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摘要：目前社会各行业提出节能减排，同样电力行业也对节能减排提出了更高的要求，在大型发电企业中，都在寻找节能减排的有效措施。本文从600MW直接空冷机组小机凝结水的改造，分析相关的节能改进措施，提高凝汽器真空，优化机组经济性。
关键词：直接空冷系统；喷淋降温；汽轮机；凝汽器
在我国北方富煤缺水地区，大型火力发电厂普遍为空冷机组，而直接空冷机组占有较大比重。直接空冷系统的冷源是空气，其冷却性能受环境影响很大，尤其是在夏季高温阶段背压能够达到45～50kPa。运行背压高会威胁发电机组的安全，发电单位往往不得不降低机组负荷以满足机组运行时所需的安全背压，严重制约空冷机组夏季运行的安全性及经济性。目前，很多发电单位都针对直接空冷机组背压高这一问题进行了一系列设备改造，包括喷淋降温、空冷风场优化等。这些改造项目都是从改变就凝汽器外部环境着手进行的，不但投资高，而且存在空冷凝气器表面结垢加快、空冷岛重力负荷增大等隐患。所以发电单位都迫切的想寻找一种投资小、安全性高的途径去缓解空冷机组背压高的问题。
一、直接空冷机组的一些特点
（一）主机排汽装置
主汽轮机排汽装置处于低压缸和排汽管道之间，主要由矩形膨胀节、喉部、壳体、排汽短管、热井、支座构成。低压缸排汽依次通过膨胀节、喉部后，再经导导流板引导，进入排汽管道。 空冷凝汽器内凝结的水通过回水管自流至排汽装置底部的热井。
（二）主机排汽终参数
主汽轮机低压缸排汽终参数主要是指排汽的压力、温度，影响它的因素有很多，主要是排汽量及环境温度。直接空冷系统的冷源是空气，受环境温度的制约，设计背压比湿冷机组高出许多，运行背压范围也比后者大。运行中，主汽轮机的排汽背压一般控制在8kPa-30kPa之间，对应的饱和温度在41℃-69℃之间。
（三）给水泵汽轮机
大型直接空冷机组大都采用以汽动给水泵给水为主，电动机水泵给水为辅的给水方式，机组正常运行时仅运行汽动给水泵。因直接空冷机组背压受环境温度影响大、变化快，为保障机组给水稳定，所以直接空冷机组的每台给水泵汽轮机均配置有一台湿式冷却的凝汽器。
（四）小机凝结水
给水泵汽轮机排汽经其自带的凝汽器冷却后，便形成了小机凝结水。小机凝结水聚集在给水泵汽轮机凝汽器底部的热井内，后通过小机凝结水泵直接排入主机排汽装置热井。小机凝结水泵的出口压力一般设计为0.15MPa-0.2MPa。因给水泵汽轮机凝汽器为湿式冷却，其排气背压始终维持在一个较低的水平，大约在4kPa-10kPa之间，小机凝结水的温度约为28℃-45℃之间。
二、小机凝结水喷淋至排汽装置方案
大型空冷机组在运行中的，因主机与小机的冷却方式不同，具有小汽轮机排汽及其凝结水温度低，而主汽轮机排汽温度高的特点。目前直接空冷机组小机凝结水系统多采用通过小机凝结水泵升压后，将小机凝结水直排至主机排汽装置热井的方式，该种方式不但使小机凝结水的低温特性没得到利用，而且还增加了主机凝结水的过冷度，降低了机组的经济性。若要利用小机凝结水的低温特性，则应在主机排汽进入空冷凝汽器之前，将小機凝结水通过喷嘴雾化后充分混入到主机排汽中，在两者混合后，小机凝结水会对主机排汽进行提前冷却，这样便减少了空冷凝气器的热负荷，同时主机排汽加热了小机凝结水，使其溫度接近主机排汽温度，从而使主机凝结水过冷度进一步减小，提高了回热系统效率。根据主机排汽的特性及主机排汽装置的结构特点，在主机排汽装置喉部布置小机凝结水雾化喷嘴最为合适，一是因为在该位置主机排汽焓值及干度较高，小机凝结水与其混合后传热将更充分；二是排汽装置喉部有足够的空间布置足够多的喷嘴，以使小机凝结水喷淋得更为均匀。
