了凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因及其對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性的影響,從凝汽器的設(shè)計(jì)、改造、檢修以及運(yùn)行維護(hù)幾個(gè)方面,提出了減小凝結(jié)水過冷度的對(duì)策,從而提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
關(guān)鍵詞:凝汽器;過冷度;經(jīng)濟(jì)性;安全性
1、引言
凝汽器是凝汽式汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備,是汽輪機(jī)組系統(tǒng)的重要組成部分,它工作性能的好壞直接影響著整個(gè)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性。而凝汽器運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣集中表現(xiàn)在以下三個(gè)方面:是否保持在最佳真空、凝結(jié)水的過冷度是否最小以及凝結(jié)水的品質(zhì)是否合格。其中凝結(jié)水的過冷度越大,說(shuō)明被冷卻水帶走損失的熱量越多,而這部分熱損失要靠鍋爐多燃燒燃料來(lái)彌補(bǔ),從而導(dǎo)致整個(gè)熱力系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性降低。而且過冷度越大,凝結(jié)水中的含氧量也越多,從而加速了相關(guān)管道、設(shè)備的腐蝕速度。因此需從各個(gè)方面對(duì)凝汽水過冷度加以重視并采取措施使其減到最小,以此來(lái)提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
2、凝結(jié)水過冷度的定義和表示方法
2.1 定義
凝結(jié)水過冷度表征了凝汽器熱水井中凝結(jié)水的過度冷卻程度,凝汽器熱水井出口凝結(jié)水溫度與凝汽器在排汽壓力下對(duì)應(yīng)的飽和溫度之差即稱為過冷度。
2.2 表示方法
溫度形式:
Δtn=ts-tc
式中:Δtn—凝結(jié)水過冷度;
ts—凝汽器絕對(duì)壓力下的飽和溫度;
tc—凝汽器熱井中凝結(jié)水溫度。
3、過冷度產(chǎn)生的原因
凝汽器運(yùn)行中產(chǎn)生凝結(jié)水過冷卻現(xiàn)象可能是凝汽器設(shè)計(jì)中的問題,也可能是運(yùn)行不當(dāng)而產(chǎn)生的,一般主要原因有以下幾個(gè)。
3.1 凝汽器內(nèi)管束排列不好
在舊式結(jié)構(gòu)的凝汽器上,凝結(jié)水過冷度可能很大。這些凝汽器通常均為非回?zé)崾降?凝汽器內(nèi)由于冷卻水管束布置過密和排列不當(dāng),使汽氣混合物在通往凝汽器的管束中心和下部時(shí)存在很大的汽阻,引起凝汽器內(nèi)部絕對(duì)壓力從凝汽器入口到抽氣口逐漸降低,使得凝汽器大部分區(qū)域的蒸汽實(shí)際凝結(jié)溫度要低于凝汽器入口處的飽和溫度,形成了過冷度。這同時(shí)造成了蒸汽負(fù)荷大部分集中在上部冷卻管束處,蒸汽所凝結(jié)的水通過密集的管束,又在冷卻水管外側(cè)形成一層水膜,又起到再冷卻凝結(jié)水的作用,加之排汽不能回?zé)釤崴心Y(jié)水,進(jìn)一步加劇了凝結(jié)水的過冷卻。
3.2 空氣漏入凝汽器或抽氣器工作不正常
機(jī)組運(yùn)行過程中,處于真空狀態(tài)下的汽輪機(jī)的排汽缸、凝汽器以及低壓給水加熱系統(tǒng)等部分,若有不嚴(yán)密處,則會(huì)造成空氣漏入;另一方面,抽氣器工作不正常,不能及時(shí)地把凝汽器內(nèi)漏入的空氣抽走。這兩方面使得凝汽器內(nèi)積存的空氣等不凝結(jié)氣體增加,這不僅會(huì)在冷卻水管的表面形成傳熱不良的空氣膜,降低傳熱效果,增加傳熱端差;同時(shí)還使得凝汽器內(nèi)的汽氣混合物中空氣成分的增高,造成空氣分壓提高、蒸汽分壓降低,而凝結(jié)水是在對(duì)應(yīng)蒸汽分壓的飽和溫度下冷凝,所以此時(shí)凝結(jié)水溫度必然低于凝汽器壓力下的飽和溫度,因而產(chǎn)生了凝結(jié)水的過冷卻。
3.3 凝結(jié)水水位過高
運(yùn)行過程中,由于凝結(jié)水泵真空部分漏入空氣或其它故障,使凝汽器熱井中凝結(jié)水水位過高,淹沒了下部的冷卻水管,這樣冷卻水又帶走一部分凝結(jié)水的熱量,使凝結(jié)水再次被冷卻,過冷度必然增大。
3.4 冷卻水漏入凝結(jié)水內(nèi)
