王 靜,劉玉軍,王子微

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司空冷事業(yè)部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器調(diào)試階段的常見問題及分析

王 靜,劉玉軍,王子微

(杭州汽輪輔機(jī)有限公司空冷事業(yè)部,浙江杭州310022)

空冷凝汽器的換熱效果受環(huán)境因素的影響很大,其穩(wěn)定運(yùn)行受環(huán)境氣溫、汽輪機(jī)背壓以及凝結(jié)水溫度的變化而限制。在空冷系統(tǒng)中,不僅有空冷凝汽器,還包括排汽管道、凝結(jié)水收集系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng),體積龐大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空氣泄露點(diǎn)多,真空維持困難。因此,在機(jī)組運(yùn)行期間,特別在機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試階段,空冷凝汽器會(huì)出現(xiàn)壓力高、凝結(jié)水過冷嚴(yán)重等問題,在冬季時(shí)甚至?xí)鼋Y(jié)。現(xiàn)以某空冷凝汽器系統(tǒng)為例,針對(duì)空冷凝汽器在調(diào)試階段出現(xiàn)的壓力高和凝結(jié)水過冷嚴(yán)重等問題,經(jīng)分析原因后,找到了解決辦法,并提出了預(yù)防措施。

空冷;機(jī)組;凝汽器;壓力;凝結(jié)水;過冷度;汽阻;調(diào)試

0 概 述

空冷機(jī)組的運(yùn)行有著顯著的節(jié)水效果,至今,已相繼發(fā)展了混凝式間接空冷、表面式間接空冷和直接空冷三種冷卻方式,而直接空冷方式更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢。目前,已成為空冷機(jī)組采用的主流方式,被廣泛應(yīng)用在電力行業(yè)、石油化工等行業(yè)。

1 空冷凝汽系統(tǒng)

直接空冷凝汽設(shè)備被稱為空冷凝汽器(Aircooled condenser ACC),是用空氣冷卻汽輪機(jī)的排汽,通過冷凝將排汽凝結(jié)成水。冷凝后的凝結(jié)水經(jīng)除氧后,再進(jìn)入下一輪的熱循環(huán)。空冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,主要受汽輪機(jī)背壓(空冷器內(nèi)壓力)和凝結(jié)水溫度的限制,背壓過高,將影響汽輪機(jī)的出力和效率。凝結(jié)水的溫度過低,也會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。因此,只有確保適當(dāng)?shù)钠啓C(jī)背壓和凝結(jié)水溫度,才能使系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行。

在正常情況下,空冷凝汽器內(nèi)的壓力和凝結(jié)水溫度是一一對(duì)應(yīng)的,凝結(jié)水溫度應(yīng)接近空冷凝汽器壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。當(dāng)凝結(jié)水溫度低于該飽和溫度時(shí),稱為凝結(jié)水過冷,二者的差值稱為過冷度。過冷度一般在2~5℃,超過此溫度范圍,說明凝結(jié)水過冷。過冷度越大,說明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)越差,系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性也就越差。

空冷凝汽器的換熱性能受環(huán)境溫度的影響較大。在夏季,環(huán)境溫度高,空冷凝汽器的換熱效果差。冬季的環(huán)境氣溫低,凝結(jié)水容易過冷。在寒冷地區(qū),還會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象,這是空冷凝汽器運(yùn)行時(shí)常常遇到的問題。然而,在初期調(diào)試階段,更容易出現(xiàn)汽輪機(jī)背壓過高等現(xiàn)象。提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,加大送風(fēng)量后,可降低背壓,但可能使凝結(jié)水的過冷情況嚴(yán)重?，F(xiàn)分析某型空冷凝汽器在調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題,提出了解決辦法和預(yù)防措施。

2 某型空冷機(jī)組及運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.1 空冷機(jī)組的系統(tǒng)布置

某機(jī)組的汽輪機(jī)型號(hào)為KS40/40凝汽式汽輪機(jī),采用了直接空冷凝汽器,汽輪機(jī)排汽參數(shù),如表1所示。

表1 汽輪機(jī)排汽參數(shù)

