节能降碳 | 汽轮机及辅机改造案例：安顺电厂凝汽器管束布置方式优化

节能降碳 | 汽轮机及辅机改造案例：安顺电厂凝汽器管束布置方式优化

一、工程概况

国能安顺发电有限公司位于贵州省安顺市普定县境内，距市区 25 公里，4 号机组 2003 年 8 月机组投产发电，汽轮发电机组为东方汽轮机厂生产的 N300-16.7/537/537-8 型（高中压合缸）亚临界机组，配套的凝汽器是东方汽轮机厂配套生产的单壳体、双流程、表面式凝汽器，型号为： N-17000。

安顺公司分别于 2010 年、2013 年大修期间对 3 号、4 号机组凝汽器进行节能改造。单台改造工期 25 天。

二、改前情况

1、设计参数和技术指标

表 1 设计参数和技术指标

2、存在的问题

机组自投运以来真空一直偏离设计值，为保证机组的热耗，决定对凝汽器实施换热面整体节能改造。

三、改造方案

1、技术路线

在保留现有凝汽器外壳及其支承方式不变、与低压缸排汽口的连接方式不变、凝汽器中心位置不变的条件下，拆除旧的内部结构，优化管束的排列结构，采用复合管板代替原管板，不锈钢管代替原有的铜管，管口采取胀接+焊接的连接方式，保证管口的密封性能。并重新优化设计、制造、安装新的凝汽器的内部结构，适当提高冷却水管内的冷却水流速，增大传热系数，且可适量增加凝汽器冷却面积。通过凝汽器整体节能改造，各项技术性能指标优于设计值。

2、实施方案

（1）关键材料及设备的选型与布置

1）不锈钢管材的选择

凝汽器不锈钢管抗冲蚀性好，能抵抗汽-水混合物的高速冲击腐蚀；抗氨腐蚀性能好；可提高冷却水流速，最高可达 3.5m/s，既可以提高总体传热系数，又可减少冷却管内杂质沉积；选用不锈钢复合板做端管板，与不锈钢管之间的连接可采用胀接+密封焊，达到管子与管板连接无泄漏。

表 2 铜管和不锈钢管方案比较

常用不锈钢管管材有 TP304 、 TP304L 、 TP316 及 TP316L ， 依据DL/T712-2009《火力发电厂凝汽器管选材导则》中常用不锈钢凝汽器管适用水质参考标准，当Cl-浓度小于 200mg/L，且不加水处理药剂时可以直接选用TP304 以上不锈钢管而不必做点蚀试验。

另外，《火力发电厂凝汽器管选材导则》指出，选用不锈钢凝汽器管时， 可根据水中氯离子含量，参照表 3 常用不锈钢凝汽器管适用水质的参考标准进行选择。由表 2 水质数据中Cl-含量变化可以了解到，安顺电厂凝汽器冷却水源中Cl-含量为 19.6mg/L，TP304、TP304L、TP316 以及TP316L 等均可满足冷凝管管材选择的要求。

表 3 常用不锈钢凝汽器管适用的水质参考标准

综上所述，选择TP304、TP304L、TP316、TP316L 及以上的不锈钢均能满足安顺公司凝汽器改造所需，但从经济角度出发，TP316L 不锈管造价约为TP304 的 1.5 倍，因此改造中决定采用TP304。

2）不锈钢管型的选择

市场上有不锈钢螺纹管和不锈钢光管两种。螺纹管换热效果虽然稍好些，但发生管内壁结垢的可能性较大，且水阻较大，管内壁结垢则会影响换热能力。据有关资料显示，螺纹管凝汽器的总传热系数是光管的 1.2 倍左右，但是单螺纹管的污垢速率是光管的 2 倍。经综合考虑，本次改造中决定采用不锈钢光管。

3）管束布置方案的选择

凝汽器冷却管管束排列直接影响到汽相流场的传热特性，是凝汽器设计中的核心问题，其基本设计原则是保证蒸汽流动平衡，以凝汽器进口到抽气口蒸汽流动压降小，热负荷分配均匀，总体传热系数高，有利于除氧等。

原凝汽器结构为教堂窗布管，现凝汽器管束为优化的教堂窗布置，改进后的管束流场分布比较平衡，左右两侧基本对称，没有很明显的蒸汽涡流区和空气积聚区存在，管束下方的挡水板布置得当，具有蒸汽路径短， 流动阻力小，热负荷均匀；汽侧压降小，管束四周有合适的压力分布场， 蒸汽最高压力（滞止压力）点是位于凝汽器热井上部；蒸汽主通道通畅， 流场平稳，有利于凝结水回热和除氧等特点。

4）中间支撑板间距的确定

引起凝汽器冷却管振动的主要原因一般有两种：①冷却管固有频率与扰动频率接近，发生共振。②冷却管受到高速气流的诱振作用，使冷却管产生过大的振幅，相互碰撞、磨损。为避免冷却管出现共振，限制冷却管的振幅，防止新凝汽器冷却水管因振动损坏，在进行凝汽器方案设计时， 采用美国HEI 标准计算方法对不同的冷却水管跨局进行计算，并对冷却管固有频率进行校核。同时，为防止蒸汽在冷却管外壁凝结后形成的一层薄水膜而影响冷却管的传热效果，管束采用前高后低的倾斜布置方式。抬高量的数值既能确保冷却管安装时穿管工作的顺利进行，又能使蒸汽凝结产生的水膜能够向冷却管低端自由流动，从而保证了管束的传热性能。

（2）项目总投资与施工周期

单台机组凝汽器改造项目可在机组大修期间完成，共计投资 600 万元，

采用原凝汽器铜管置换方式单台机组投资 125 万，每年可以节约标煤约 300 万元，一年内可收回投资。

3、创新点

一是优化了管束和管板的选材和连接方式，采用复合管板代替原管板， 不锈钢管代替原有的铜管，管口采取胀接+焊接的连接方式，保证管口的密封性能。二是优化了凝汽器的内部结构和管束排列布置，适当提高冷却水管内的冷却水流速，增大传热系数。通过凝汽器整体节能改造，各项技术性能指标优于设计值。

四、实施效果

1、改造前后技术指标对比、运行情况对比

4号机凝汽器技术改造前后运行参数见下表。

从表中数据可以看出，在同工况下，经凝汽器改造后凝汽器真空上升1.4kPa 左右；负荷在 265MW 以下时，甲侧循环水温升上升 0.4℃左右，乙侧循环水上升 1.2℃左右；负荷在 268MW 以上时，甲侧循环水温升下降 0.4℃ 左右，乙侧循环水上升 0.4℃左右；凝结水过冷度降低约 0.2℃左右。经过对比分析后得出以下结论，凝汽器冷却效果得到加强，真空上升 1.4kPa 左右，真空度上升 1.6 。

2、项目经济性分析

改造后真空度上升 1.6 ，节约煤耗 4g/kWh。按照机组年发电 5000h 计算,全年可节约标煤 6000 吨,按当年标煤单价 500 元/吨计算,可节约燃煤成本 300 万元。