（一）系统的布置
要将小机凝结水喷淋至排汽装置喉部，需对原小机凝结水系统管道进行改造。系统可这样布置：取消小机凝泵出口调门组后至主机排汽装置热井的直排管道，重新布置一路喷淋管道，将小机凝结水从小机凝泵出口调门组后分别引至A、B排汽装置喉部，在排汽装置内，均匀布置支管及喷嘴，覆盖整个排汽装置喉部，使小机凝结水进入主汽轮机排汽装置后，经过喷嘴雾化形成的雾滴直接与主汽轮机低压缸排汽充分混合并换热，有效降低主汽轮机的排汽温度，进而降低主汽轮机的排汽背压，达到节约煤耗之目的。此外，也可保留原有小机凝泵出口调门组后至主机排汽装置热井之间的直排管道，在该直排母管及喷淋母管上各增加一套真空阀门，目的是在喷淋管道、阀门或喷嘴出现故障后，原有的直排系统可正常运行，保证小机凝结水系统正常运行。
主机排汽装置喉部工况变化快，运行环境恶劣，所以新增的喷淋管道，在主机排汽装置外部的部分，可选用与原直排管道材质规格相同的管道，但在主机排汽装置内部的部分则必须使用不锈钢无缝钢管，且所有焊缝必须经过金属检验。
（二）喷嘴的选择
喷嘴是小机凝结水雾化的关键设备，喷嘴雾化效果的优劣，直接影响该改造的节能效果。
评价雾化效果最直接的因素就是雾化后液滴直径的大小和液滴覆盖的面积。液滴越小，单位小机凝结水形成的表面积越大，即与主机排汽的接触面积越大，小机凝结水与主机排汽间的换热也将越快；液滴覆盖面积越大，则小机凝结水喷淋后分布得越均匀，参与换热的小机凝结水液滴比例也将越高。因此要求小机凝结水雾化后，液滴体积越小越好，液滴覆盖面积越大越好。
除喷雾所用特定物质的影响以外，影响雾化液滴大小的四个主要因素是：喷嘴类型、流量、喷射压力、喷雾形状。一般情况下，在同一个雾化喷嘴中，低喷射压力产生较大的液滴，而高喷射压力产生较小的液滴；小流量产生细喷雾液滴，而大流量生成大喷雾液滴。小机凝结水流量取决于给水泵汽轮机进汽量，无法人为改变，故无法通过改变流量来影响雾化效果；在小机凝结水泵一定的情况下，小机凝结水压力受到小机凝结水流量及小机凝结水泵出口调门的开度影响，运行中小机凝泵出口调节门以小机凝汽器水位为调节量进行自动控制调节，而小机凝汽器的水位又是由给水泵汽轮机排汽的凝结形成的，无法人为改变，所以也无法通过改变喷射压力来影响雾化效果；而喷雾形状又取决于喷嘴类型；因此要获得足够理想的雾化效果，需选择合适的喷嘴类型。 小机凝结水雾化喷嘴处于排汽装置内部，不便于检修，加之其喷口又长期受到高压高速水流的磨擦作用，因此喷嘴在满足理想的雾化效果的同时，还应具备如下特点：①结构簡单，便于清洗和更换；②材料耐磨损、腐蚀，使用寿命长；③内流道断面大且通畅，不易堵塞。
綜上所述，宜选用可拆卸的不锈钢材质空心锥形雾化喷嘴。
此外，因雾化喷嘴处于主机排汽装置喉部，其位置距低压缸较近，为避免温度较低的小机凝结水喷至低压末级叶片上，造成低压末级叶片损坏，所以不论任何时候，小机凝结水都不能朝上喷淋，因此要求喷嘴喷口、喷嘴座开口方向都必须朝下。
（三）小机凝结水泵的选型
