尖峰凝汽系统在350 MW 空冷机组上的应用

黄文兵， 王自发， 唐义洪

（1.德阳东汽电站机械制造有限公司， 四川德阳， 618000； 2.中广核新能源德令哈有限公司， 青海德令哈， 817000）

新疆某6×350 MW 机组， 为国产亚临界、 一次再热、 双缸双排汽、 直接空冷凝汽式汽轮发电机组。 夏季室外气温超过37 ℃时， 即使ACC 风机60 Hz 运行汽轮机背压也无法降至限制值， 而不得不采取降低发电负荷的运行方式。 为了提高机组夏季运行经济性和灵活性， 电厂于2014 年增设尖峰冷却系统， 采用湿冷凝汽器加机力通风冷却塔的技术方案。

1 尖峰凝汽系统概述

图1 为尖峰凝汽系统图。

图1 尖峰凝汽系统图

从图1 可以看出： 从空冷排汽管道中分流一部分汽轮机排汽至尖峰凝汽器中用循环冷却水进行冷却。 尖峰凝汽器冷却面积4 000 m2； 设计冷却水温38 ℃； 设计冷却水量8 000 t/h； 设计背压20 kPa。 被尖峰凝汽器加热的循环冷却水通过机力通风冷却塔进行冷却， 2 台尖峰凝汽器共用1 台机力通风冷却塔， 其设计冷却水量16 500 t/h， 采用三塔三风机配置， 单塔直径9.75 m。 每台尖峰凝汽器配置3 台（两用一备）循环水泵。 尖峰凝汽器抽真空管接入ACC 抽真空管道， 凝结水自流回排汽装置热井。

2 关键点设计

2.1 尖峰凝汽器的隔断阀门

类似工程通常都会在尖峰凝汽器喉部上方或引流蒸汽管道上装设电动蝶阀以便尖峰凝汽系统停运时与ACC 空冷系统隔断。 本工程乏汽引流管口径为DN3500， 由于项目投资预算的限制无法购买密封性能较好的进口蝶阀， 其他工程反馈装设国产蝶阀在冬季尖峰凝汽系统正常停运或故障停运检修时由于阀门密封不严导致机组真空严密性不合格， 达不到与ACC 系统隔离的效果， 因此本项目选择不设隔断阀门。 不设隔断阀门属类似工程首创， 面临两方面的风险： （1）机组运行而尖峰凝汽系统停运时凝汽器汽侧空间充满蒸汽， 换热管“干烧”， 在尖峰凝汽系统停运期增加了机组管道系统空间， 加大了真空泄漏风险； （2） 尖峰凝汽系统投运期间换热管管口泄漏导致凝结水水质不合格无法在线检修， 机组必须停机。 其解决措施为： （1）制定严格的检查监测措施提升设备制造安装质量水平， 降低设备故障的概率； （2）制定严格的尖峰系统运行维护规范， 每个机组小修期必须对尖峰凝汽器的换热管管口、 人孔等影响汽侧密闭性的各关键零部件进行检查维护， 每个大修期必须对尖峰凝汽器进行灌水查漏试验以确保凝汽器的真空严密性合格。 尖峰凝汽系统运行至今5年未出现因尖峰凝汽系统故障无法与ACC 隔离而停机的情况。

