百萬千瓦等級機組三背壓凝汽器新型布置方案研究

余 滔

(上海電氣電站設備有限公司上海電站輔機廠，上海 200093)

0 前 言

隨著火力發電機組單機容量的不斷增加，百萬千瓦等級機組為了提高循環熱效率，可以進一步降低阻塞背壓。降低阻塞背壓有兩種方法[1]，一是提高末級葉片的高度，但由于汽輪機轉速高，末級葉片高度很難進一步提高；二是增加低壓缸的數量以增加凝汽器排汽面積，由傳統的二個低壓缸增加到三個低壓缸，即百萬千瓦等級機組需要設計出配套的三殼體凝汽器。

1 幾種傳統布置的三殼體凝汽器

1.1 布置方式

三殼體凝汽器，通過水側聯通管道(以下簡稱聯通管道)和循環水進出接口的布置，以及汽側聯通與否，可以形成單背壓、雙背壓和三背壓布置方式。圖1、圖2和圖3為三種傳統布置方式的流程示意圖[2]。

圖1 單背壓流程示意圖

圖2 雙背壓流程示意圖

圖3 三背壓(傳統)流程示意圖

圖1布置的凝汽器，三個凝汽器的汽側均聯通，每個凝汽器循環水均從前水室一側流入，在后水室返回，再由另一側前水室流出，形成雙流程單背壓凝汽器。

圖2布置的凝汽器，1#和2#凝汽器的汽側聯通，3#凝汽器的汽側獨立。1#和2#凝汽器循環水均從前水室兩側流入，在后水室匯集為一根接管流出至3#凝汽器，3#凝汽器循環水由后水室兩側流入，從前水室兩側流出。根據循環冷卻水平均溫度的高低，1#和2#凝汽器的背壓相同，為低背壓側，3#凝汽器為高背壓側，形成單流程雙背壓凝汽器。

圖3布置的凝汽器，1#、2#和3#凝汽器汽側均不聯通，循環冷卻水依次流過1#、2#、3#凝汽器。根據循環冷卻水平均溫度的高低，1#凝汽器為低背壓側，2#凝汽器為中背壓側，3#凝汽器為高背壓側，形成單流程三背壓(傳統)凝汽器。

1.2 熱力性能對比

根據凝汽器設計原理，相比單背壓，多背壓凝汽器可以提高機組循環熱效率，獲得的收益主要來自兩個方面：一是多背壓凝汽器的平均背壓低于單背壓凝汽器，背壓越低，低壓缸排汽膨脹更充分，做功更多；二是通過特定的結構設計，讓凝結水由低背壓側流入高背壓側充分回熱，凝結水溫度更高，末級低壓加熱器用于加熱凝結水的抽汽需求量減少，更多的蒸汽可以參與做功[3]。

某項目凝汽器循環水進水溫度為18 ℃，汽輪機采用三個低壓缸排汽口方案，對應配置一臺三殼體凝汽器，凝汽器總計算面積為60 930 m2，根據上述三種傳統布置方式分別計算出背壓見表1。

表1 三種傳統布置方式的背壓對比表(單位：kPa)

可以看出多背壓布置下的凝汽器的平均背壓更低，相比單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器低0.091 kPa，三背壓(傳統)凝汽器低0.21 kPa。三背壓(傳統)布置下的凝汽器背壓更低，機組效率提升會更多。

1.3 布置時存在的問題

雙背壓凝汽器雖有一定的背壓收益，但在工程應用布置時會存在以下問題：

3#凝汽器單獨為高背壓側，換熱面積比1#、2#凝汽器更大，殼體更大，底部負挖更多，需要向外側延伸，此處汽機平臺的土建立柱以及0米層的負挖量需要去適應3#凝汽器的布置，土建成本會有所增加。

1#、2#凝汽器循環冷卻水匯集后進入3#凝汽器，后水室側的循環水聯通管連接復雜，且3#殼體半側的聯通管道內徑需要大于3 000 mm，要占用更多的布置空間。

三背壓(傳統)凝汽器雖有較好的背壓收益，但在工程應用布置時(俯視方案圖見圖4)會存在以下問題：

前后側各有兩組聯通管道，聯通管道的內徑為2 600 mm，彎頭占用大量布置空間，增加了廠房投資。

三個凝汽器通過聯通管道串聯，循環水流程明顯增長，水阻大大增加，增加了循環水泵能源消耗。

進出口水管不在同一側，廠區外聯通管道接入汽機房布置困難，會增加負挖布置管道的土建成本。

圖4 三背壓(傳統)凝汽器布置俯視圖

2 一種新型布置的三殼體三背壓凝汽器

2.1 布置方式

上述傳統布置方式的多背壓方案在三殼體凝汽器工程應用上均存在一些布置問題，不能滿足部分用戶的需求。因此研究設計了一種新型三背壓布置方式，通過調整進出口水管及聯通管道的布置，既能實現三殼體凝汽器的三背壓運行，又能克服上述傳統多背壓布置的缺點。

新型三背壓凝汽器為單流程，每個凝汽器殼體內設置2組管束A和B。循環冷卻水接口：1#凝汽器有兩個進口，2#凝汽器有一個進口、一個出口，3#凝汽器有兩個出口。循環冷卻水流程(見圖5)：從凝汽器1A流經凝汽器3B后流出，從凝汽器1B流經凝汽器2A后流出，從凝汽器2B流經凝汽器3A后流出(布置俯視圖見圖6)。

