黃文兵， 王自發(fā)， 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(chǎn)亞臨界、 一次再熱、 雙缸雙排汽、 直接空冷凝汽式汽輪發(fā)電機組。 夏季室外氣溫超過37 ℃時， 即使ACC 風(fēng)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(fā)電負(fù)荷的運行方式。 為了提高機組夏季運行經(jīng)濟性和靈活性， 電廠于2014 年增設(shè)尖峰冷卻系統(tǒng)， 采用濕冷凝汽器加機力通風(fēng)冷卻塔的技術(shù)方案。

1 尖峰凝汽系統(tǒng)概述

圖1 為尖峰凝汽系統(tǒng)圖。

圖1 尖峰凝汽系統(tǒng)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(huán)冷卻水進行冷卻。 尖峰凝汽器冷卻面積4 000 m2； 設(shè)計冷卻水溫38 ℃； 設(shè)計冷卻水量8 000 t/h； 設(shè)計背壓20 kPa。 被尖峰凝汽器加熱的循環(huán)冷卻水通過機力通風(fēng)冷卻塔進行冷卻， 2 臺尖峰凝汽器共用1 臺機力通風(fēng)冷卻塔， 其設(shè)計冷卻水量16 500 t/h， 采用三塔三風(fēng)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(huán)水泵。 尖峰凝汽器抽真空管接入ACC 抽真空管道， 凝結(jié)水自流回排汽裝置熱井。

2 關(guān)鍵點設(shè)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(shè)電動蝶閥以便尖峰凝汽系統(tǒng)停運時與ACC 空冷系統(tǒng)隔斷。 本工程乏汽引流管口徑為DN3500， 由于項目投資預(yù)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(shè)國產(chǎn)蝶閥在冬季尖峰凝汽系統(tǒng)正常停運或故障停運檢修時由于閥門密封不嚴(yán)導(dǎo)致機組真空嚴(yán)密性不合格， 達不到與ACC 系統(tǒng)隔離的效果， 因此本項目選擇不設(shè)隔斷閥門。 不設(shè)隔斷閥門屬類似工程首創(chuàng)， 面臨兩方面的風(fēng)險： （1）機組運行而尖峰凝汽系統(tǒng)停運時凝汽器汽側(cè)空間充滿蒸汽， 換熱管“干燒”， 在尖峰凝汽系統(tǒng)停運期增加了機組管道系統(tǒng)空間， 加大了真空泄漏風(fēng)險； （2） 尖峰凝汽系統(tǒng)投運期間換熱管管口泄漏導(dǎo)致凝結(jié)水水質(zhì)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(yán)格的檢查監(jiān)測措施提升設(shè)備制造安裝質(zhì)量水平， 降低設(shè)備故障的概率； （2）制定嚴(yán)格的尖峰系統(tǒng)運行維護規(guī)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(cè)密閉性的各關(guān)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(yán)密性合格。 尖峰凝汽系統(tǒng)運行至今5年未出現(xiàn)因尖峰凝汽系統(tǒng)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(tǒng)停運時由于未設(shè)置隔斷閥門， 凝汽器汽側(cè)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(jié)冰的可能。 通過分析， 凝汽器汽側(cè)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(tài)， 在此狀態(tài)下凝汽器殼體壁面金屬溫度由外至內(nèi)逐漸升高并始終保持在蒸汽凝結(jié)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(nèi)的凝結(jié)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(nèi)凝結(jié)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(jié)水回流管敷設(shè)保溫層， 凝結(jié)水回流管附電伴熱裝置， 凝汽器殼體及喉部區(qū)域未敷設(shè)保溫層。 尖峰凝汽系統(tǒng)投運至今經(jīng)過5 年運行反饋其在冬季尖峰系統(tǒng)停運室外溫度低至-35℃時凝汽器殼體壁面也未出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)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(nèi)的凝結(jié)水過冷度也未超過限制值。

2.3 乏汽引流管設(shè)計

有些尖峰凝汽系統(tǒng)工程僅對新增引流管道進行應(yīng)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(jié)合ANSYS 對管道應(yīng)力集中的位置做局部校核分析， 這些做法都不嚴(yán)謹(jǐn)。 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(tài)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(yīng)力有限元分析軟件CAESARⅡ?qū)友b尖峰凝汽系統(tǒng)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(shè)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(shè)置曲管壓力平衡補償器即能保證管系的一次二次應(yīng)力校核通過又能吸收膨脹節(jié)波紋管本身的負(fù)壓盲板力[4]，保證設(shè)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(yīng)力校核結(jié)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(jié)果

3 尖峰凝汽系統(tǒng)運行后的節(jié)能效果

加裝尖峰凝汽系統(tǒng)后因水源取水限制， 循環(huán)水量一直無法達到設(shè)計值（單臺凝汽器8 000 t/h），而是穩(wěn)定在4 000 t/h 左右， 所以循環(huán)水泵一直采取單泵運行的方式， 機力通風(fēng)塔采用兩塔兩風(fēng)機運行方式。 表1 為1 號機組未加裝尖峰凝汽系統(tǒng)2014 年夏季性能表現(xiàn)， 和尖峰凝汽系統(tǒng)投運后2017 年夏季性能表現(xiàn)（因期間室外溫度低于25 ℃時ACC 風(fēng)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(tǒng)）和2017 年（加裝尖峰凝汽系統(tǒng)后）夏季性能表現(xiàn)

對比1 號機組2014 年和2017 年的夏季運行數(shù)據(jù)可知， 在平均室外氣溫接近和機組發(fā)電量接近的情況下， 加裝尖峰凝汽系統(tǒng)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(jié)省標(biāo)煤10 513.4 t， 經(jīng)濟效益顯著。

4 小結(jié)

本項目加裝尖峰凝汽系統(tǒng)后切實解決業(yè)主因夏季室外氣溫高機組出力受限的問題， 提高了機組發(fā)電經(jīng)濟性。 不設(shè)尖峰凝汽系統(tǒng)隔斷閥門在國內(nèi)工程尚屬首例， 凝汽器僅在熱井范圍和凝結(jié)水回流管敷設(shè)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(jié)合的方式進行有限元分析并在合理位置設(shè)置曲管壓力平衡補償器， 既滿足管道柔性設(shè)計要求又節(jié)約投資成本。 尖峰凝汽系統(tǒng)投運5 年， 運行情況良好， 在循環(huán)水量遠(yuǎn)小于設(shè)計值的情況下節(jié)能效果依然顯著。