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多压凝汽器在200MW汽轮机组中的应用

发布时间：2011/4/16 阅读次数：2270 字体大小: 【小】【中】【大】

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多压凝汽器在200MW汽轮机组中的应用

丁学俊　冯慧霞　胡平放　

　　摘要　论述了多压凝汽器的特点及节能原理，分析了多压凝汽器在200MW机组中的应用前景，设计了三压凝汽器，进行节能效果计算，并探讨了已投运的200MW机组的凝汽器改为三压的可行性。结果显示：在高水温地区或用冷水塔的200MW机组使用三压凝汽器可以提高机组的的经济性。
　　关键词　多压凝汽器　汽轮机　经济性
　　中图分类号　TK264.11

The Use of a Multi－pressure Condenser in a 200 MW Steam Turbine Unit

Ding Xuejun, Feng Huiwen
Central China University of Science & Technology
Hu Pingfang
Wuhan Municipal Construction Institute

　　Described in this paper are the specific features of a multi－pressure condenser and its energy－saving fundamentals. An analysis is given of the application prospects of such condensers in 200 MW units. A triple－pressure condenser has been designed with its energy－saving effectiveness calculated. In addition, the authors also discussed the possibility of modification of a condenser to triple－pressure for a 200 MW unit currently in operation. It is shown that the use of triple－pressure condensers in a region with a high water temperature or in the case of a cooling tower being employed can lead to an enhanced economical operation of the power plants.
　　Key words: multiple－pressure condenser, steam turbine, economy

1　前言

　　凝汽器的设计与运行水平关系着火电厂的经济性。多压凝汽器是一项在基本不增加设备投资的条件下，提高火电厂经济性的技术措施。已在美国、俄罗斯和日本等国得到广泛应用。我国在引进制造技术的600MW汽轮机组及有些进口的大型机组中也采用了多压凝汽器。一般多压凝汽器多用于大型汽轮机组(如俄罗斯的500MW以上机组)，但是日本牧港电站的125MW机组采用双压凝汽器也取得了成功的经验。因此，分析与探讨200MW机组采用多压凝汽器的经济性和可行性确有必要。

2　多背压凝汽器的节能原理

　　图1为流体温度沿凝汽器冷却面积变化的曲线。若三压凝汽器各个汽室中的凝汽量为单压凝汽器凝汽量的1／3，由于冷却水的总吸热量相同，单压和三压凝汽器的冷却水最终出口温度相同。但是，在传热过程中，三压凝汽器中冷却水的温度比单压中的低，图1中分别用实线和虚线表示。

图1　凝汽器的流体温度分布

　　t_s1、t_s2和t_s3分别为三压凝汽器中各汽室的排汽温度，ts为单压凝汽器的排汽温度。文献［1］推导了单压和多压凝汽器的平均排汽温度之差，即
　　

(1)

　　式(1)中δ_t、δ_t1、δ_t2、δ_t3与传热系数有关，而传热系数又与该汽室冷却管进水温度有关，所以在一定的冷却水温升Δt情况下，Δts为正值，即三压凝汽器的平均压力低于单压的压力，从而提高了汽轮机的作功能力。
　　另一方面，如果把低压室和冲压室的凝结水导入高压室，使其与高压室的蒸汽直接接触而被加热到高压室的饱和温度，这样在最末一级低压加热器出口比焓值保持不变(与单压凝汽器相比)的条件下，减少了低压加热器的抽汽量，使得该级之后的蒸汽流量增加，输出功率增大，经济性进一步提高。
　　
3　国产200 MW机组采用三压凝汽器的方案选择与设计

　　国产200MW机组是全国各大电网的主力机型之一，其运行经济性关系到发电成本。据统计^［4］200MW机组全国平均供电煤耗率379.8kg／（kw^.h），汽轮机高压缸效率比世界水平低7%，低压缸效率比世界水平低8%～11%。提高高、低压缸效率的工作量大、投资大，而采用多压凝汽器则可减少投资且容易实现。
3.1　方案选择
　　200MW汽轮机为三缸三排汽、配用N－11220－1型凝汽器，其型式为三壳体单背压表面式双流程横向布置。设计参数：冷却面积3×3740m²＝11220　m²；冷却水量3×8333　t／h＝25000　t／h；冷却水温20℃；水阻0.047MPa(4.81mH₂O)；铜管规格Φ25×1×8470；铜管根数3×5667根＝17001根。据此，所选用的多压凝汽器为三压，即每一个排汽口对应一个汽室。从现有凝汽器的改造及新生产的凝汽器角度出发，进行三压凝汽器的方案选择。
　　现有凝汽器改为三压凝汽器时，冷却水管中流速必须符合原设计限制。简单地改为双流程三壳三压或单流程三壳三压都不能符合要求。可采用“混合型”方案。即去掉各壳体之间的蒸汽连通管，将其中二个壳体的水室由双流程改为单流程，让冷却水量的2／3顺序流过这二个水室，余下的一个壳体不做任何改变，从而形成图2所示的“三压凝汽器”。
　　新设计的三压凝汽器基于经济性及便于制造等方面的考虑，分别进行双流程和单流程的设计计算比较。

