空冷凝汽器调试阶段的常见问题及分析

王 静,刘玉军,王子微

(杭州汽轮辅机有限公司空冷事业部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器调试阶段的常见问题及分析

王 静,刘玉军,王子微

(杭州汽轮辅机有限公司空冷事业部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器的换热效果受环境因素的影响很大,其稳定运行受环境气温、汽轮机背压以及凝结水温度的变化而限制。在空冷系统中,不仅有空冷凝汽器,还包括排汽管道、凝结水收集系统和抽真空系统,体积庞大,结构复杂,空气泄露点多,真空维持困难。因此,在机组运行期间,特别在机组启动调试阶段,空冷凝汽器会出现压力高、凝结水过冷严重等问题,在冬季时甚至会冻结。现以某空冷凝汽器系统为例,针对空冷凝汽器在调试阶段出现的压力高和凝结水过冷严重等问题,经分析原因后,找到了解决办法,并提出了预防措施。

空冷;机组;凝汽器;压力;凝结水;过冷度;汽阻;调试

0 概 述

空冷机组的运行有着显著的节水效果,至今,已相继发展了混凝式间接空冷、表面式间接空冷和直接空冷三种冷却方式,而直接空冷方式更是具有独特的优势。目前,已成为空冷机组采用的主流方式,被广泛应用在电力行业、石油化工等行业。

1 空冷凝汽系统

直接空冷凝汽设备被称为空冷凝汽器(Aircooled condenser ACC),是用空气冷却汽轮机的排汽,通过冷凝将排汽凝结成水。冷凝后的凝结水经除氧后,再进入下一轮的热循环。空冷系统的运行状况,主要受汽轮机背压(空冷器内压力)和凝结水温度的限制,背压过高,将影响汽轮机的出力和效率。凝结水的温度过低,也会影响系统运行的经济性。因此,只有确保适当的汽轮机背压和凝结水温度,才能使系统稳定地运行。

在正常情况下,空冷凝汽器内的压力和凝结水温度是一一对应的,凝结水温度应接近空冷凝汽器压力所对应的饱和温度。当凝结水温度低于该饱和温度时,称为凝结水过冷,二者的差值称为过冷度。过冷度一般在2~5℃,超过此温度范围,说明凝结水过冷。过冷度越大,说明系统的运行状态越差,系统的经济性也就越差。

空冷凝汽器的换热性能受环境温度的影响较大。在夏季,环境温度高,空冷凝汽器的换热效果差。冬季的环境气温低,凝结水容易过冷。在寒冷地区,还会出现冻结现象,这是空冷凝汽器运行时常常遇到的问题。然而,在初期调试阶段,更容易出现汽轮机背压过高等现象。提高风机转速,加大送风量后,可降低背压,但可能使凝结水的过冷情况严重。现分析某型空冷凝汽器在调试时发现的问题,提出了解决办法和预防措施。

2 某型空冷机组及运行数据

2.1 空冷机组的系统布置

某机组的汽轮机型号为KS40/40凝汽式汽轮机,采用了直接空冷凝汽器,汽轮机排汽参数,如表1所示。

表1 汽轮机排汽参数

该机组位于南方地区,地处亚热带湿润季风气候,夏季气温较高,无需考虑冬季冻结的问题,因此,主要考虑夏季凝汽器的冷却性能。设定的设计环境温度为36℃,按汽轮机的最低背压及最大流量值,计算和校核空气凝冷器的冷却面积。在空冷凝汽系统内,包含了凝汽器及数个子系统。

(1)空冷凝汽器

汽轮机排汽管的直径为1 700 mm,从压缩机厂房引至室外空冷器蒸汽分配管入口。空冷器共6个冷却单元,采用K/D系统顺逆结构形式,5个为顺流单元,1个为逆流单元。按照厂区的空间布置结构,空冷器布置在管廊的上方,成1列,管束为60°呈等腰三角形结构(A型)。空冷凝汽系统的结构,如图1所示。