小机凝结水喷淋至主机排汽汽装置改造后，因喷淋管道较之直排管道长度大幅增加、支管明显增多、加之喷嘴雾化需要一定的压力，故改造时应注意原有的小机凝结水泵的设计压力及能否满足喷嘴的雾化要求，必要时可对小机凝结水泵进行改型。以600MW机组为例，要将小机凝结水泵出口压力由0.15MPa提高到0.5MPa，泵功率需提高约20KW。
（四）控制装置
为得到更好的雾化效果，可分别在小机凝结水喷淋管进入A、B排汽装置前的支管上各增加一台电动阀门，通过DCS控制。在小机凝结水流量较低时，可关闭一台电动阀门，仅留一半雾化喷嘴工作，这样可将单个喷嘴的流量提高一倍，使雾化效果更佳。
（五）末级喷淋支管
末级喷淋支管的出口为雾化喷嘴，因雾化喷嘴的喷口朝下，在喷嘴工作时，朝下的水流会给喷嘴施加一个向上的反作用力，该反作用力将传递到末级喷淋支管上，使末级支管与次末级支管连接处的焊缝受到一个较大的力矩，可能造成末级支管变形或焊缝裂纹。故应设法限制死末级支管向上移动的空间。
三、经济效益分析
根据计算，在T-MCR工况下，投入喷淋系统后，汽轮机真空可提高0.3kPa，对应供电煤耗降低约0.3g/kwh，具有良好的经济效益。
四、结论
小机凝结水喷淋至排汽装置改造，可以有效地降低主汽轮机的排汽温度和排汽背压，进而降低机组的煤耗，不紧提高了机组的经济性和安全性，还能一定程度地缓解机组夏季出力受限的问题；同时，该技改具有投资费用低、施工周期短、施工难度小的优点，值得在直接空冷机组中推广。
参考文献：
[1] 董信照.哈汽600WM汽轮机辅机运行优化方案[J].电源技术应用，2013（06）.
[2] 叶学民，童家麟，吴杰，王晶晶，沈雷，王忠平.600MW直接空冷机组冷端夏季优化运行经济性分析[J].汽轮机技术， 2012（05）.
[4] 张利君，冀树芳.小机凝结水系统改造对空冷机组经济性的影响[J]. 汽轮机技术， 2015（06）.
关键词：直接空冷系统；喷淋降温；汽轮机；凝汽器
在我国北方富煤缺水地区，大型火力发电厂普遍为空冷机组，而直接空冷机组占有较大比重。直接空冷系统的冷源是空气，其冷却性能受环境影响很大，尤其是在夏季高温阶段背压能够达到45～50kPa。运行背压高会威胁发电机组的安全，发电单位往往不得不降低机组负荷以满足机组运行时所需的安全背压，严重制约空冷机组夏季运行的安全性及经济性。目前，很多发电单位都针对直接空冷机组背压高这一问题进行了一系列设备改造，包括喷淋降温、空冷风场优化等。这些改造项目都是从改变就凝汽器外部环境着手进行的，不但投资高，而且存在空冷凝气器表面结垢加快、空冷岛重力负荷增大等隐患。所以发电单位都迫切的想寻找一种投资小、安全性高的途径去缓解空冷机组背压高的问题。
一、直接空冷机组的一些特点
（一）主机排汽装置
主汽轮机排汽装置处于低压缸和排汽管道之间，主要由矩形膨胀节、喉部、壳体、排汽短管、热井、支座构成。低压缸排汽依次通过膨胀节、喉部后，再经导导流板引导，进入排汽管道。 空冷凝汽器内凝结的水通过回水管自流至排汽装置底部的热井。
（二）主机排汽终参数
主汽轮机低压缸排汽终参数主要是指排汽的压力、温度，影响它的因素有很多，主要是排汽量及环境温度。直接空冷系统的冷源是空气，受环境温度的制约，设计背压比湿冷机组高出许多，运行背压范围也比后者大。运行中，主汽轮机的排汽背压一般控制在8kPa-30kPa之间，对应的饱和温度在41℃-69℃之间。
