抽凝式和凝汽式汽轮机改为背压机的优势_刘屹

抽凝式和凝汽式汽轮机改为背压机的优势 刘屹 1 邱瑞章2 曹 勤3 曹祖庆4 1 无锡全邦能源科技有限公司 江苏 无锡214028 2 南京师范大学动力学院 南京210042 3 南京第二热电厂 南京210038 4 东南大学能源与环境学院 南京210096 摘要 目前我国部分热电厂拆除原有的凝汽式或抽凝式汽轮机 采用背压式汽轮机 以期提高机组运行效率及经 济性 背压机组因没有低压回热加热系统 只能采用高压排汽在除氧器中加热补水 造成的热损失较大 因而考虑设计 一种新型背压机 它是利用在机内做完功后的低压回热抽汽及排汽来加热补水 方案是把原有的抽凝式 凝汽式机组 改造为既可向外部供气 又可用低压回热抽汽及排汽加热补水的机组 因凝汽器被改造为第一级补水加热器 没有冷端 放热损失 成为了一种新型背压机 它不仅能节省大量投资 而且能降低热耗 提高机组能效 是一种既可行又经济的改 造方法 关键词 抽凝式汽轮机 凝汽式汽轮机 背压式汽轮机 补水 回热抽汽 中图分类号 T K 2 6 9文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 5 5 2 3 2 0 1 5 0 1 0 0 4 4 0 4 为 响应国家节能减排号召 有部分热电厂认为原装 的抽凝式机组及凝汽式机组存在凝汽部分冷端 损失和热经济性差的问题 为了保证原有的供热 及增加新的供热需求 采取拆除原有的抽凝式或者凝汽式机 组 再安装新型的背压机这一方案来解决存在的问题 通常大家都认为背压式汽轮机没有冷端损失 热效率 高 可近似认为达 1 0 0 实际上 这种认识是片面的 背压机 组在运行时没有低压回热系统 只能用其压力较高的背压级 的排汽送人除氧器进行加热补水 但此法会产生较大的热经 济损失 会减少蒸汽做功 若将电厂中原有的抽凝式机组或 者凝汽式机组改造成为抽汽供热式机组 同时用其低压回热 抽汽和排汽在机内做功后再用来加热补水的话 它就可以解 决背压机存在的这个问题 其经济性可高于新装的背压机 组 1背压机组在应用中存在的问题 背压式汽轮机因名义上没有冷凝损失 热效率较高 常 被推广优先采用 但在实际应用中除不宜用于低负荷外 还 存在许多问题 1 1轴封系统 背压式汽轮机高 低压两端轴封内外压差均较大 没有 低压回热系统 无法将轴封漏汽由轴封中间抽出 无法提供 给低压回热系统利用 为了防止轴封向外漏汽流向相邻的轴 承 造成油质变坏 影响轴承运行的安全 所以在近轴封出口 处设有一个微负压腔室 从而将轴封漏汽抽出 确保不泄露 背压机组没有低于大气压力的回热抽汽 须用抽气器将漏汽 抽出 另外还需将经轴封冷却后剩余的空气排出 抽出的轴 封漏汽经轴封冷却器冷却后生成的凝结水还需用水泵打至 除氧器 从而造成系统的复杂性 而且还需消耗额外功率 另一个问题是高 低压两端轴封漏出的蒸汽温度较高 为防止热量经主轴传至相邻的轴承 通常在轴封内微负压腔 室的内側设计一个可以引入微正压低温蒸汽的腔室 即向外 流向微负压腔室和向内流向负压腔室 后流向的负压回热系 统既可防止高温蒸汽外漏还可以对主轴段进行冷却 防止过 44 能源研究与利用 ENERGY RESEARCH UTILIZATION 2015 年第 1 期 J 节能科技 IENENGKEJI DOI 10 16404 ki