該機(jī)組位于南方地區(qū),地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,夏季氣溫較高,無需考慮冬季凍結(jié)的問題,因此,主要考慮夏季凝汽器的冷卻性能。設(shè)定的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為36℃,按汽輪機(jī)的最低背壓及最大流量值,計(jì)算和校核空氣凝冷器的冷卻面積。在空冷凝汽系統(tǒng)內(nèi),包含了凝汽器及數(shù)個(gè)子系統(tǒng)。

(1)空冷凝汽器

汽輪機(jī)排汽管的直徑為1 700 mm,從壓縮機(jī)廠房引至室外空冷器蒸汽分配管入口?？绽淦鞴?個(gè)冷卻單元,采用K/D系統(tǒng)順逆結(jié)構(gòu)形式,5個(gè)為順流單元,1個(gè)為逆流單元。按照廠區(qū)的空間布置結(jié)構(gòu),空冷器布置在管廊的上方,成1列,管束為60°呈等腰三角形結(jié)構(gòu)(A型)?？绽淠到y(tǒng)的結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 空冷凝汽系統(tǒng)示意圖

換熱管為大口徑圓管鋼鋁復(fù)合翅片管,管排數(shù)為4,順流單元的換熱管凝結(jié)75%~80%的蒸汽,余下的不凝結(jié)汽體及空氣將通過逆流換熱管排出,避免空冷器在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生局部氣死區(qū)。在每個(gè)空冷器單元的下部,配置了1臺(tái)由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)并配備減速裝置的軸流風(fēng)機(jī),由風(fēng)機(jī)將空氣輸送到換熱管束的表面。冷卻換熱管內(nèi)的汽輪機(jī)排汽,通過熱量交換,將蒸汽冷凝成凝結(jié)水。當(dāng)排汽背壓偏離設(shè)計(jì)值時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以確保證背壓在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)。

(2)凝結(jié)水收集系統(tǒng)

蒸汽被凝結(jié)成水后,從匯流管進(jìn)入凝結(jié)水箱。然后,通過凝結(jié)水箱出口處的凝結(jié)水泵,將凝結(jié)水送往除氧器,除氧后送入鍋爐進(jìn)行下一次的熱循環(huán)。

在凝結(jié)水匯流管上,裝有測溫裝置,可隨時(shí)檢測凝結(jié)水的溫度。在凝結(jié)水箱上,也裝有溫度檢測儀表。當(dāng)凝結(jié)水溫度低于設(shè)定的溫度范圍,系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)空冷器單元風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,減少冷卻空氣的輸送量,以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)抽真空系統(tǒng)

抽空氣管道安裝在逆流管束的頂部,運(yùn)行時(shí),不斷抽離空冷凝汽器中的空氣和不凝結(jié)氣體,以確保系統(tǒng)的真空度和傳熱性能。抽真空設(shè)備為射汽抽氣器,啟動(dòng)抽氣器的干空氣的設(shè)計(jì)值為408kg/h,主抽氣器的干空氣設(shè)計(jì)值為20.4kg/h。射汽抽氣器的外形,如圖2所示。

圖2 射汽抽氣器

2.2 運(yùn)行數(shù)據(jù)及分析

空冷機(jī)組安裝完成后,首次進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行,并檢測了空冷凝汽器的運(yùn)行狀況。調(diào)試運(yùn)行時(shí),環(huán)境氣溫為25℃,汽輪機(jī)運(yùn)行工況為50%設(shè)計(jì)負(fù)荷,分別記錄了空冷器運(yùn)行數(shù)據(jù)和汽輪機(jī)背壓,同時(shí),還計(jì)算了凝結(jié)水的過冷度。調(diào)試運(yùn)行時(shí)的參數(shù),如表2所示。

表2 調(diào)試運(yùn)行時(shí)的參數(shù)