（三）给水泵汽轮机
大型直接空冷机组大都采用以汽动给水泵给水为主，电动机水泵给水为辅的给水方式，机组正常运行时仅运行汽动给水泵。因直接空冷机组背压受环境温度影响大、变化快，为保障机组给水稳定，所以直接空冷机组的每台给水泵汽轮机均配置有一台湿式冷却的凝汽器。
（四）小机凝结水
给水泵汽轮机排汽经其自带的凝汽器冷却后，便形成了小机凝结水。小机凝结水聚集在给水泵汽轮机凝汽器底部的热井内，后通过小机凝结水泵直接排入主机排汽装置热井。小机凝结水泵的出口压力一般设计为0.15MPa-0.2MPa。因给水泵汽轮机凝汽器为湿式冷却，其排气背压始终维持在一个较低的水平，大约在4kPa-10kPa之间，小机凝结水的温度约为28℃-45℃之间。
二、小机凝结水喷淋至排汽装置方案
大型空冷机组在运行中的，因主机与小机的冷却方式不同，具有小汽轮机排汽及其凝结水温度低，而主汽轮机排汽温度高的特点。目前直接空冷机组小机凝结水系统多采用通过小机凝结水泵升压后，将小机凝结水直排至主机排汽装置热井的方式，该种方式不但使小机凝结水的低温特性没得到利用，而且还增加了主机凝结水的过冷度，降低了机组的经济性。若要利用小机凝结水的低温特性，则应在主机排汽进入空冷凝汽器之前，将小機凝结水通过喷嘴雾化后充分混入到主机排汽中，在两者混合后，小机凝结水会对主机排汽进行提前冷却，这样便减少了空冷凝气器的热负荷，同时主机排汽加热了小机凝结水，使其溫度接近主机排汽温度，从而使主机凝结水过冷度进一步减小，提高了回热系统效率。根据主机排汽的特性及主机排汽装置的结构特点，在主机排汽装置喉部布置小机凝结水雾化喷嘴最为合适，一是因为在该位置主机排汽焓值及干度较高，小机凝结水与其混合后传热将更充分；二是排汽装置喉部有足够的空间布置足够多的喷嘴，以使小机凝结水喷淋得更为均匀。
（一）系统的布置
要将小机凝结水喷淋至排汽装置喉部，需对原小机凝结水系统管道进行改造。系统可这样布置：取消小机凝泵出口调门组后至主机排汽装置热井的直排管道，重新布置一路喷淋管道，将小机凝结水从小机凝泵出口调门组后分别引至A、B排汽装置喉部，在排汽装置内，均匀布置支管及喷嘴，覆盖整个排汽装置喉部，使小机凝结水进入主汽轮机排汽装置后，经过喷嘴雾化形成的雾滴直接与主汽轮机低压缸排汽充分混合并换热，有效降低主汽轮机的排汽温度，进而降低主汽轮机的排汽背压，达到节约煤耗之目的。此外，也可保留原有小机凝泵出口调门组后至主机排汽装置热井之间的直排管道，在该直排母管及喷淋母管上各增加一套真空阀门，目的是在喷淋管道、阀门或喷嘴出现故障后，原有的直排系统可正常运行，保证小机凝结水系统正常运行。
主机排汽装置喉部工况变化快，运行环境恶劣，所以新增的喷淋管道，在主机排汽装置外部的部分，可选用与原直排管道材质规格相同的管道，但在主机排汽装置内部的部分则必须使用不锈钢无缝钢管，且所有焊缝必须经过金属检验。
（二）喷嘴的选择
喷嘴是小机凝结水雾化的关键设备，喷嘴雾化效果的优劣，直接影响该改造的节能效果。
评价雾化效果最直接的因素就是雾化后液滴直径的大小和液滴覆盖的面积。液滴越小，单位小机凝结水形成的表面积越大，即与主机排汽的接触面积越大，小机凝结水与主机排汽间的换热也将越快；液滴覆盖面积越大，则小机凝结水喷淋后分布得越均匀，参与换热的小机凝结水液滴比例也将越高。因此要求小机凝结水雾化后，液滴体积越小越好，液滴覆盖面积越大越好。
