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        百萬千瓦等級機組三背壓凝汽器新型布置方案研究

        2022-11-07 14:15:40
        電站輔機 2022年3期
        關(guān)鍵詞:凝汽器

        余 滔

        (上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機廠,上海 200093)

        0 前 言

        隨著火力發(fā)電機組單機容量的不斷增加,百萬千瓦等級機組為了提高循環(huán)熱效率,可以進一步降低阻塞背壓。降低阻塞背壓有兩種方法[1],一是提高末級葉片的高度,但由于汽輪機轉(zhuǎn)速高,末級葉片高度很難進一步提高;二是增加低壓缸的數(shù)量以增加凝汽器排汽面積,由傳統(tǒng)的二個低壓缸增加到三個低壓缸,即百萬千瓦等級機組需要設(shè)計出配套的三殼體凝汽器。

        1 幾種傳統(tǒng)布置的三殼體凝汽器

        1.1 布置方式

        三殼體凝汽器,通過水側(cè)聯(lián)通管道(以下簡稱聯(lián)通管道)和循環(huán)水進出接口的布置,以及汽側(cè)聯(lián)通與否,可以形成單背壓、雙背壓和三背壓布置方式。圖1、圖2和圖3為三種傳統(tǒng)布置方式的流程示意圖[2]。

        圖1 單背壓流程示意圖

        圖2 雙背壓流程示意圖

        圖3 三背壓(傳統(tǒng))流程示意圖

        圖1布置的凝汽器,三個凝汽器的汽側(cè)均聯(lián)通,每個凝汽器循環(huán)水均從前水室一側(cè)流入,在后水室返回,再由另一側(cè)前水室流出,形成雙流程單背壓凝汽器。

        圖2布置的凝汽器,1#和2#凝汽器的汽側(cè)聯(lián)通,3#凝汽器的汽側(cè)獨立。1#和2#凝汽器循環(huán)水均從前水室兩側(cè)流入,在后水室匯集為一根接管流出至3#凝汽器,3#凝汽器循環(huán)水由后水室兩側(cè)流入,從前水室兩側(cè)流出。根據(jù)循環(huán)冷卻水平均溫度的高低,1#和2#凝汽器的背壓相同,為低背壓側(cè),3#凝汽器為高背壓側(cè),形成單流程雙背壓凝汽器。

        圖3布置的凝汽器,1#、2#和3#凝汽器汽側(cè)均不聯(lián)通,循環(huán)冷卻水依次流過1#、2#、3#凝汽器。根據(jù)循環(huán)冷卻水平均溫度的高低,1#凝汽器為低背壓側(cè),2#凝汽器為中背壓側(cè),3#凝汽器為高背壓側(cè),形成單流程三背壓(傳統(tǒng))凝汽器。

        1.2 熱力性能對比

        根據(jù)凝汽器設(shè)計原理,相比單背壓,多背壓凝汽器可以提高機組循環(huán)熱效率,獲得的收益主要來自兩個方面:一是多背壓凝汽器的平均背壓低于單背壓凝汽器,背壓越低,低壓缸排汽膨脹更充分,做功更多;二是通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計,讓凝結(jié)水由低背壓側(cè)流入高背壓側(cè)充分回?zé)?,凝結(jié)水溫度更高,末級低壓加熱器用于加熱凝結(jié)水的抽汽需求量減少,更多的蒸汽可以參與做功[3]。

        某項目凝汽器循環(huán)水進水溫度為18 ℃,汽輪機采用三個低壓缸排汽口方案,對應(yīng)配置一臺三殼體凝汽器,凝汽器總計算面積為60 930 m2,根據(jù)上述三種傳統(tǒng)布置方式分別計算出背壓見表1。

        表1 三種傳統(tǒng)布置方式的背壓對比表(單位:kPa)

        可以看出多背壓布置下的凝汽器的平均背壓更低,相比單背壓凝汽器,雙背壓凝汽器低0.091 kPa,三背壓(傳統(tǒng))凝汽器低0.21 kPa。三背壓(傳統(tǒng))布置下的凝汽器背壓更低,機組效率提升會更多。

        1.3 布置時存在的問題

        雙背壓凝汽器雖有一定的背壓收益,但在工程應(yīng)用布置時會存在以下問題:

        3#凝汽器單獨為高背壓側(cè),換熱面積比1#、2#凝汽器更大,殼體更大,底部負挖更多,需要向外側(cè)延伸,此處汽機平臺的土建立柱以及0米層的負挖量需要去適應(yīng)3#凝汽器的布置,土建成本會有所增加。

        1#、2#凝汽器循環(huán)冷卻水匯集后進入3#凝汽器,后水室側(cè)的循環(huán)水聯(lián)通管連接復(fù)雜,且3#殼體半側(cè)的聯(lián)通管道內(nèi)徑需要大于3 000 mm,要占用更多的布置空間。

        三背壓(傳統(tǒng))凝汽器雖有較好的背壓收益,但在工程應(yīng)用布置時(俯視方案圖見圖4)會存在以下問題:

        前后側(cè)各有兩組聯(lián)通管道,聯(lián)通管道的內(nèi)徑為2 600 mm,彎頭占用大量布置空間,增加了廠房投資。

        三個凝汽器通過聯(lián)通管道串聯(lián),循環(huán)水流程明顯增長,水阻大大增加,增加了循環(huán)水泵能源消耗。

        進出口水管不在同一側(cè),廠區(qū)外聯(lián)通管道接入汽機房布置困難,會增加負挖布置管道的土建成本。

        圖4 三背壓(傳統(tǒng))凝汽器布置俯視圖

        2 一種新型布置的三殼體三背壓凝汽器

        2.1 布置方式

        上述傳統(tǒng)布置方式的多背壓方案在三殼體凝汽器工程應(yīng)用上均存在一些布置問題,不能滿足部分用戶的需求。因此研究設(shè)計了一種新型三背壓布置方式,通過調(diào)整進出口水管及聯(lián)通管道的布置,既能實現(xiàn)三殼體凝汽器的三背壓運行,又能克服上述傳統(tǒng)多背壓布置的缺點。

        新型三背壓凝汽器為單流程,每個凝汽器殼體內(nèi)設(shè)置2組管束A和B。循環(huán)冷卻水接口:1#凝汽器有兩個進口,2#凝汽器有一個進口、一個出口,3#凝汽器有兩個出口。循環(huán)冷卻水流程(見圖5):從凝汽器1A流經(jīng)凝汽器3B后流出,從凝汽器1B流經(jīng)凝汽器2A后流出,從凝汽器2B流經(jīng)凝汽器3A后流出(布置俯視圖見圖6)。

        圖5 新型三背壓流程示意圖

        圖6 新型三背壓凝汽器布置俯視圖

        新型三背壓凝汽器相比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器在布置方式上具有以下優(yōu)點:

        循環(huán)水聯(lián)通管布置在同一側(cè),充分利用上下空間布置后水室聯(lián)通管,廠房占地相比減少近100 m2,節(jié)約出大量的空間可以布置其他設(shè)備;

        循環(huán)水三進三出,循環(huán)水的流程縮短,水阻相比降低約1/3;

        循環(huán)水進出口水管在同一側(cè),可方便布置進出汽機房的循環(huán)水管道。

        2.2 熱力計算

        按照上述某項目凝汽器的熱力邊界條件,對新型三背壓凝汽器方案的熱力計算進行研究。

        1#凝汽器內(nèi)左右兩組管束循環(huán)冷卻水的冷卻水流量均相同、進口水溫均為18 ℃,因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力相同,熱負荷相同,1#凝汽器可以整體按照單背壓凝汽器來計算,得出冷卻水出口水溫、換熱面積和凝汽器背壓。

        2#凝汽器內(nèi)左右兩組管束循環(huán)冷卻水的冷卻水流量均相同、進口水溫不同,因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同,熱負荷不同,2B管束的進口水溫為18℃,2A管束的進口水溫為1B管束的出口水溫,兩組管束需要拆開來進行計算,通過熱負荷的分配調(diào)整,使得兩組管束的計算換熱面積一致,同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

        3#凝汽器與2#凝汽器情況相似,左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同,熱負荷不同,3A管束的進口水溫為2B管束的出口水溫,3B管束的進口水溫為1A管束的出口水溫,兩組管束需要拆開來進行計算,通過熱負荷的分配調(diào)整,使得兩組管束的計算換熱面積一致,同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

        通過調(diào)整凝汽器背壓、熱負荷分配,進行迭代計算,最終使三個凝汽器的計算面積相同,此時三個凝汽器對應(yīng)三個不同的背壓,匯總的數(shù)據(jù)見表2。