凝汽器內(nèi)冷卻水管破裂,造成冷卻水漏入凝結(jié)水內(nèi),使凝結(jié)水溫度降低,過冷度增加,此時(shí)還伴有凝結(jié)水硬度增大的現(xiàn)象發(fā)生。
3.5 凝汽器冷卻水入口溫度和流量的影響
現(xiàn)代電站凝汽器通常為回?zé)崾降?具有合理設(shè)計(jì)的管束結(jié)構(gòu),汽阻極小,在額定的設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí),凝結(jié)水過冷度實(shí)際可為零。在這種情況下,凝結(jié)水過冷度主要受凝汽設(shè)備運(yùn)行工況因素的影響,其中最重要的因素是凝汽器冷卻水的入口溫度和流量。
凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因及減小對(duì)策(2)
試驗(yàn)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,在一定的蒸汽負(fù)荷下,當(dāng)冷卻水入口溫度降低或流量增加時(shí),凝汽器壓力降低,真空增加,進(jìn)入熱井的凝結(jié)水的過冷度將增大。
3.6 蒸汽負(fù)荷的影響
凝汽器蒸汽負(fù)荷的大小對(duì)凝結(jié)水過冷度也有一定的影響。根據(jù)前蘇聯(lián)ВТИ的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)于汽流向心式凝汽器,隨著蒸汽負(fù)荷的提高,過冷度增大;而對(duì)于汽流向側(cè)式凝汽器,蒸汽負(fù)荷升高時(shí),過冷度減小。對(duì)于舊式非回?zé)崾侥?蒸汽負(fù)荷減小時(shí),不可避免地會(huì)引起過冷度增加。
3.7 將溫度較低的補(bǔ)充水直接補(bǔ)入凝汽器的熱水井
機(jī)組在運(yùn)行過程中,由于鍋爐排污等原因,導(dǎo)致工質(zhì)在循環(huán)過程中產(chǎn)生了汽水損失,因此為了滿足汽輪機(jī)進(jìn)汽量的需要,必須及時(shí)補(bǔ)入到汽水工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)中。補(bǔ)充水補(bǔ)入的位置有除氧器和凝汽器兩種方案,如果采用補(bǔ)入凝汽器方案,冬天時(shí)補(bǔ)充水溫度一般低于設(shè)計(jì)工況時(shí)凝汽器中凝結(jié)水溫度可達(dá)十幾攝氏度。這樣將溫度較低的補(bǔ)充水直接補(bǔ)入凝汽器的熱水井,并且在補(bǔ)充水流量較大時(shí),勢(shì)必會(huì)造成凝結(jié)水溫度的降低,致使過冷度增加。
4、過冷度對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響
4.1 對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響
凝汽器過冷度會(huì)增加冷源損失,引起作功能力的損失,降低系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。
通過對(duì)N15一4.9/470型汽輪機(jī)實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)凝結(jié)水過冷卻度增加2℃時(shí),新蒸汽等效焓降減少0.457kJ/kg,機(jī)組效率相對(duì)降低0.051%,電廠標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加0.198g/kW.h。假設(shè)該機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7500h,那么,一臺(tái)該型號(hào)機(jī)組每年多耗標(biāo)煤為147.6t,相當(dāng)于每年多支出燃料成本3.1萬(wàn)元?？梢?凝結(jié)水過冷度對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有明顯的影響,是一項(xiàng)不可忽視的指標(biāo),因此采取各種措施降低凝結(jié)水過冷度是十分必要和有意義的。
4.2 對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性的影響
