凝汽器作为凝汽式汽轮机组的重要组成部分,其热力性能的好坏直接影响到整个机组的热经济性和运行可靠性,其中凝汽器真空便是影响机组热经济性的一项重要指标[1]。某300MW凝汽式汽轮机组正常运行期间机组所配套的两台射水泵1用1备,投产时运行稳定。机组主要设计参数为:汽轮机型号N300-16.7/537/537,额定功率300MW,主蒸汽压力16.7MPa,主蒸汽温度537℃,再热蒸汽压力3.181MPa,再热蒸汽温度537℃,额定主蒸汽流量904t/h,排气压力5.39kPa,凝汽器型号N-17660-3,凝汽器型式为单背式、双流程、表面式,凝汽器压力5.39kPa,凝结水温度34.4℃,冷却面积17660m2,循环冷却水流量30560t/h,管内平均循环流速2m/s,冷却水进口温度20℃,循环水温升10.32℃,冷却管材料HSn70,冷却管规格Φ25×1×11036(mm)。

但随着机组运行年限的增加、尤其是夏季高温时节射水泵会因汽蚀产生较大噪音且出力受阻,无法维持凝汽器最佳真空(表1)[2]。鉴于此决定对该机组增加蒸汽喷射器抽真空系统,通过对改造后的凝气器进行热力性能计算,蒸汽喷射器抽真空系统不仅可很好地解决射水泵因进口水温过高导致抽吸能力下降及噪音和叶轮断裂等问题,同时还能使凝汽器维持最佳真空,达到节能效果。

1 项目实施方案

根据该机组凝汽器真空系统及射水泵的实际运行情况,在射水泵抽真空系统前加装前置多级蒸汽喷射器,同时保留原系统的2台射水泵在系统启动阶段用于预抽凝汽器系统真空,正常工况下仅投运多级蒸汽喷射器以维持变负荷工况下凝汽器最佳真空。蒸汽喷射器抽真空系统由多级蒸汽喷射器、冷凝器、汽水分离器等机务设备及相关热控系统组成。多级蒸汽喷射器中动力蒸汽通过蒸汽喷嘴以超音速射流对吸入口的气体产生卷吸作用,产生真空将凝汽器中的未凝结气体抽出,经过多级蒸汽喷射器压缩将不可凝气体排到大气,可凝气体与动力蒸汽一起进入蒸汽喷射器抽真空系统的冷凝器中,进行冷凝后回收到凝汽器热井或系统冷凝器疏水。其动力蒸汽由4段抽汽管路引出,动力蒸汽压力0.3～0.7MPa,蒸汽流量1164kg/h(0.3MPa)。冷凝器冷却水用量为180t/h(对应34℃最高温度的最高流量),采用循环冷却水作为冷却水源。

2 凝汽器热力性能分析

由于机组正常运行期间凝汽器循环冷却水进口温度、冷却水流量与设计值存在一定差别,所以为更好了解凝汽器改造效果,在对凝汽器进行热力性能分析过程中需对各项参数进行修正,修正至凝汽器设计工况下的运行参数以进行主要参数对比[3,4]。

对数平均温差:

式中ts为凝汽器压力下的饱和蒸汽温度,℃;t1为冷却水进口温度,℃;t2为冷却水出口温度,℃;Δt为冷却水温升,℃;δt为凝汽器传热端差,℃;LMTD为对数平均温差,℃。

凝汽器热负荷Q=W×cp×(t2-t1),式中Q为凝汽器热负荷,kW;cp为冷却水平均温度下的比热容,kJ/(kg·℃),查表得;W为冷却水流量,kg/s。凝汽器总体传热系数,式中KT为凝汽器试验总体传热系数,W/(m2·℃);A为凝汽器换热面积,m2。

美国传热学会(HEI)标准中的总体传热系数和修正计算:K=K0βtβmβc,K0=c1×√v,式中K0为基本传热系数,W/(m2·℃);βt为冷却水进口温度修正系数;βm为冷却管管材和壁厚修正系数;βc为凝汽器清洁系数;c1为冷却管外径系数;v为冷却管管内平均流速,m/s。根据美国传热学会(HEI)标准,凝汽器冷却水流量、冷却水进口温度对总体传热系数的修正计算公式:Kc=KT×Fv×Ft,,,式中Kc为修正后的总体传热系数;Fv为冷却水流量修正系数;Ft为冷却水进口温度修正系数。