图1 空冷凝汽系统示意图

换热管为大口径圆管钢铝复合翅片管,管排数为4,顺流单元的换热管凝结75%~80%的蒸汽,余下的不凝结汽体及空气将通过逆流换热管排出,避免空冷器在运行时产生局部气死区。在每个空冷器单元的下部,配置了1台由变频电机驱动并配备减速装置的轴流风机,由风机将空气输送到换热管束的表面。冷却换热管内的汽轮机排汽,通过热量交换,将蒸汽冷凝成凝结水。当排汽背压偏离设计值时,系统将自动调节风机转速,以确保证背压在设计范围以内。

(2)凝结水收集系统

蒸汽被凝结成水后,从汇流管进入凝结水箱。然后,通过凝结水箱出口处的凝结水泵,将凝结水送往除氧器,除氧后送入锅炉进行下一次的热循环。

在凝结水汇流管上,装有测温装置,可随时检测凝结水的温度。在凝结水箱上,也装有温度检测仪表。当凝结水温度低于设定的温度范围,系统将自动调节空冷器单元风机的转速,减少冷却空气的输送量,以确保系统的稳定运行。

(3)抽真空系统

抽空气管道安装在逆流管束的顶部,运行时,不断抽离空冷凝汽器中的空气和不凝结气体,以确保系统的真空度和传热性能。抽真空设备为射汽抽气器,启动抽气器的干空气的设计值为408kg/h,主抽气器的干空气设计值为20.4kg/h。射汽抽气器的外形,如图2所示。

图2 射汽抽气器

2.2 运行数据及分析

空冷机组安装完成后,首次进行了调试运行,并检测了空冷凝汽器的运行状况。调试运行时,环境气温为25℃,汽轮机运行工况为50%设计负荷,分别记录了空冷器运行数据和汽轮机背压,同时,还计算了凝结水的过冷度。调试运行时的参数,如表2所示。

表2 调试运行时的参数

2.2.1 汽轮机背压的变化

调试时,汽轮机背压与风机转速的关系,如图3所示。从图3可知,随着风机转速的增加,汽轮机的背压是下降的。当环境温度小于空气设计温度时,在50%机组负荷下,汽轮机的背压大于设计背压。如果继续提高风机转速,背压有所降低,但下降幅度很小。当风机全速开启时,背压只降至27 k Pa,但仍高于设计背压,不利于系统的稳定运行。

图3 汽轮机背压与风机转速的关系

2.2.2 凝结水过冷度的变化

调试时,空冷器凝结水过冷度随风机转速变化的关系图,如图4所示。从图4可知,随着风机转速的增加,凝结水的过冷度越来越大。当风机全速开启后,汽轮机背压稳定,过冷度也将达到定值,此时,过冷度已很大,凝结水的温度已基本接近环境温度。

图4 凝结水过冷度与风机转速的关系

2.2.3 抽气温度的变化规律

调试时,抽气温度随着风机转速变化的关系图,如图5所示。从图5可知,随着风机转速的增加,抽气温度越来越低,最终将接近环境温度,说明当风机转速达到65%以上时,抽气口已经没有蒸汽通过。

图5 抽气温度与风机转速的关系

总之,当环境温度低于设计的环境温度,且机组并未满负荷运行,蒸汽量仅为设计流量的50%,而运行背压却远高于设计背压。当风机转速增加时,对降低背压并没有太大的作用,反而使抽气温度和凝结水的过冷度急剧增加。而且,当参数达到特定值,抽气温度和凝结水温度将接近环境气温。机组调试时存在的这些问题,若在气温较低的西北寒冷地区,极有可能出现设备被冻结现象。

3 原因分析及解决方案

通过数据分析,初步判断出引发问题的主要原因。

(1)抽真空能力不足。根据抽真空设备的选型要求,对于空冷项目,在设计和确定干空气量时,应严格执行HEI标准中的规定。因空冷系统的体积庞大,空气泄漏点较多,所以,至少要求有50%以上的裕量,但干空气量也不能盲目过大,过大的干空气量,将使大量蒸汽未来得及冷凝就被抽出,且抽真空设备的资金投入也会很高。

(2)系统存在泄露点。空冷凝汽系统设备庞大,连接点多。运行前,一定要进行严格的气密性试验,否则,禁止投运空冷器设备。

(3)存在汽阻现象,是因为机组的负荷过低而造成的。由于蒸汽量较少,且环境温度远低于设计环境温度,管束内的蒸汽分配不均匀。部分蒸汽凝结过快,局部形成了真空,蒸汽中未冷凝的少量空气未被及时排除,在管段内形成气泡,阻碍蒸汽的正常流通。汽阻的明显特征就是背压值偏高,凝结水过冷严重。

