王 剛 郝 丹

350MW超臨界汽輪機蒸汽冷卻器優(yōu)化設計

王 剛 郝 丹

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

為了提高汽輪機組的經(jīng)濟性，需要對機組的回熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。通過在高壓加熱器上增設外置式蒸汽冷卻器，提高了機組的換熱效率，降低了運行成本。

汽輪機 回熱系統(tǒng) 高壓加熱器 蒸汽冷卻器

機組的回熱系統(tǒng)是減少冷源損失的重要手段。從汽機的不同中間級后抽出部分蒸汽，逐級加熱給水，使其最終達到合適的給水溫度并進入鍋爐或蒸汽發(fā)生器，從而減少排汽量，降低排汽余速損失，降低凝汽損失，使熱耗明顯下降。根據(jù)朗肯循環(huán)定義，提高平均吸熱溫度能提高循環(huán)效率，所以采用更多的回熱級數(shù)能進一步降低機組的熱耗，提高機組的經(jīng)濟性。

汽輪機組工作的熱力過程中主要能量損失是蒸汽在冷端的凝汽放熱損失，回熱抽汽系統(tǒng)過熱度大，傳熱溫差大，致使回熱換熱過程的不可逆，導致?lián)Q熱損失增加。對350MW超臨界機組回熱系統(tǒng)過熱度較大的高壓加熱器增設外置式蒸汽冷卻器，可以有效減少機組的這一部分損失，充分利用汽輪機回熱抽汽過熱度，提高機組循環(huán)熱效率，從而提高機組的經(jīng)濟性。

1 外置式蒸汽冷器結(jié)構(gòu)及工作原理

外置式蒸汽冷卻器主要采取正置式U型管的布置方式，可有效節(jié)省空間。蒸汽冷卻器殼程采用單流程，管側(cè)采用雙流程，換熱的方式采取混合式折流換熱，即過熱蒸汽從蒸汽冷卻器的尾部進入設備，經(jīng)多級折流板折流，以提高整個設備的換熱效率，換熱后，蒸汽從靠近管板一側(cè)流出，可有效降低管板的設計溫度，降低材料成本。要避免過熱蒸汽從管板一側(cè)流入帶來的不安全因素。

2 外置式蒸汽冷卻器的連接方式

外置式蒸汽冷卻器是回熱系統(tǒng)的一個獨立加熱器，按連接方式的不同，可分為串聯(lián)式與并聯(lián)式。如圖1、圖2所示。

圖1　外置蒸冷器串聯(lián)布置原則性系統(tǒng)圖

圖2　外置蒸冷器并聯(lián)布置原則性系統(tǒng)圖

外置式蒸汽冷卻器與高壓加熱器不同的連接方式對熱力系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響是不同的。一般來說，串聯(lián)方式的優(yōu)點是進水溫度高，傳熱平均溫差小，缺點是增大了給水系統(tǒng)的阻力，蒸汽的過熱度利用相對較少，因此，增加的回熱抽汽量少。相反，并聯(lián)方式的優(yōu)點是給水系統(tǒng)阻力小，蒸汽的過熱度利用多，缺點是進水溫度低，傳熱溫差大，特別是給水分流后進入下游高壓加熱器的給水量減少，這將有可能導致總的回熱抽汽量大幅減少，對機組的經(jīng)濟性有較大影響。以3號高壓加熱器單級串聯(lián)與并聯(lián)外置式蒸汽冷卻器為例，并聯(lián)設置時從3號高壓加熱器出口引取部分給水到蒸汽冷卻器，加熱后到1號高壓加熱器出口與主給水混合。由此可以看出，蒸汽冷卻器的進水溫度要比串聯(lián)方式低得多。

由上述可見，外置式蒸汽冷卻器采取串聯(lián)方案，在機組經(jīng)濟性、安全性和運行穩(wěn)定性上均優(yōu)于并聯(lián)方案。

3 外置式蒸汽冷卻器下端差的選擇

外置式蒸汽冷卻器的工作原理主要是通過加大回熱抽汽量、減少冷端損失，從而提高經(jīng)濟性。因此，回熱抽汽量增加得越多，經(jīng)濟性的收益就越好。由熱平衡原理可知，增設外置式蒸汽冷卻器后，回熱抽汽量的增量僅由蒸汽冷卻器的下端差，即給水進口與蒸汽出口的傳熱溫差決定，因此，經(jīng)濟性收益就完全由蒸汽冷卻器的下端差決定。以3#高壓加熱器串聯(lián)一個外置式蒸汽冷卻器為例，分別按照不同的下端差進行計算，具體如表1所示。

由表1可知，外置式蒸汽冷卻器下端差取得越小，進入加熱器的蒸汽溫度就越低，回熱抽汽量的增加就越多，經(jīng)濟性的增益就越好。但是，蒸汽冷卻器下端差取得較小，則其傳熱量將增加，同時，傳熱溫差減小，所需的傳熱面積將增大，相關設備的投資成本升高。因此，蒸汽冷卻器下端差的選擇需要綜合評估確定，既要有良好的經(jīng)濟收益，又要保證蒸冷器具有合適的換熱面積。目前，350MW等級超臨界機組在設計過程中蒸汽冷卻器的下端差一般取8℃～40℃。

表1　不同下端差的經(jīng)濟效益

4 增設外置式蒸汽冷器經(jīng)濟性說明

高壓加熱器殼側(cè)壓力降較低，單臺高壓加熱器的總壓降應不大于0.1MPa，在殼側(cè)設計運行工況時，通過高壓加熱器的總壓力損失不超過高壓加熱器級間壓差的30%，以此來確保高壓加熱器疏水暢通，不會出現(xiàn)反向換熱等現(xiàn)象。同時，在低負荷運行工況下，保證進入高壓加熱器的蒸汽仍帶有一定的過熱度，使高壓加熱器過段內(nèi)不會出現(xiàn)露點，保證高壓加熱器的安全運行。按照此要求，選擇外置式蒸汽冷卻器合理的連接方式及下端差非常重要。

350MW超臨界機組回熱系統(tǒng)中3#高壓加熱器串聯(lián)一個外置式蒸冷器，同時，下端差為8℃時，機組的最終給水溫度增加了3.6℃，熱耗降低了14.4kJ/kW·h（參見工況一）。

5 結(jié)論

350MW超臨界機組回熱系統(tǒng)中增設外置式蒸汽冷卻器尤為必要，且該設備已被廣泛應用于各等級汽輪機組中，通過增加該設備，提高了汽輪機組的最終給水溫度，降低了機組的熱耗及汽輪機組的經(jīng)濟運行成本，在節(jié)能降耗方面發(fā)揮了重要作用。

[1]宋漢武，陳德昌，柏采章，等.火電站系統(tǒng)與輔機[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

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350MW Supercritical Turbine Steam Cooler Oprimal Design

WANG Gang,HAO Dan
(Herbin Turbine Conpany Limited,Herbin 150046)

In order to improve the economics of steam turbines, the regenerative system of unit needs to be optimized, by additional external steam at high pressure heater-cooler improves the heat transfer efficiency of the unit, reducing running costs.

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