大型机组双压凝汽器系统的分析与优化

摘要：火力发电厂是我国目前最主要的发电厂，而凝汽器是火力发电厂最重要的组成部分之一。现对双压凝汽器的工作原理、系统结构、运行特点进行了分析，针对双压凝汽器的优化运行提出了最佳的负荷分配方案，能够提高双压凝汽器的运行热经济性。

关键词：双压凝汽器;计算;比较;优化

1 双压凝汽器简介

1.1    双压凝汽器工作原理

现如今运行的大功率汽轮发电机组都有两个或两个以上的低压缸，并且每个低压缸都有两个排汽口，每个或者是每对排汽口都与一个凝汽器的壳体相连接，并且每个壳体之间互不相通，这就使得它们各自在运行中都有着不同的压力，这就是双压凝汽器。

1.2    双压凝汽器结构

双压凝汽器的壳体被中间的隔压板分成了左右两个独立的部分，做功后的蒸汽从汽轮机低压缸出来后分别进入左右两个汽室A、B与冷却水发生换热，分别凝结汇聚后一起由凝结水泵送往低压加热器，最终送往锅炉进行下一个循环。

从结构来看，双压凝汽器与单压凝汽器相差不大，冷却水的入口、出口位置也基本相同，不同之处在于双压凝汽器比单压凝汽器多了中间的隔压板。冷却水在流动过程中，首先会流经左侧的汽室，接着才会流过右侧的汽室。双压凝汽器与单压凝汽器相比，在沿管束长度方向上蒸汽负荷是不均匀的。对双流程的凝汽器，或者虽然是单流程，但同一壳体内两个对称管束冷却管内的冷却水水流方向相反时，则可在一定程度上减轻这种蒸汽负荷的不均匀性。

1.3    双压凝汽器运行分析

图1展示了蒸汽分别在单压和双压凝汽器内的换热过程，其中实线表示双压，虚线表示单压。从图中可以看出蒸汽的换热过程被中间隔压板分成了两部分，也正因为如此，蒸汽在双压凝汽器内的整体平均温度要低于在单压凝汽器内的温度，这也是双压凝汽器优于单压凝汽器的原因之一。

在双压凝汽器传热的前一部分，蒸汽的凝结温度小于在单压凝汽器内的凝结温度;而在后一部分，蒸汽的凝结温度大于在单压凝汽器内的凝结温度，所以左右两侧汽室也分别被称为低压汽室和高压汽室。

1.4    双压凝汽器的布置、结构设计

大型发电机组双压凝汽器有多种布置形式，一般来说，单压凝汽器的各种布置形式，双压凝汽器也都可以采用。在电厂的实际运行中，具体采用哪种布置方式，应根据电站设备布置要求、汽轮机基座形式、冷却水管线布置和凝汽器设计条件等综合确定。

双压凝汽器能提高电站循环效率，这需要通过凝汽器结构设计来保证。

1.4.1    凝结水的输送

冷端的凝结水能在热端回热是提高汽轮机循环效率的原因之一，由于冷端和热端存在着压力差ΔP =Pk2-Pk1，当把冷端凝结水输送到热端时，必然要消耗一部分附加能量以及抵消一部分双压凝汽器的收益。

凝结水采用辅助泵输送，除需要增设专用的凝结水泵外，还要增加厂用电的消耗，必然使得电厂的投资成本增大。在多压运行的凝汽器中，广泛采用的方案是重力输水，它是借助冷、热端凝结水位的高度差，由凝结水泵将凝结水打入回热加热系统。

选择重力输水方式需要有一个合適的水位差，即冷端凝结水位要比热端凝结水位高出H值，并且还要考虑一定的裕量，建议高度差取H=1.133ΔP，其中ΔP =Pk2-Pk1。设计时应取双压凝汽器运行可能出现的最大压力差ΔP，一般H≥300 mm。