issn1001 5523 2015 01 017 多的热量传递到轴承 保证相邻轴承能够安全稳定运行 对 于背压式机组 因自身没有低压低温蒸汽可利用 因此为了 保证轴承的冷却 必须增加轴承冷却用油量 加大冷油器的 热容量及其冷却水流量 1 2补水加热 对于背压式汽轮机 在独立设计时不能考虑其他机组的 存在 为了将其大量的补水加热至锅炉要求的给水温度和必 须的加热除氧 只能用自身的排汽 背压汽 来加热补水 此 加热用汽量要占用部分背压级的排汽量 对不同参数的机 组 锅炉的进水温度要求不同 背压机组向外供汽的背压不 同 因此加热补水所用蒸汽的量也不相同 一般在 2 0 左右 这部分加热用的蒸汽原来可以在汽轮机内做功然后再用来 加热 这部分蒸汽所做的功能达到机组发电量的 7 1 5 或 更高 因此造成背压机的热经济性变低 2凝汽式机组改造要点 2 1机组改造的条件 原凝汽式汽轮机改造为背压机向外供汽的基本条件是 1 机组状况良好 2 机组最大的进汽量能够保证向外供汽及 加热补水所需的最大用汽量 3 向外供汽的压力 抽凝式机 组与原有供汽压力相近 凝汽式机组与正常运行时允许的调 节级后压力 回热抽汽压力相近 2 2机组改造的指导思想 对于将原抽凝式或凝汽式汽轮机改为背压式机组 必须 具有向外大量供汽的能力 同时还没有凝汽损失 不能简单 地认为原汽轮机的后汽缸因为是生铁铸成的 所以不能承受 高温 故将供汽压力后的各级及后汽缸等都拆除 这样的改 造会造成汽轮机与发电机缺少后轴承及前轴承 造成机组无 法运行 同时因为没有低压回热抽汽可用来加热补水 机组 的热经济性差 可行的改造方案是 保留原汽轮机新供汽口 以后的各级 让加热补水用的蒸汽在保留的级中流过 经降 压降温回到原来的回热抽汽口处 以适当的压力引出 并利 用机组原有的回热系统依次加热补水 最后进入凝汽器 凝 汽器改作为补水的第一级加热器 用此法改造好的机组不用 冷却水 因此不存在冷端损失 其性能相当于背压式机组 一 种新型的背压式机组 该改造方案只是在原汽缸上增开供汽孔 焊接供汽管 并将供汽口后各级的通流面积及凝汽器进行适当改造即可 因此 改造工作量小 所需时间短 机组运行安全经济 原有 设备都能充分发挥作用 投资费用可大幅减少 1 3机组改造 3 1扩大供汽口 对原是抽凝式的机组 可利用原有出口向外供汽 对原 是凝汽式的机组 在原来的回热抽口处的蒸汽压力与现在要 求的供汽压力相近时 可利用原有的抽汽口向外供汽 由于 原来的抽汽口只供回热抽汽用 而且抽汽量较少 因此改为 直接向外供汽时 由于供汽量增大 原有抽汽口的出气孔小 所以需在汽缸上原抽汽口轴向位置处新增开抽汽口 并焊接 向外供汽的管道 3 2供汽口后各级通流面积改造 经热力系统计算及热经济比较分析后 确定补水依次加 热后的温升及相应的抽汽压力 然后根据加热器 包括改造 后作为补水第一级加热器的凝汽器 的热平衡计算 求出依 次加热补水所需要的抽汽量和供汽口后各级的流量 当然这 个蒸汽的流量远小于原蒸汽流量 为了确保抽汽口处蒸汽压 力等于预定值 应对保留级的通流面积改造方案进行计算和 不同方案的比较 最后确定所需要的通流面积 并将各级多 余的喷嘴封闭 3 3凝汽器改造 由于将原凝汽器改作为补水的第一级加热器 而且现在 用的补水相当于原来凝汽器的冷却水 因此流量少于原冷却 水量很多 造成在铜管中的流速变慢 流速过慢会影响传热 