图2　混合型三压凝汽器

3.2　多压凝汽器的热力计算
　　多压凝汽器工程热力计算的基本原理、方法和步骤与单压凝汽器完全相同。要确定一台汽轮机组是否采用多压凝汽器，必须根据预期的运行条件对潜在的热增益和初投资进行分析、论证，然后再着手多压凝汽器的设计计算，步骤如下：
3.2.1　根据汽轮机组热力计算所提供的有关数据，设计单压凝汽器。该单压凝汽器应当是设计凝汽器选择的基本条件后得出的最佳方案，以此作为设计多压凝汽器的比较标准。对于200MW机组，只需进行校核计算即可，其计算结果与原始设计稍有差别，列于表1中。

表1　国产200MW机组单压和三压凝汽器各种方案计算结果

名　　称	校核计算	混合型三压			双流程三压			单流程单压	单流程三压			单流程单压	单流程三压
名　　称	校核计算	低压	中压	高压	低压	中压	高压	(Fc不变)	低压	中压	高压	(pc不变)	低压	中压	高压
凝汽量qc，kg／s	108.3	36.1	36.1	36.1	36.1	36.1	36.1	108.3	36.1	36.1	36.1	108.3	36.1	36.1	36.1
冷却水进口温度t_w1,℃	20	20	20	24.293	20	22.862	25.724	20	20	22.862	25.724	20	20	22.862	25.724
冷却水温升Δt,℃	8.586	4.293	8.586	4.293	2.862	2.862	2.862	8.57	2.862	2.862	2.862	8.586	2.862	2.862	2.862
冷却水出口温度t_w2,℃	28.586	24.293	28.586	28.586	22.862	25.724	28.586	28.57	22.862	25.724	28.586	28.586	22.862	25.724	28.586
冷却水流量qw,kg/s	6944.4	4629.6	2314.8	4629.6	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4	6944.4
传热面积F_c,	11356	3785.3	3785.3	3785.3	3835.5	3775.5	3747.0	11358	3826.2	3777.3	3754.5	12034	4062.3	3998.3	3973.4
传热系数K,W/（m²,℃）	2957.3	2792.7	2957.3	2959.3	2956.1	3058.5	3138.7	2631.1	2617.2	2745.2	2798.5	2790.6	2953.0	3057.0	3138.0
排汽温度t_c,℃	32.525	30.20	32.525	34.060	28.85	31.58	34.31	33.35	29.82	32.71	35.16	32.525	28.46	31.22	33.89
对数平均温差Δt_m,℃	7.422	7.869	7.422	7.415	7.29	7.17	7.09	8.34	8.26	8.00	7.93	7.422	6.89	6.78	6.69
流程数z	2	1	2	1	2	2	2	1	1	1	1	1	1	1	1
凝汽器压力pc,kPa	4.90	4.29	4.90	5.34	3.97	4.64	5.33	5.13	4.11	4.78	5.45	4.90	3.90	4.50	5.30
平均力,kPa		4.82			4.64				4.77				4.54

3.2.2　多压凝汽器的设计前提为：多压凝汽器的冷却面积和冷却水量与单压凝汽器的相同；进入多压凝汽器各汽室的蒸汽量相同。其和等于单压凝汽器的凝汽量；各室的冷却水温升相等，第一压力段冷却水的出口温度等于第二压力段冷却水的入口温度，余下类推。
3.2.3　多压凝汽器的最优设计
　　文献［1］推导出单压和多压凝汽器的平均排汽温度差为
　　

(2)

　　式中，n为多压凝汽器的汽室数；Δt为冷却水温升；I_s和δ_t为单压凝汽器的排汽温度和端差；I_si和δ_ti为多压凝汽器第i个汽室的排汽温度和端差，其中

　，K_i和F_i分别为第i个汽室的传热系数和传热面积，q_w为冷却水流量。
　　式(2)中δ_ti在t_w1和其他条件给定的情况下，仅与多压凝汽器的面积分配有关。多压凝汽器的最优设计就是求取冷却面积的最佳分配，使其有最好的经济性，即Δt_s为最大。
　　 g104-1.gif (1746 bytes)

(3)

　　其中F_c为凝汽器的总面积，式(3)为由等式和不等式约束组成的非线性规划，可用混合罚函数法(SUMT)求解。

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