2.2.1 汽輪機(jī)背壓的變化

調(diào)試時(shí),汽輪機(jī)背壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系,如圖3所示。從圖3可知,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,汽輪機(jī)的背壓是下降的。當(dāng)環(huán)境溫度小于空氣設(shè)計(jì)溫度時(shí),在50%機(jī)組負(fù)荷下,汽輪機(jī)的背壓大于設(shè)計(jì)背壓。如果繼續(xù)提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,背壓有所降低,但下降幅度很小。當(dāng)風(fēng)機(jī)全速開啟時(shí),背壓只降至27 k Pa,但仍高于設(shè)計(jì)背壓,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 汽輪機(jī)背壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2.2 凝結(jié)水過冷度的變化

調(diào)試時(shí),空冷器凝結(jié)水過冷度隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系圖,如圖4所示。從圖4可知,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,凝結(jié)水的過冷度越來越大。當(dāng)風(fēng)機(jī)全速開啟后,汽輪機(jī)背壓穩(wěn)定,過冷度也將達(dá)到定值,此時(shí),過冷度已很大,凝結(jié)水的溫度已基本接近環(huán)境溫度。

圖4 凝結(jié)水過冷度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.2.3 抽氣溫度的變化規(guī)律

調(diào)試時(shí),抽氣溫度隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系圖,如圖5所示。從圖5可知,隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,抽氣溫度越來越低,最終將接近環(huán)境溫度,說明當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到65%以上時(shí),抽氣口已經(jīng)沒有蒸汽通過。

圖5 抽氣溫度與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系

總之,當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)計(jì)的環(huán)境溫度,且機(jī)組并未滿負(fù)荷運(yùn)行,蒸汽量僅為設(shè)計(jì)流量的50%,而運(yùn)行背壓卻遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)背壓。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí),對(duì)降低背壓并沒有太大的作用,反而使抽氣溫度和凝結(jié)水的過冷度急劇增加。而且,當(dāng)參數(shù)達(dá)到特定值,抽氣溫度和凝結(jié)水溫度將接近環(huán)境氣溫。機(jī)組調(diào)試時(shí)存在的這些問題,若在氣溫較低的西北寒冷地區(qū),極有可能出現(xiàn)設(shè)備被凍結(jié)現(xiàn)象。

3 原因分析及解決方案

通過數(shù)據(jù)分析,初步判斷出引發(fā)問題的主要原因。

(1)抽真空能力不足。根據(jù)抽真空設(shè)備的選型要求,對(duì)于空冷項(xiàng)目,在設(shè)計(jì)和確定干空氣量時(shí),應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行HEI標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。因空冷系統(tǒng)的體積龐大,空氣泄漏點(diǎn)較多,所以,至少要求有50%以上的裕量,但干空氣量也不能盲目過大,過大的干空氣量,將使大量蒸汽未來得及冷凝就被抽出,且抽真空設(shè)備的資金投入也會(huì)很高。

(2)系統(tǒng)存在泄露點(diǎn)。空冷凝汽系統(tǒng)設(shè)備龐大,連接點(diǎn)多。運(yùn)行前,一定要進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性試驗(yàn),否則,禁止投運(yùn)空冷器設(shè)備。

(3)存在汽阻現(xiàn)象,是因?yàn)闄C(jī)組的負(fù)荷過低而造成的。由于蒸汽量較少,且環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)環(huán)境溫度,管束內(nèi)的蒸汽分配不均勻。部分蒸汽凝結(jié)過快,局部形成了真空,蒸汽中未冷凝的少量空氣未被及時(shí)排除,在管段內(nèi)形成氣泡,阻礙蒸汽的正常流通。汽阻的明顯特征就是背壓值偏高,凝結(jié)水過冷嚴(yán)重。

綜合了各方面的原因后,針對(duì)問題,采取了解決措施。

首先,檢查全部的抽真空設(shè)備,核算設(shè)備的冷卻效能,比對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。經(jīng)過排查,發(fā)現(xiàn)抽真空設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)值不相符,實(shí)際抽吸量達(dá)不到設(shè)計(jì)方案的要求。因此,對(duì)抽真空設(shè)備進(jìn)行了整改,解決了抽真空設(shè)備的抽吸量不足的問題。