1.4.2    凝结水在热端的回热

冷端的凝结水借助高度差流到热端的凝结水分配盘上，在那里与热端的凝结水混合后从淋水盘小孔流下，再由热端蒸汽加热到接近热端蒸汽下的饱和温度。凝结水的回热计算表明，被回热的凝结水从淋水孔落下的高度不能低于300 mm。显然具有回热式双压凝汽器的热井要比单压式凝汽器热井高度增加300 mm。这种高度增加所带来的金属材料费用的增加，必然为凝结水回热提高电站循环效率所补偿。

1.4.3    真空抽气系统

目前，在采用双压凝汽器的大型发电机组中，真空抽气系统一般有3种：单独连接抽气、串联抽气、并联抽气。这3种真空抽气系统各有利弊，其中，单独抽空气系统效果最好，并联抽空气系统效果最差。

1.4.4    真空破坏系统

运行中当机组事故停机和正常停机时，都需要破坏真空以加速停机，缩短转子惰走时间。目前采用双压凝汽器系统的机组所采用的真空破坏系统是两个壳体共用一个真空破坏阀。

1.5    双压凝汽器存在的问题及对策

1.5.1    凝汽器端差

许多机组的运行实践表明，在工作过程中，一般双压凝汽器的端差都要小于给定值。经过研究发现，造成这种现象的原因是机组在发电过程中的严密性没有达到合格标准。针对这一问题，在实际生产过程中应加强胶球系统维护，保证投入率和收球率;应对凝汽器连接抽空气管进行调节或改进，消除高压侧和低压侧抽空气的排挤现象，以此提高双压凝汽器机组的真空严密性。

1.5.2    循环水入口温度

在发电厂的实际运行中，循环水入口温度会高于设计值，主要原因是冷却塔效率低和冬季低负荷时为防止真空过高引起低压转子振动，开启循环水旁路管来降低真空。因此，机组检修时，应对冷却塔的配水管和淋水填料等进行检查，更换损坏的部件，并定期对冷却塔效率进行试验。

1.5.3    循环水温升

许多机组的运行实践表明，在工作过程中，一般双压凝汽器的循环水温升要小于给定值。经过研究发现，造成这种现象的原因是机组在发电过程中循环水泵的优化工作进行得不够彻底。因此，应对循环水系统进行优化，在实际运行中，可以根据季节变化进行调整，比如在冬季时将两台循环水泵切换为单台运行，并且要采取防止循环水管堵塞的预防措施。

1.5.4    凝结水过冷度

在发电厂的实际运行中，双压凝汽器热水井凝结水基本处于过热状态，达到了消除过冷度的效果。但在机组检修时应对水位标定、热水井底部清理、热水井内分配栅盘、热水井内U型管等项目进行检查。

1.6    双压凝汽器的优点

发电厂选用双压凝汽器系统，不仅可以提高机组的热经济性，还可以在电厂设计建设时降低相关成本。

（1）燃料费高的地区重在降低热耗;

（2）水源不丰富的地区重在减少冷却水量;

（3）材料费高的地区重在减小冷却面积。

2 双压凝汽器的优化

凝汽器内的热力过程其实是一个传热过程，为使凝汽器的效率最高，就要使整个传热过程中产生的不可逆损失最小，即熵产最小。

以本章所提到的双压凝汽器为例，冷却水入口温度t1=20 ℃，冷却水温升Δt=8.2 ℃，则此双压凝汽器第一级热负荷Q1=0.457Q总，该双压凝汽器优化后运行参数如表1所示。

3 结语

本文以火力发电厂的凝汽器系统为研究对象，在理论分析的基础上，结合电厂的实际运行计算，为凝汽器系统的安全经济运行提供了可靠的理论依据。本文通过对双压凝汽器的分析，提出了通过合理分配双压凝汽器的热负荷来提高双压凝汽器的经济性，并结合实际计算对600 MW机组提出了具体的负荷分配方法，在实际运行中也有很强的可实践性，能在一定程度上提高机组的热经济性。

收稿日期：2021-08-18

作者简介：万永清（1994—），男，山西忻州人，助理工程师，从事火力发电工作。