综合了各方面的原因后,针对问题,采取了解决措施。

首先,检查全部的抽真空设备,核算设备的冷却效能,比对设计数据和实际运行数据。经过排查,发现抽真空设备的运行参数与设计值不相符,实际抽吸量达不到设计方案的要求。因此,对抽真空设备进行了整改,解决了抽真空设备的抽吸量不足的问题。

其次,对整个空冷凝汽系统再一次进行气密性试验,经严格检查后,确保真空度在允许的范围之内。

对机组进行再次试运行,发现背压高、凝结水过冷等问题仍然存在。最后,通过提高汽轮机的热负荷,加大了进入空冷器的蒸汽流量,同时,开启备用抽真空设备,加大抽气能力,问题才得以解决,空冷器的运行正常。

在加大热负荷的初始阶段,汽轮机的背压仍然后会有所上升,此时,不应急于增加风机的转速,如盲目加大风速,汽阻现象仍不能消除,需待汽流稳定,让蒸汽充满整个空冷器,再将中间聚集的空气彻底排出,空冷器内重新达到平衡。这时,再慢慢地提高风机的转速,待压力正常,关闭备用的抽真空设备。

为了尽量避免汽阻的产生,在空冷器的开机阶段,一定要严格按照顺序,先开逆流单元风机,待背压和凝结水温度以及抽气的温度达到设定值后,再开启其它风机。在调试阶段,机组处于低负荷工况,极易产生蒸汽分配不均等现象,此时,设备的换热能力过大,所以,应避免风机的快速启动。此外,为了避免汽阻的产生,在初期阶段,就应从结构设计上避免汽阻的产生,良好的管束布置和结构形式,可降低汽阻的影响,减小凝结水的过冷度,防止空气在管束内的聚集,虽然会增加设备投入成本,但却能提高机组效率。

4 结 语

空冷凝汽器真空度和凝结水温度,是确保汽轮机及系统运行的重要参数。设计结构合理的空冷凝汽器,可提高汽轮机的效率,同时,也节省了运行成本,提高了机组的经济效益。汽阻现象将影响凝汽器的真空度和凝结水的过冷度,影响了热量的利用和抽真空设备的正常运行,所以,应重视和研究汽阻的产生原因和消除措施。

[1]杨立军,杜小泽,杨勇平.直接空冷机组空冷系统运行问题分析及对策[J].现代电力,2006,23(2):52-55.

[2]邓进龙,江平.汽阻对凝汽器的影响和减少措施[J].汽轮机技术,2000,42(1):44-48.

[3]那小桃,郝卫,王宏格.电站直接空冷系统设计探讨[J].电力学报,1999,14(1):8-11.

[4]丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京:水利电力出版社,1992.

[5]宁玉琴,孙奉仲,李飞.凝汽器抽真空系统的增效方法探讨[J].电站系统工程,2010,3(26):41-43.

Common Problems and Analysis in CommissioningPeriod of Air Cooled Condenser

WANG Jing,LIU Yu-jun,WANG Zi-wei
(Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,Zhejiang,China)

The heat transfer efficiency of air cooled condenser is greatly affected by environmental factors,and its stable operation is limited by ambient temperature,turbine back pressure and condensate temperature.In the air cooling system,there are not only air cooled condensers,but also exhaust pipes,condensate collection systems and vacuum pumping systems.They are bulky,complex structures,many air leaks and difficult to maintain the vacuum. Therefore,during the operation of the unit,especially in the start-up and commissioning period of the unit,the problem of high pressure and subcooling of the condenste will occur in the air cooled condenser,and even freeze in winter.In this paper,taking Ningbo petrochemical project as an example,in view of the serious problems of high pressure and serious subcooling of condensate in the commissioning period of the air cooled condenser,the solutions and preventive measures are obtained by finding and analyzing the causes.

air cooled;unit;condenser;pressure;condensate;subcooling;steam resistance;commission

TK264.1

A

1672-0210(2017)02-0007-04

2016-10-12

2016-12-25

王静(1981-),女,工程师,硕士,毕业于华北电力大学,从事汽轮机配套辅机系统的设计工作。