其次,對(duì)整個(gè)空冷凝汽系統(tǒng)再一次進(jìn)行氣密性試驗(yàn),經(jīng)嚴(yán)格檢查后,確保真空度在允許的范圍之內(nèi)。

對(duì)機(jī)組進(jìn)行再次試運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)背壓高、凝結(jié)水過冷等問題仍然存在。最后,通過提高汽輪機(jī)的熱負(fù)荷,加大了進(jìn)入空冷器的蒸汽流量,同時(shí),開啟備用抽真空設(shè)備,加大抽氣能力,問題才得以解決,空冷器的運(yùn)行正常。

在加大熱負(fù)荷的初始階段,汽輪機(jī)的背壓仍然后會(huì)有所上升,此時(shí),不應(yīng)急于增加風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,如盲目加大風(fēng)速,汽阻現(xiàn)象仍不能消除,需待汽流穩(wěn)定,讓蒸汽充滿整個(gè)空冷器,再將中間聚集的空氣徹底排出,空冷器內(nèi)重新達(dá)到平衡。這時(shí),再慢慢地提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,待壓力正常,關(guān)閉備用的抽真空設(shè)備。

為了盡量避免汽阻的產(chǎn)生,在空冷器的開機(jī)階段,一定要嚴(yán)格按照順序,先開逆流單元風(fēng)機(jī),待背壓和凝結(jié)水溫度以及抽氣的溫度達(dá)到設(shè)定值后,再開啟其它風(fēng)機(jī)。在調(diào)試階段,機(jī)組處于低負(fù)荷工況,極易產(chǎn)生蒸汽分配不均等現(xiàn)象,此時(shí),設(shè)備的換熱能力過大,所以,應(yīng)避免風(fēng)機(jī)的快速啟動(dòng)。此外,為了避免汽阻的產(chǎn)生,在初期階段,就應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免汽阻的產(chǎn)生,良好的管束布置和結(jié)構(gòu)形式,可降低汽阻的影響,減小凝結(jié)水的過冷度,防止空氣在管束內(nèi)的聚集,雖然會(huì)增加設(shè)備投入成本,但卻能提高機(jī)組效率。

4 結(jié) 語

空冷凝汽器真空度和凝結(jié)水溫度,是確保汽輪機(jī)及系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的空冷凝汽器,可提高汽輪機(jī)的效率,同時(shí),也節(jié)省了運(yùn)行成本,提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。汽阻現(xiàn)象將影響凝汽器的真空度和凝結(jié)水的過冷度,影響了熱量的利用和抽真空設(shè)備的正常運(yùn)行,所以,應(yīng)重視和研究汽阻的產(chǎn)生原因和消除措施。

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Common Problems and Analysis in CommissioningPeriod of Air Cooled Condenser

WANG Jing,LIU Yu-jun,WANG Zi-wei
(Hangzhou Steam Turbine Auxiliary Equipment Co.,Ltd.,Hangzhou 310022,Zhejiang,China)

The heat transfer efficiency of air cooled condenser is greatly affected by environmental factors,and its stable operation is limited by ambient temperature,turbine back pressure and condensate temperature.In the air cooling system,there are not only air cooled condensers,but also exhaust pipes,condensate collection systems and vacuum pumping systems.They are bulky,complex structures,many air leaks and difficult to maintain the vacuum. Therefore,during the operation of the unit,especially in the start-up and commissioning period of the unit,the problem of high pressure and subcooling of the condenste will occur in the air cooled condenser,and even freeze in winter.In this paper,taking Ningbo petrochemical project as an example,in view of the serious problems of high pressure and serious subcooling of condensate in the commissioning period of the air cooled condenser,the solutions and preventive measures are obtained by finding and analyzing the causes.

air cooled;unit;condenser;pressure;condensate;subcooling;steam resistance;commission

TK264.1

A

1672-0210(2017)02-0007-04

2016-10-12

2016-12-25

王靜(1981-),女,工程師,碩士,畢業(yè)于華北電力大學(xué),從事汽輪機(jī)配套輔機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。