郑殿锋

（哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090）

汽轮机组低真空改造原理及凝汽器的优化设计

郑殿锋

（哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司，哈尔滨150090）

文中说明了未来一些地区机组低真空改造的必要性，通过对大连泰山电厂低真空改造凝汽器优化设计的分析和实际应用，提出了低真空改造对凝汽器的要求和需改造的部件，以及需注意的方面，涵盖了设计到运行方面的要求，为今后电厂的低真空改造提供设计依据和参考。

低真空；改造；凝汽器；优化设计

0 引言

随着我国经济的发展，工业化进程加快，农村劳动力向城市集中，城区面积逐年变大，城市供暖要求也逐渐变大。但受地理条件制约以及政府整体规划要求，并不能在所有需要供暖的地方建设新的供热电厂，而原有电厂的供暖能力还不足，所以在原有机组上进行改造，余热再利用，增加机组效率，增大供暖面积就成了当下一些电厂势在必行的改造方案［1］。

以大连泰山电厂为例，该电厂的135MW机组是由哈尔滨汽轮机厂生产的超高压、一次中间再热、双缸、单轴、双分流、双抽、凝汽式汽轮机，凝汽器设计背压4.9 kPa。电厂热效率仅为38%左右，近60%的热量白白的损失掉，其中最大损失为凝汽器的冷源损失，约占总损失的60%。为了充分利用这部分冷源损失，改造后，在供暖期通过低真空运行将供热系统的热网循环水引入凝汽器作为冷却循环水，提高汽轮机的排汽压力，降低凝汽器的真空度，增加排汽温度，利用排汽的汽化潜热加热热网循环水，这样不仅提高热网循环水水温，还提高了整机的热效率。该机组改造过程中核心的改造部件之一为凝汽器，因为改造前后机组运行条件变化非常大，对于凝汽器的换热及强度方面要求的都非常高，这里着重对该电厂135MW机组的低真空改造的凝汽器改造方案做一下详细介绍。

1 汽轮机组低真空改造原理

1）原机组运行方式。主要是纯凝工况和抽汽供暖工况运行，纯凝时循环水系统和热网系统自成一体，运行示意图见图1。

纯凝运行时关断阀12关闭，锅炉加热的蒸汽依次进入高压缸、中压缸、低压缸，低压转子拖动发电机发电，做完功的蒸汽进入凝汽器，蒸汽被凝结后通过低加、除氧器、高加加热后再回到锅炉，形成一个闭式循环系统。此时凝汽器所用冷却介质一般为系统外冷却水；当机组在冬季需要供暖时，关断阀12打开，一部分蒸汽通过热网加热器加热供暖水，供暖水经过泵进入到千家万户，供暖后冷却下来的水再回到热网加热器被加热，以此循环运行。

2）机组改造内容。机组对低压通流部分进行改造，保证机组背压提高，排汽温度提高到75～80℃，满足机组背压提高的安全性；对凝汽器重新进行计算和改造，满足凝汽器温度升高和水室压力增大的安全性；对热网一次网回水管路、热网泵和加热器进行核算改造，将热网一次网回水引入凝汽器水侧，用于吸收汽轮机乏汽热量，提高一次网供水温度，然后串联到一次网热网加热器进行二次加热，实现对外供热。

图1 机组改造前运行示意图

3）机组改造后的运行方式。在采暖供热期间低真空循环水供热工况运行时，机组纯凝工况下所需要的冷水塔及循环水泵退出运行，将凝汽器的循环水系统切换至热网循环泵建立起来的热水管网循环水回路，形成新的热交换系统。循环水回路切换完成后，进入凝汽器的水流量降至6 000～9 000 t/h，凝汽器背压由5～7 kPa左右升至30～45 kPa，低压缸排汽温度由30～40℃升至69～78℃（背压对应的饱和温度）。经过凝汽器的第一次加热，热网循环水回水温度由50℃提升至66～75℃（凝汽器端差3℃），然后经热网循环泵升压后送入首站热网加热器，将热网供水温度进一步加热后供向一次热网，见图2。

图2 机组改造后运行示意图

机组在纯凝工况运行时，退出热网循环泵及热网加热器运行，恢复原循环水泵及冷却塔运行，凝汽器背压恢复至5～7 kPa。

2 低真空改造后对凝汽器的影响

低真空供热改造后，排汽压力、温度均相应升高，凝汽器壳体及换热管膨胀量均有较大变化，并且管束内部循环水压力、温度都有较大提高，对于凝汽器管束的胀口强度、运行寿命等都有很大影响。

3 低真空改造后对凝汽器的优化设计

1）改造后对凝气面积的优化设计。改造后循环水温、水量都发生变化，凝汽器面积要求重新核算，一般情况凝汽器面积都会增加，如果增加则需要对凝汽器内部管束进行更换或增加管子，以保证凝汽器面积［2］。

2）运行温度高对凝汽器强度方面的影响和改进：改造后循环水温度升高，由于换热管与凝汽器壳体材质不同，因此受热膨胀影响也不同，此时应该重新换热管和凝汽器壳体的热膨胀量，尤其换热管是铜管的凝汽器受热膨胀影响更大，容易产生换热管和管板之间的开焊，导致泄漏，应将铜管换成不锈钢管，同时在凝汽器的膨胀方向上设置膨胀节。另外，由于温度高，垂直方向上的热膨胀量也增大，如果原机组为弹性支撑，则热膨胀所产生的力将作用在低压缸的底座上，有将低压缸顶起的趋势，存在安全隐患，因此弹性支撑的膨胀节应改成刚性支撑（大连泰山电厂改造时在凝汽器后水室侧设置了膨胀节，同时将弹性支撑改成刚性支撑，凝汽器上部与低压缸连接部位改成膨胀节结构，见图3）。

图3 凝汽器优化设计改动部分

3）低真空供暖期热网水量小对凝汽器的影响和改进。改造后循环水由冷却塔冷却改成热网水冷却，此时水量相当于正常THA工况运行时的50%，此时凝汽器内水速降低，以大连泰山电厂为例，改造前纯凝工况循环水量大约18 000 t/h，设计水速2.1 m/s，改造后供暖期循环水量7 600 t/h，此时水速只有0.9 m/s（见图4），如果循环水混浊，混浊物容易在凝汽器换热管内壁堆积，降低凝汽器换热效果，此时应关闭其中一侧循环水阀门，使凝汽器半侧运行的方式，此时凝汽器管内流速大约1.8 m/s（见图5），满足运行要求［3］。

图4 改造前凝汽器冷却水速与水量关系图

图5 凝汽器半侧运行冷却水速与水量关系

4 结论

机组的低真空改造对于电企以及政府的规划有着重要意义，适应当前节能高效的企业发展要求，解决了许多电厂面临的实际问题。电厂前期需对周边的热用户发展情况做充分调研，结合企业自身的机型特点，制定适应合理的改造方案非常重要。这其中凝汽器的改造更要结合实际运行需要，载荷变化、温度变化、压力变化、介质变化等等，要做详细设计和改造方案，才能保证改造后的机组高效稳定运行。

［1］ 李勤道，刘志真.热力发电厂热经济性计算分析［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［2］ 中国动力工程学会.火力发电设备技术手册［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］ 史月涛，丁兴武，盖永光.汽轮机设备与运行［M］.北京：中国电力出版社，2008.

（编辑：立 明）

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1002－2333（2014）04－0264－02

郑殿锋（1979—），男，工程师，主要从事汽轮机辅机设备设计工作。

2014-02-13