原水中的悬浮物沉澱在铜管壁上会引起沉积腐蚀 损坏铜 管 因此在补给水量不变条件下应设法增加其流速 如原为 对分制的凝汽器只用一侧 可将原二流程改为四流程 则可 将流速增大四倍 另外部分补给水可在喉部喷出作为直接冷 却用 当邻机只有一级低压加热器时 由于其温升较大 也可 以将其凝结水先送到这个凝汽器中进行一次加热 这样可以 提高全厂热效率 同时也可以改善此凝汽器的工作性能 3 4末级工作 对于保留的原末级 因改造后的蒸汽流量为第一级加热 补水所需要的的蒸汽 所以流量很小 加上其背压较原凝汽 45 能源研究与利用 ENERGY RESEARCH UTILIZATION 2015 年第 1 期 J 节能科技 IENENGKEJI 器内的压力高很多 比容变小 容积流量变小 因而可将通流 面积减小 为保证效率 可考虑拆除末一 二级 保留的最后 一级级后压力应等于补水第一级加热器内压力 2 3 5校核中心 凝汽式机组在改造后运行时 因背压较原运行时背压 高 排汽缸温度也比原来高 因此在注意中间轴承温度时 应 考虑中间轴承中心线向上膨胀增大的情况 故在机组改造后 安装时不再允许有上开口 4改造后机组的运行 4 1供汽压力可自动调节 将抽凝式或凝汽式机组改造后向外供汽时的压力可以 随用户的要求系统自动调节 也可以由运行人员根据压力变 化进行手工调节 4 2补水量改变时应对措施 抽凝式机组改造时 可用低压进汽调节阀调节低压段进 汽 控制加热补水用的蒸汽量 并根据补水量的变化进行适 时调节 以满足机组运行要求 对原为凝汽式机组 因为原机 组低压段前没有安装进汽调节阀 没有供加热补水的蒸汽 量 因此供汽口后面各级的通流面积固定不变 供热压力也 基本不变 在供汽口后保留的各级蒸汽流 加热补水用的蒸 汽量基本不变 因而要求补水量保持基本不变 但机组在运 行时热负荷会发生不断变化 因此补水量会随负荷的变化而 变化 这与前述要求补水量与基本不变的加热蒸汽量不相配 合 为了解决这个矛盾 可采用下列措施解决 1 用除氧器水 箱储存容积来调节 当供汽量大时 需要的补水量大 当大于 补水加热系统能保证的补水量时 则用除氧器水箱中的存水 来补充不足的水量 2 用进入除氧器的蒸汽量调节 由于原 来设计的加热蒸汽量不够 进入除氧器的水温会偏低 这时 可用一些高压排汽送入除氧器进行补充 满足给水加热要 求 与之相反 当热负荷较小时 需要的补水量较小 则仍维 持原补水量 多余的水可临时储存在除氧器水箱中 供以后 补水不足时用 另外 也可以通过适当关小一些进汽阀来控 制补给的水量 在运行时采用哪种措施应根据电厂设备和运 行的具体条件来确定 若厂内有其他供热机组 也可以考虑用其他机组来调节 供热量 调节加热的补水量 4 3 安全运行问题 4 3 1 汽轮机后轴承温度 由于将凝汽器改作为补水的第一级加热器 排汽压力和 温度较原凝汽运行时高 由主轴 排汽缸 后轴承座传给汽轮 机后轴承及发电机前轴承的热量会增多 为保证轴承维持在 正常的运行温度 除应适当增大供油的节流孔孔径增加供油 量外 必要时可开启后汽缸喷水 达到降低排汽和后汽缸温 度的目的 也可以采用增加冷油器的冷却水量 或者增开一 台冷油器的办法来确保汽轮机轴承的温度 4 3 2 机组的震动 由于机组运行时排汽温度变高 中间轴承中心因排汽缸 基础台板会发生向上膨胀增大 原校好的联轴节中心会发生 改变 