凝結(jié)水過冷度的存在會(huì)威脅機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。凝結(jié)水溫度過低,即凝結(jié)水水面上的蒸汽分壓力的降低,氣體分壓力的增高,使得溶解于水中的氣體含量增加,因?yàn)槿苡谀Y(jié)水的氣體量和熱井水面上氣體的分壓力成正比。因此若凝結(jié)水出現(xiàn)過冷度,則其含氧量增加,這將導(dǎo)致凝汽器內(nèi)換熱管、低加及相關(guān)管道閥門腐蝕加劇,以致降低設(shè)備的使用壽命,不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。這同時(shí)也加重了除氧器的工作負(fù)擔(dān),使除氧器的除氧效果變差,嚴(yán)重時(shí)會(huì)腐蝕處于高溫工作環(huán)境下的給水管道和鍋爐省煤器管,引起泄漏和爆管。據(jù)統(tǒng)計(jì),2003年某電廠凝汽器冷卻水管腐蝕造成的泄漏,使凝結(jié)水硬度超標(biāo),迫使機(jī)組降低出力帶負(fù)荷查漏次數(shù)多達(dá)5次?？梢?凝結(jié)水過冷度的存在對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性極為不利。
5、減少凝結(jié)水過冷度的對(duì)策
通過上述對(duì)凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生原因及其對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響的分析可以看到,凝結(jié)水過冷度的存在威脅著機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性,同時(shí)也會(huì)降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此須從設(shè)計(jì)、改造、檢修以及運(yùn)行維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)其采取有效措施,以期降低凝結(jié)水過冷度,提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
5.1 設(shè)計(jì)中所采取的對(duì)策
(1)在冷卻水管束設(shè)計(jì)中改進(jìn)管束的布置,在管束結(jié)構(gòu)中適當(dāng)留有足夠?qū)挼恼羝ǖ?這除了可以保證汽流均勻進(jìn)入管束各區(qū)域外,還可保證部分排汽可直接通至凝汽器底部,以加熱凝結(jié)水,減少凝結(jié)水過冷度;同時(shí)應(yīng)使抽氣口位置離開凝結(jié)水遠(yuǎn)一些,以減少凝結(jié)水過冷度;
(2)從凝汽器入口至抽氣口的路徑應(yīng)力求直接,且有足夠的流通面積,蒸汽進(jìn)入管束的流速不超過40m/s～50m/s,蒸汽沿程阻力盡量小,以減少汽阻,降低凝結(jié)水的過冷度;
(3)合理選擇凝汽器內(nèi)的淋水裝置,優(yōu)化設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻水量;
(4)汽輪機(jī)排汽口與凝汽器的連接采用柔性連接,以防止運(yùn)行中膨脹不暢導(dǎo)致空氣的漏入;
(5)對(duì)于排入凝汽器的各種疏水、補(bǔ)充水、再循環(huán)水及其它附加流體,接至凝結(jié)器的位置一定要高于凝結(jié)水水位,最好接至凝結(jié)器上部蒸汽空間,并裝折流檔板,防止沖刷冷卻水管,以除掉這些水源中的空氣,減少對(duì)凝結(jié)水溶氧及對(duì)過冷度的影響;
凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因及減小對(duì)策(3)
(6)利用鍋爐連續(xù)排污對(duì)補(bǔ)充水進(jìn)行加熱,以減少補(bǔ)入凝汽器的補(bǔ)充水對(duì)凝結(jié)水的過冷卻。一般凝汽器的補(bǔ)充水箱與除氧器、連續(xù)排污擴(kuò)容器布置在同一平臺(tái)處,因此可在補(bǔ)充水箱內(nèi)加裝一組管式換熱器,由連續(xù)排污擴(kuò)容器引出一管,將排污水送入換熱器中作為熱源,(下轉(zhuǎn)76頁(yè))(上接75頁(yè))以加熱補(bǔ)充水,然后再排入地溝。
5.2 改造中所采取的對(duì)策
舊式凝汽器通常均為非回?zé)崾降?冷卻管束通道很窄,汽阻很大,可達(dá)1.3～2.0 kPa,這本身就可使過冷度達(dá)到5℃～10℃。對(duì)于這些老式凝汽器,凝結(jié)水過冷度與工況因素幾乎無(wú)關(guān),消除這種過冷現(xiàn)象唯一有效的措施是改造凝汽器冷卻管束結(jié)構(gòu)。如:
(1)拆除一部分冷卻水管(減少一部分冷卻面積),讓排汽可深入到冷卻面中部,并留有足夠的寬度,但不穿通,使蒸汽能沿著冷卻面作均勻的分配,并使凝結(jié)水加熱到排汽溫度;
(2)在冷卻管束中合理布置一些集水、排水元件;
(3)限制管束中汽流流速,使其盡可能不超過40m/s～50m/ s。
5.3 檢修中所采取的對(duì)策
