷凝甚至結冰的可能。 通過分析， 凝汽器汽側空間不斷有熱蒸汽進入并加熱殼體壁面最終達到熱平衡狀態， 在此狀態下凝汽器殼體壁面金屬溫度由外至內逐漸升高并始終保持在蒸汽凝結溫度附近[1]， 尖峰凝汽器殼體視為排汽方管可輔助蒸汽冷凝。 另外， 考慮到凝汽器熱井內的凝結水自流回排汽裝置時被低溫空氣冷卻而過冷， 影響排汽裝置熱井內凝結水的過冷度和含氧量， 因此本工程改變其他項目對尖峰凝汽器整體保溫的做法而是只在熱井及凝結水回流管敷設保溫層， 凝結水回流管附電伴熱裝置， 凝汽器殼體及喉部區域未敷設保溫層。 尖峰凝汽系統投運至今經過5 年運行反饋其在冬季尖峰系統停運室外溫度低至-35℃時凝汽器殼體壁面也未出現結冰現象， 且實測其壁面溫度依然保持在30 ℃附近， 驗證了前述分析， 排汽裝置內的凝結水過冷度也未超過限制值。

2.3 乏汽引流管設計

有些尖峰凝汽系統工程僅對新增引流管道進行應力分析， 只考慮新增管道對原ACC 管系的推力情況而不做整體柔性分析， 或僅用CAESARⅡ軟件進行分析而不結合ANSYS 對管道應力集中的位置做局部校核分析， 這些做法都不嚴謹。 一方面新增引流管道必定會改變原ACC 排汽管系的柔性狀態及支吊架受力情況， 另一方面CAESARⅡ軟件的計算原理是把管道簡化處理成梁單元， 其適用的條件是管道外徑/壁厚＜100 mm， 尖峰蒸汽引流管屬大管徑薄壁管道， 其自身徑向剛度較弱，明顯已超過此適用范圍[2]。 本工程采用商用管道應力有限元分析軟件CAESARⅡ對加裝尖峰凝汽系統后的ACC 空冷管系進行整體柔性分析[3]，并利用ANSYS 軟件對開孔位置進行強度校核， 同時改變類似工程設置成本高昂的配對鉸鏈補償器或配對橫向大拉桿補償器的做法，在合理位置設置曲管壓力平衡補償器即能保證管系的一次二次應力校核通過又能吸收膨脹節波紋管本身的負壓盲板力[4]，保證設備安全的同時降低投資成本。 圖2 為加裝尖峰凝汽引流管后的ACC 排汽管道計算模型， 圖3 為引流管接口開孔局部應力校核結果。

圖2 加裝尖峰凝汽引流管后的ACC 排汽管道計算模型

圖3 引流管接口開孔局部強度校核結果

3 尖峰凝汽系統運行后的節能效果

加裝尖峰凝汽系統后因水源取水限制， 循環水量一直無法達到設計值（單臺凝汽器8 000 t/h），而是穩定在4 000 t/h 左右， 所以循環水泵一直采取單泵運行的方式， 機力通風塔采用兩塔兩風機運行方式。 表1 為1 號機組未加裝尖峰凝汽系統2014 年夏季性能表現， 和尖峰凝汽系統投運后2017 年夏季性能表現（因期間室外溫度低于25 ℃時ACC 風機降頻運行， 所以廠用電平均用電量反而比加裝尖峰之前更低）。

表1 1 號機組2014 年（未加裝尖峰凝汽系統）和2017 年（加裝尖峰凝汽系統后）夏季性能表現

對比1 號機組2014 年和2017 年的夏季運行數據可知， 在平均室外氣溫接近和機組發電量接近的情況下， 加裝尖峰凝汽系統之后機組平均背壓降低5.8 kPa， 機組平均供電煤耗降低10.43 g/kWh， 單臺機組夏季節省標煤10 513.4 t， 經濟效益顯著。

4 小結

本項目加裝尖峰凝汽系統后切實解決業主因夏季室外氣溫高機組出力受限的問題， 提高了機組發電經濟性。 不設尖峰凝汽系統隔斷閥門在國內工程尚屬首例， 凝汽器僅在熱井范圍和凝結水回流管敷設保溫層通過實際運行檢驗合理可靠，尖峰蒸汽引流管通過CAESARⅡ和ANSYS 相結合的方式進行有限元分析并在合理位置設置曲管壓力平衡補償器， 既滿足管道柔性設計要求又節約投資成本。 尖峰凝汽系統投運5 年， 運行情況良好， 在循環水量遠小于設計值的情況下節能效果依然顯著。