中间轴承油温升高的话 还会改变轴承运行特性 他们 都会引起机组震动增大 因此在运行时应加强对机组振动的 监视 4 3 3 轴向位移监视 由于排汽口以后保留的各级通流面积变小及排汽压力 变高 在运行时应对推力轴承乌金温度及转子的轴向位移加 强监视 以防事故发生 5经济分析 5 1机组效率 一台新设计 制造 安装的背压机组其运行效率要比原 有旧机组高压段的效率要高 运行年代久的机组 它的运行 效率会降低 而采用新背压机组其运行效率能提高 3 5 如果将抽凝式或凝汽式机组改为背压机向外供汽时 可 将原供除氧器用来加热补水的蒸汽改为在机内依次做功后 再用来加热补水 这样加热利用的蒸汽可以多做功 提高机 组循环效率 机组改造后能多做多少功与机组进汽参数和供汽压力 有关 在考虑采用何种方案时 曾对高 中压机组及其它典型 机组的回热系统 在供热压力为 1 MP a 时进行计算 其结果 是 对中压凝汽式机组 补水在高压加热器与背压机采用的 方法相同 仍用压力较高的供热汽加热 除氧器及低压加 热器用低压回热抽汽加热 凝汽器改造后作为补水第一级 加热器 加热器内的压力计算时取 0 0 2 MP a 饱和温度约为 6 0 用最后一级的排汽加热 加热蒸汽在机内做功可以使 46 能源研究与利用 ENERGY RESEARCH UTILIZATION 2015 年第 1 期 J 节能科技 IENENGKEJI 总功率提高 1 2 以上 对高压凝汽机组 高压加热器和除氧 器与背压机加热方法相同 仍然用压力较高的供热汽加热 四级低压加热器用低压回热抽汽加热 凝汽器改造为补水 第一级加热 器 背压约为 0 0 1 MP a 左右 饱和温度约为 4 5 用最后一级的排汽加热 加热用的蒸汽在机内多做功 达 7 以上 加热蒸汽在中压机组多做的功比在高压机组做 的大 原因是进汽在高压段内的理想焓降与加热补水蒸汽在 低压段内的理想焓降之比约为 1 2 对高压机组这个比例约 为 1 1 从上述结果可以看出 加热用的蒸汽在机内多做的 功完全可以弥补原来机组因高压段效率较低产生的损失 使 改造后机组的热效率高于新的背压机的热效率 5 2投资费用 对于购买 安装新的背压机组方案 除汽轮机组及其附 属设备外 因原有的发电机的前轴承与汽轮机整体相连因而 不能采用 必须同时购买发电机组 原来的汽轮发电机组的 基础 因新装的背压机的轴向长度较短 中间两个轴承与原 来的完全不同 因此也不能使用 须拆除重建 造成安装工作 量及投资费用增大 施工时间加长 投运后其折旧 大修及利 息等费用较大 如果采用现有的抽凝式或凝汽式机组改造方案 只须花 费汽轮机改造设及计费 改造及施工的费用可能只有购买安 装新的背压机费用的十分之一左右 综上所述 利用现有抽凝机组改造为背压机组供汽 投 资费用可以大幅降低 机组运行热效率更高 对于运行费用 考虑到折旧 投资利息等费用时则能够更加节省 应优先考 虑采用此改造方案 6设计生产一种新型的背压机组 6 1常规背压机存在的问题 现有的背压机因补水缺少低压回热加热系统 通常直接 用排汽加热补水 导致机组运行经济性较差 由于轴封存在 较大漏汽损失 而且轴封处没有低温蒸汽可供冷却 而主轴 传递到轴承的热量又较多 因此最好能改进机组的设计 重 新设计和生产一种新型的背压机 6 2对新型背压机设想 新型的背压机在其高压段后大量向外供汽后 应有低压 段 低压回热抽