凝汽器压力对应的饱和蒸汽温度:

式中tsc为凝汽器压力对应的饱和蒸汽温度修正值,℃;t1D为设计冷却水进口温度,℃;Δtc为修正至设计冷却水进口温度和流量时的温升,℃;δtc为修正至设计冷却水进口温度和流量时的端差,℃;WD为设计冷却水流量,kg/s;X为修正总体传热系数后的对数平均温差系数。

凝汽器热力性能计算及结果分析。分别选取机组在增加蒸汽喷射器抽真空系统前后四个工况的运行参数进行凝汽器热力性能计算,由表1可看出,对机组负荷相近的四个工况进行凝汽器热力性能计算,将凝汽器压力修正至冷却水进口温度20℃和冷却水流量30560(t/h)的设计条件下,在夏季凝汽器冷却水进口温度较高时,凝汽器压力由改造前的6.029kPa降低至5.408kPa;在冬季凝汽器冷却水进口温度较低时,凝汽器压力由改造前的5.597kPa降低至5.468kPa。改造后凝汽器压力均更加接近于设计值5.388kPa,说明凝汽器真空得到了有效改善。总体而言,改造后凝汽器性能基本接近设计水平,解决了由于射水泵出力不足导致凝汽器无法维持最佳真空问题。

3 经济效益分析

改造后夏季两个相近工况凝汽器压力降低0.612kPa,即凝汽器真空提高0.612kPa;冬季两个相近工况凝汽器压力降低0.129kPa,即凝汽器真空提高0.129kPa。初步统计,多级蒸汽喷射器抽真空系统的应用可使机组凝汽器真空夏季平均提高0.5kPa,冬季平均提高0.2kPa。理论上认为机组真空每提高1kPa可以节约煤耗3.2g/(kW·h),标煤单价500元/吨。该机组夏季、冬季射水泵运行时长分别为3个月(发电利用小时数2160h),计算该300MW机组年发电成本大概节约300×103×2160×500×(3.2×0.5+3.2×0.2)×10-6=72.576万元。

改造前射水泵除垢及维护费用20万元/两年(两台泵,按每两年维护计算),改造后多级蒸汽喷射器抽真空系统无转动部件,无机械磨损、运行稳定、无需维护,每年节约维护费用10万元。该机组原射水泵电机功率为155kW/h,按目前发电成本0.33元/kWh,发电利用小时数7000h计算节省厂用电155×7000×0.33=35.805万元[5],蒸汽喷射装置需消耗0.8t/h动力蒸汽,理论上认为每消耗1吨0.4MPa的动力蒸汽影响煤耗增加0.17g/kW·h,消耗0.8t/h动力蒸汽将会影响机组煤耗增加0.136/kW·h。计算动力蒸汽的全年消耗成本为300×103×7000×(0.136×10-6)×500=14.28万元,则该300MW机组经增加蒸汽喷射器抽真空系统改造后每年的经济收益大概为72.576+10+35.805-14.28=104.101万元。

4 结语

通过对某300MW凝汽式汽轮机组进行凝汽器热力计算,可以发现蒸汽喷射抽真空系统可以很好的解决由于工作液温度过高导致的射水泵抽吸能力下降问题,提高了凝汽器真空,达到了节能效果。蒸汽喷射抽真空系统的应用节约了厂用电,降低了设备维护成本,改善了原有射水泵噪音大的工作环境,使机组每年可多创造近百万元的经济收益,保证了机组的经济性和安全运行。改造后经过一段时间的实际运行,发现在启停机及机组正常运行期间射水泵需启动配合或处于备用状态,为有效避免射水泵启动及运行过程中的各类问题发生,考虑引入另一路高压厂用汽作为蒸汽喷射抽真空系统的备用及启动汽源。