        表2 新型三背壓凝汽器熱力計算數(shù)據(jù)匯總表

        2.3 熱力性能對比

        根據(jù)背壓對應(yīng)的蒸汽飽和溫度,計算出三個凝汽器的平均蒸汽飽和溫度,查焓熵表得到對應(yīng)的平均背壓。新型三背壓凝汽器和表1中單背壓及三背壓(傳統(tǒng))凝汽器三種方案的背壓對比見表3。

        表3 三種方案的背壓對比表(單位:kPa)

        通過對平均背壓的比較,三背壓(傳統(tǒng))凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.21 kPa,新型三背壓凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.122 kPa。

        雖然新型三背壓凝汽器的背壓下降數(shù)值小于三背壓(傳統(tǒng))凝汽器,即增加的背壓收益相比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器減少,但從凝汽器水阻、循環(huán)水管道進出方位、廠房內(nèi)布置占用空間、土建負挖工作量等整體上考慮,上述某項目采用新型三背壓凝汽器比三背壓(傳統(tǒng))凝汽器更具有工程應(yīng)用價值。

        2.4 后水室及聯(lián)通管道設(shè)計關(guān)鍵點

        后水室聯(lián)通管道常見于600 MW、1 000 MW及以上等級機組多殼體凝汽器,通過聯(lián)通不同凝汽器的后水室,聯(lián)通循環(huán)水側(cè),可以實現(xiàn)多殼體凝汽器多背壓運行。

        新型三背壓凝汽器的后水室聯(lián)通管道主要為凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A、凝汽器1A與3B的后水室聯(lián)通。

        凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A的后水室聯(lián)通類型一致,由于兩殼體中心間距約4.5 m,如直接采用兩個90°彎頭連接,單個內(nèi)徑為2 600 mm的90°彎頭中心至端面距離大于2.6 m,兩個彎頭中間還需設(shè)置膨脹節(jié),布置距離不夠,因此無法直接采用彎頭連接,為了節(jié)約布置空間,將后水室接管截面由圓形改為腰圓設(shè)計,朝一側(cè)水平斜15°接出,再通過幾段接管的角度變化實現(xiàn)流向90°的轉(zhuǎn)變,后水室聯(lián)通管道俯視圖見圖7。后水室接管厚度及聯(lián)通管道的加強措施可通過有限元軟件進行強度分析。

        圖7 新型三背壓凝汽器后水室聯(lián)通管道俯視圖

        凝汽器1A與3B的后水室聯(lián)通,由于聯(lián)通的距離較遠,空間足夠,可以通過圓形的長聯(lián)通管路連接,如圖8所示。

        圖8 新型三背壓凝汽器后水室聯(lián)通管道正視圖

        支座選擇標(biāo)準鞍式支座,由于管道的長度約為20 m,充滿循環(huán)冷卻水后,載荷重量較大,最終選擇6個支座,支座采用地腳螺栓錨固,支座底板上的螺栓孔需考慮水平兩個方向的膨脹位移量。

        凝汽器運行時會以死點為基準,隨著導(dǎo)向支座朝特定的方向膨脹,新型三背壓凝汽器汽側(cè)互不聯(lián)通,采用聯(lián)通管道連接兩個凝汽器,考慮熱位移,需要在聯(lián)通管道的中間設(shè)計膨脹節(jié)。膨脹節(jié)需根據(jù)循環(huán)冷卻水的水質(zhì)選擇材質(zhì),一般氯離子含量較低的淡水采用不銹鋼膨脹節(jié),濃鹽水或海水采用橡膠膨脹節(jié)。兩個凝汽器運行時沿管道徑向的熱位移基本相當(dāng),此膨脹節(jié)主要吸收兩個凝汽器沿管道軸向的熱位移差,據(jù)此來設(shè)計合適的膨脹節(jié)。

        3 結(jié) 論

        百萬千瓦等級機組新型三殼體三背壓凝汽器,通過調(diào)整循環(huán)水管道進出口的布置,以及后水室及聯(lián)通管道的設(shè)計,在不增加土建負挖工作量、不增加聯(lián)通管道布置面積和難度、不影響汽輪機廠房基礎(chǔ)設(shè)計的情況下,即可實現(xiàn)凝汽器的三背壓運行。相比單背壓,一定程度的降低了凝汽器平均背壓,機組獲得了一定的收益,具有工程應(yīng)用價值。

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