供热汽轮机组双温区凝汽器设计

杨 志 马咏梅 赵静林 宫传瑶

(1.四川大学机械工程学院，四川610065；2.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川618000)

“节能减排”是我国经济社会发展的一个重要任务。提高能源利用率、加强余热回收利用是节约能源、降低碳排放、保护环境的根本措施。普通热电联产汽轮机组中，冬季供热的排气损失约占燃料总发热量的40%，而采用高背压供热技术，不仅能回收这部分排气损失，提高汽轮机效率，而且能够大大提高供热能力。

高背压供热技术是指在冬季供热时，降低汽轮机的做功能力，提高低压缸的排气压力，使进入凝汽器的排气汽化潜热较高，进而能够加热热网循环水，使之达到供热所需温度要求，在非供热期，机组采用纯凝工况运行，凝汽器背压恢复至纯凝工况设计值。目前，高背压供热技术已广泛应用于供热新机，以及目前面临关停风险的老汽轮机组的改造中。

1 凝汽器结构形式

凝汽器作为汽轮机组重要的换热设备，其性能对机组效率的影响很大。利用汽轮机乏汽加热热网水是回收乏汽热量的一种形式，可以对乏汽的热量进行部分或全部回收。全部回收：供热期采用热网水进行冷却，即单温区形式，如图1所示。部分回收：供热期采用热网水和循环水进行冷却，即双温区形式，如图2所示。

图1 单温区形式

图2 双温区形式

单、双温区凝汽器结构无差别。单温区采用热网水进行冷却，双温区采用热网和循环水进行冷却。双温区凝汽器分供热区和循环水区，供热区热网水量和进口水温不变，通过调整循环水区的水量和水温来分配两个温区的热负荷，两个温区热负荷不同、冷却管内流速不同。单温区凝汽器左右两侧的水量、水温、热负荷、冷却管内流速均相同。

2 两种温区形式的优劣

采用单、双温区主要考虑需要回收热量的多少，同时考虑整体的经济性。

单温区形式的优点：乏汽热量均可回收，消除了冷端损失。缺点：由于受热网水温及水量的限制，背压较高，对纯凝期的影响较大，在热网故障时，无法保证机组运行。

双温区形式的优点：采用热网水及循环水进行冷却，背压较低，对纯凝期的影响较小；在热网故障时，当循环水水量、水温满足限定值时，凝汽器单侧运行，可以保证不停机。缺点：乏汽热量部分回收，存在冷端损失。

3 双温区凝汽器方案设计

根据某工程的实际情况采用一台机组进行乏汽热量回收，其型式为单壳体、单背压、双流程、表面式凝汽器。供热要求：

单台机热网水量：10 000 t/h。

入口水温：50℃。

出口水温：68℃。

背压：33 kPa。

采用双温区方案，即将凝汽器进行分区，每个温区采用不同冷却水进行冷却，采用每个温区面积相等原则进行划分，每个温区面积为11 000m2；其中第一个温区采用循环水进行冷却，第二个温区采用热网水进行冷却，每个温区的热负荷自动分配。为了保证热网水(第二个温区)带走的热量保持恒定或者进行调节，采用对循环水侧的水量及温度进行调整的方式(对循环水泵及冷却塔进行调整)。

凝汽器的设计要满足纯凝工况及供暖期的要求，以T-MCR为设计工况，校核TRL工况。凝汽器数据见表1。

表1 凝汽器数据

双温区高背压凝汽器整体布置及结构基本同我公司常规350 MW机组配套的凝汽器，采用单背压双流程型式。共分四个水室，如图3。水从中间进，两头出，四个水室分别对应四组管束I、II、III、V。纯凝工况，I、II、III、V管束投运；采暖期，I、II管束为第二温区，采用热网水进行冷却，III、IV管束为第一温区，采用循环水进行冷却。

图3 双温区高背压凝汽器整体布置形式

在供热期，凝汽器采用双温区运行。两个温区管侧温度不同，造成两个温区膨胀不同，在每个温区的管束上安装膨胀节，来吸收膨胀差。采暖高背压供热，凝汽器参数见表2。第一温区循环水量与进口水温、冷却管内流速的关系见表3。

表2 凝汽器参数

由表3可知，采暖期双温区凝汽器供热区冷却管内热网水流速低，冷却管易结垢，需经常投入胶球清洗。

表3 第一温区各参数的关系

供热期间，空冷岛有最小防冻流量，510 mm末叶汽轮机凝汽器背压停机值为65 kPa，要保证机组运行不停机，即背压不超过65 kPa，凝汽器所需最小循环水量为9150 t/h，循环进口水温为50℃。当循环进口水温发生变化，所需最低循环水量也会发生变化，相应变化关系见表4。

表4 不同循环水温对应的最低循环水量

4 双温区凝汽器设计注意事项

与常规凝汽器相比，双温区凝汽器背压高，热网回水设计水压为1.5 MPa，汽侧与水侧及温区间的温差引起膨胀，需适应高背压双温区供热凝汽器冷却水温的变化，凝汽器需校核水室、管板及冷却管强度，采取以下措施：

(1)在凝汽器喉部接颈位置增加一组水幕保护装置；

(2)在端管板与壳体之间增加膨胀节；

(3)在水室下增加滑动支座；

(4)提高水室设计压力；

(5)增加端管板厚度至130 mm；

(6)冷却管均采用0.7 mm的厚壁管。

双温区高背压供热凝汽器外形见图4。

图4 凝汽器外形图

5 结语

高背压供热双温区凝汽器技术已逐渐广泛应用于大型热电联产项目，比常规抽汽供热机组的供热能力提高14%，提高了供热收益，可有效缓解部分城市供热能力不足的问题。同时，双温区技术是在成熟的凝汽器设计基础上开发的，有保证安全的措施。高背压供热双温区凝汽器技术不仅提高了热电厂的供热能力，增加了热电厂的供热面积，在供热的同时还能发一部分电，有良好的经济效益。

针对该工程的特殊要求及边界条件，对现有火电机组凝汽器进行优化设计，总体方案成熟，安全可靠性高，经济性良好。采用此技术，符合国家节能减排政策，增加了热电厂的供热能力，产生了可观的经济效益。该技术已成熟应用于热电联产新机组及老机组高背压供热改造中，凝汽器运行良好。