(1)對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行灌水查漏,重點(diǎn)檢查凝汽器喉部、低壓抽汽管路、低壓缸軸封蒸汽進(jìn)出管道焊口、低壓缸法蘭接合面、熱井焊接處、凝結(jié)水管道法蘭連接處、凝汽器水位計(jì)接頭處、疏水?dāng)U容器焊接處、與熱井連接的真空系統(tǒng)閥門等部位,并修補(bǔ)泄漏處;
(2)檢查凝汽器內(nèi)的淋水裝置;
(3)對(duì)凝汽器水位調(diào)節(jié)器和軸封壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行檢修;
(4)對(duì)抽真空系統(tǒng)進(jìn)行檢修,保證抽氣設(shè)備的正常工作,以便運(yùn)行時(shí)可及時(shí)抽出凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體。
5.4 運(yùn)行中所采取的對(duì)策
5.4.1 保證真空部分的嚴(yán)密性
保證真空部分的嚴(yán)密性,防止空氣漏入,同時(shí)正確配置抽氣器。這不僅是為了維持凝汽器內(nèi)的高真空度,也是防止凝結(jié)水過冷的有效措施之一。投運(yùn)行軸封壓力調(diào)節(jié)器,并將軸封壓力控制在規(guī)定值內(nèi),以防止空氣從軸封漏入,影響凝汽器真空。
5.4.2 對(duì)凝結(jié)水水位及水質(zhì)的監(jiān)視與控制
為了消除運(yùn)行中凝結(jié)水水位過高而造成的凝結(jié)水過冷卻現(xiàn)象,一方面除了要求運(yùn)行人員對(duì)凝結(jié)水水位嚴(yán)格監(jiān)督外,另一方面可通過裝設(shè)凝結(jié)水水位自動(dòng)調(diào)節(jié)器和報(bào)警裝置,使凝結(jié)水水位保持在正常范圍內(nèi)。同時(shí),還可以利用凝結(jié)水泵本身的運(yùn)行特性,采用凝汽器低水位運(yùn)行的方式。
運(yùn)行中凝汽器冷卻水管腐蝕泄漏,會(huì)引起凝結(jié)水硬度超標(biāo),過冷度增大。若水質(zhì)超標(biāo)不嚴(yán)重,可在循環(huán)水入水口處放入木糠堵漏;若水質(zhì)超標(biāo)嚴(yán)重,則采取運(yùn)行中降負(fù)荷半邊凝汽器查漏方法堵漏或停機(jī)時(shí)堵漏。
5.4.3 對(duì)冷卻水的流量和入口溫度調(diào)節(jié)和控制
冬季冷卻水溫較低時(shí),為了消除或盡量減小凝結(jié)水過冷度并節(jié)約廠用電,應(yīng)減小冷卻水流量。當(dāng)循環(huán)冷卻水泵采用母管制連接時(shí),可通過改變運(yùn)行的水泵臺(tái)數(shù)或者關(guān)小壓力管道上的閥門來(lái)調(diào)節(jié)冷卻水流量。如果循環(huán)冷卻水泵采用單元制配置,需通過改變水泵工作葉片旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)節(jié)出力,或用改變電動(dòng)機(jī)電極對(duì)的數(shù)目以改變轉(zhuǎn)速來(lái)改變出力,或通過改變循環(huán)冷卻水泵的工作臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)出力。對(duì)于具有空氣冷水塔的機(jī)組,可通過調(diào)整運(yùn)行中的多級(jí)變速風(fēng)機(jī)的速度和和數(shù)量來(lái)控制冷卻水溫度,調(diào)節(jié)冷卻水流速以獲得零過冷度。
6 總結(jié)
對(duì)于凝汽器內(nèi)凝結(jié)水過冷度的問題,本文從各個(gè)方面分析了凝結(jié)水過冷度產(chǎn)生的原因,詳細(xì)闡述了其對(duì)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全性的影響,并提出了減少凝結(jié)水過冷度的對(duì)策。在凝汽設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)中,凝結(jié)水過冷度是一個(gè)不容忽視的性能指標(biāo),因此應(yīng)在設(shè)計(jì)、改造、檢修以及運(yùn)行維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)采取措施控制和消除凝結(jié)水過冷度,來(lái)提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
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