除喷雾所用特定物质的影响以外，影响雾化液滴大小的四个主要因素是：喷嘴类型、流量、喷射压力、喷雾形状。一般情况下，在同一个雾化喷嘴中，低喷射压力产生较大的液滴，而高喷射压力产生较小的液滴；小流量产生细喷雾液滴，而大流量生成大喷雾液滴。小机凝结水流量取决于给水泵汽轮机进汽量，无法人为改变，故无法通过改变流量来影响雾化效果；在小机凝结水泵一定的情况下，小机凝结水压力受到小机凝结水流量及小机凝结水泵出口调门的开度影响，运行中小机凝泵出口调节门以小机凝汽器水位为调节量进行自动控制调节，而小机凝汽器的水位又是由给水泵汽轮机排汽的凝结形成的，无法人为改变，所以也无法通过改变喷射压力来影响雾化效果；而喷雾形状又取决于喷嘴类型；因此要获得足够理想的雾化效果，需选择合适的喷嘴类型。 小机凝结水雾化喷嘴处于排汽装置内部，不便于检修，加之其喷口又长期受到高压高速水流的磨擦作用，因此喷嘴在满足理想的雾化效果的同时，还应具备如下特点：①结构簡单，便于清洗和更换；②材料耐磨损、腐蚀，使用寿命长；③内流道断面大且通畅，不易堵塞。
綜上所述，宜选用可拆卸的不锈钢材质空心锥形雾化喷嘴。
此外，因雾化喷嘴处于主机排汽装置喉部，其位置距低压缸较近，为避免温度较低的小机凝结水喷至低压末级叶片上，造成低压末级叶片损坏，所以不论任何时候，小机凝结水都不能朝上喷淋，因此要求喷嘴喷口、喷嘴座开口方向都必须朝下。
（三）小机凝结水泵的选型
小机凝结水喷淋至主机排汽汽装置改造后，因喷淋管道较之直排管道长度大幅增加、支管明显增多、加之喷嘴雾化需要一定的压力，故改造时应注意原有的小机凝结水泵的设计压力及能否满足喷嘴的雾化要求，必要时可对小机凝结水泵进行改型。以600MW机组为例，要将小机凝结水泵出口压力由0.15MPa提高到0.5MPa，泵功率需提高约20KW。
（四）控制装置
为得到更好的雾化效果，可分别在小机凝结水喷淋管进入A、B排汽装置前的支管上各增加一台电动阀门，通过DCS控制。在小机凝结水流量较低时，可关闭一台电动阀门，仅留一半雾化喷嘴工作，这样可将单个喷嘴的流量提高一倍，使雾化效果更佳。
（五）末级喷淋支管
末级喷淋支管的出口为雾化喷嘴，因雾化喷嘴的喷口朝下，在喷嘴工作时，朝下的水流会给喷嘴施加一个向上的反作用力，该反作用力将传递到末级喷淋支管上，使末级支管与次末级支管连接处的焊缝受到一个较大的力矩，可能造成末级支管变形或焊缝裂纹。故应设法限制死末级支管向上移动的空间。
三、经济效益分析
根据计算，在T-MCR工况下，投入喷淋系统后，汽轮机真空可提高0.3kPa，对应供电煤耗降低约0.3g/kwh，具有良好的经济效益。
四、结论
小机凝结水喷淋至排汽装置改造，可以有效地降低主汽轮机的排汽温度和排汽背压，进而降低机组的煤耗，不紧提高了机组的经济性和安全性，还能一定程度地缓解机组夏季出力受限的问题；同时，该技改具有投资费用低、施工周期短、施工难度小的优点，值得在直接空冷机组中推广。
参考文献：
[1] 董信照.哈汽600WM汽轮机辅机运行优化方案[J].电源技术应用，2013（06）.
[2] 叶学民，童家麟，吴杰，王晶晶，沈雷，王忠平.600MW直接空冷机组冷端夏季优化运行经济性分析[J].汽轮机技术， 2012（05）.
[4] 张利君，冀树芳.小机凝结水系统改造对空冷机组经济性的影响[J]. 汽轮机技术， 2015（06）.