2.2 尖峰凝汽器的保温

工程所在地冬季最低气温达零下40 ℃， 尖峰凝汽系统停运时由于未设置隔断阀门， 凝汽器汽侧空间始终充满蒸汽， 存在部分蒸汽与低温壁面接触冷凝甚至结冰的可能。 通过分析， 凝汽器汽侧空间不断有热蒸汽进入并加热壳体壁面最终达到热平衡状态， 在此状态下凝汽器壳体壁面金属温度由外至内逐渐升高并始终保持在蒸汽凝结温度附近[1]， 尖峰凝汽器壳体视为排汽方管可辅助蒸汽冷凝。 另外， 考虑到凝汽器热井内的凝结水自流回排汽装置时被低温空气冷却而过冷， 影响排汽装置热井内凝结水的过冷度和含氧量， 因此本工程改变其他项目对尖峰凝汽器整体保温的做法而是只在热井及凝结水回流管敷设保温层， 凝结水回流管附电伴热装置， 凝汽器壳体及喉部区域未敷设保温层。 尖峰凝汽系统投运至今经过5 年运行反馈其在冬季尖峰系统停运室外温度低至-35℃时凝汽器壳体壁面也未出现结冰现象， 且实测其壁面温度依然保持在30 ℃附近， 验证了前述分析， 排汽装置内的凝结水过冷度也未超过限制值。

2.3 乏汽引流管设计

有些尖峰凝汽系统工程仅对新增引流管道进行应力分析， 只考虑新增管道对原ACC 管系的推力情况而不做整体柔性分析， 或仅用CAESARⅡ软件进行分析而不结合ANSYS 对管道应力集中的位置做局部校核分析， 这些做法都不严谨。 一方面新增引流管道必定会改变原ACC 排汽管系的柔性状态及支吊架受力情况， 另一方面CAESARⅡ软件的计算原理是把管道简化处理成梁单元， 其适用的条件是管道外径/壁厚＜100 mm， 尖峰蒸汽引流管属大管径薄壁管道， 其自身径向刚度较弱，明显已超过此适用范围[2]。 本工程采用商用管道应力有限元分析软件CAESARⅡ对加装尖峰凝汽系统后的ACC 空冷管系进行整体柔性分析[3]，并利用ANSYS 软件对开孔位置进行强度校核， 同时改变类似工程设置成本高昂的配对铰链补偿器或配对横向大拉杆补偿器的做法，在合理位置设置曲管压力平衡补偿器即能保证管系的一次二次应力校核通过又能吸收膨胀节波纹管本身的负压盲板力[4]，保证设备安全的同时降低投资成本。 图2 为加装尖峰凝汽引流管后的ACC 排汽管道计算模型， 图3 为引流管接口开孔局部应力校核结果。

图2 加装尖峰凝汽引流管后的ACC 排汽管道计算模型

图3 引流管接口开孔局部强度校核结果

3 尖峰凝汽系统运行后的节能效果

加装尖峰凝汽系统后因水源取水限制， 循环水量一直无法达到设计值（单台凝汽器8 000 t/h），而是稳定在4 000 t/h 左右， 所以循环水泵一直采取单泵运行的方式， 机力通风塔采用两塔两风机运行方式。 表1 为1 号机组未加装尖峰凝汽系统2014 年夏季性能表现， 和尖峰凝汽系统投运后2017 年夏季性能表现（因期间室外温度低于25 ℃时ACC 风机降频运行， 所以厂用电平均用电量反而比加装尖峰之前更低）。

表1 1 号机组2014 年（未加装尖峰凝汽系统）和2017 年（加装尖峰凝汽系统后）夏季性能表现

对比1 号机组2014 年和2017 年的夏季运行数据可知， 在平均室外气温接近和机组发电量接近的情况下， 加装尖峰凝汽系统之后机组平均背压降低5.8 kPa， 机组平均供电煤耗降低10.43 g/kWh， 单台机组夏季节省标煤10 513.4 t， 经济效益显著。

4 小结

本项目加装尖峰凝汽系统后切实解决业主因夏季室外气温高机组出力受限的问题， 提高了机组发电经济性。 不设尖峰凝汽系统隔断阀门在国内工程尚属首例， 凝汽器仅在热井范围和凝结水回流管敷设保温层通过实际运行检验合理可靠，尖峰蒸汽引流管通过CAESARⅡ和ANSYS 相结合的方式进行有限元分析并在合理位置设置曲管压力平衡补偿器， 既满足管道柔性设计要求又节约投资成本。 尖峰凝汽系统投运5 年， 运行情况良好， 在循环水量远小于设计值的情况下节能效果依然显著。