圖5 新型三背壓流程示意圖

圖6 新型三背壓凝汽器布置俯視圖

新型三背壓凝汽器相比三背壓(傳統)凝汽器在布置方式上具有以下優點：

循環水聯通管布置在同一側，充分利用上下空間布置后水室聯通管，廠房占地相比減少近100 m2，節約出大量的空間可以布置其他設備；

循環水三進三出，循環水的流程縮短，水阻相比降低約1/3；

循環水進出口水管在同一側，可方便布置進出汽機房的循環水管道。

2.2 熱力計算

按照上述某項目凝汽器的熱力邊界條件，對新型三背壓凝汽器方案的熱力計算進行研究。

1#凝汽器內左右兩組管束循環冷卻水的冷卻水流量均相同、進口水溫均為18 ℃，因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力相同，熱負荷相同，1#凝汽器可以整體按照單背壓凝汽器來計算，得出冷卻水出口水溫、換熱面積和凝汽器背壓。

2#凝汽器內左右兩組管束循環冷卻水的冷卻水流量均相同、進口水溫不同，因此左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同，熱負荷不同，2B管束的進口水溫為18℃，2A管束的進口水溫為1B管束的出口水溫，兩組管束需要拆開來進行計算，通過熱負荷的分配調整，使得兩組管束的計算換熱面積一致，同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

3#凝汽器與2#凝汽器情況相似，左右兩組管束冷凝蒸汽的能力不同，熱負荷不同，3A管束的進口水溫為2B管束的出口水溫，3B管束的進口水溫為1A管束的出口水溫，兩組管束需要拆開來進行計算，通過熱負荷的分配調整，使得兩組管束的計算換熱面積一致，同時得出冷卻水出口水溫、凝汽器背壓。

通過調整凝汽器背壓、熱負荷分配，進行迭代計算，最終使三個凝汽器的計算面積相同，此時三個凝汽器對應三個不同的背壓，匯總的數據見表2。

表2 新型三背壓凝汽器熱力計算數據匯總表

2.3 熱力性能對比

根據背壓對應的蒸汽飽和溫度，計算出三個凝汽器的平均蒸汽飽和溫度，查焓熵表得到對應的平均背壓。新型三背壓凝汽器和表1中單背壓及三背壓(傳統)凝汽器三種方案的背壓對比見表3。

表3 三種方案的背壓對比表(單位：kPa)

通過對平均背壓的比較，三背壓(傳統)凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.21 kPa，新型三背壓凝汽器相比單背壓凝汽器平均背壓下降0.122 kPa。

雖然新型三背壓凝汽器的背壓下降數值小于三背壓(傳統)凝汽器，即增加的背壓收益相比三背壓(傳統)凝汽器減少，但從凝汽器水阻、循環水管道進出方位、廠房內布置占用空間、土建負挖工作量等整體上考慮，上述某項目采用新型三背壓凝汽器比三背壓(傳統)凝汽器更具有工程應用價值。

2.4 后水室及聯通管道設計關鍵點

后水室聯通管道常見于600 MW、1 000 MW及以上等級機組多殼體凝汽器，通過聯通不同凝汽器的后水室，聯通循環水側，可以實現多殼體凝汽器多背壓運行。

新型三背壓凝汽器的后水室聯通管道主要為凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A、凝汽器1A與3B的后水室聯通。

凝汽器1B與2A、凝汽器2B與3A的后水室聯通類型一致，由于兩殼體中心間距約4.5 m，如直接采用兩個90°彎頭連接，單個內徑為2 600 mm的90°彎頭中心至端面距離大于2.6 m，兩個彎頭中間還需設置膨脹節，布置距離不夠，因此無法直接采用彎頭連接，為了節約布置空間，將后水室接管截面由圓形改為腰圓設計，朝一側水平斜15°接出，再通過幾段接管的角度變化實現流向90°的轉變，后水室聯通管道俯視圖見圖7。后水室接管厚度及聯通管道的加強措施可通過有限元軟件進行強度分析。

圖7 新型三背壓凝汽器后水室聯通管道俯視圖

凝汽器1A與3B的后水室聯通，由于聯通的距離較遠，空間足夠，可以通過圓形的長聯通管路連接，如圖8所示。

圖8 新型三背壓凝汽器后水室聯通管道正視圖

支座選擇標準鞍式支座，由于管道的長度約為20 m，充滿循環冷卻水后，載荷重量較大，最終選擇6個支座，支座采用地腳螺栓錨固，支座底板上的螺栓孔需考慮水平兩個方向的膨脹位移量。

凝汽器運行時會以死點為基準，隨著導向支座朝特定的方向膨脹，新型三背壓凝汽器汽側互不聯通，采用聯通管道連接兩個凝汽器，考慮熱位移，需要在聯通管道的中間設計膨脹節。膨脹節需根據循環冷卻水的水質選擇材質，一般氯離子含量較低的淡水采用不銹鋼膨脹節，濃鹽水或海水采用橡膠膨脹節。兩個凝汽器運行時沿管道徑向的熱位移基本相當，此膨脹節主要吸收兩個凝汽器沿管道軸向的熱位移差，據此來設計合適的膨脹節。

3 結 論

百萬千瓦等級機組新型三殼體三背壓凝汽器，通過調整循環水管道進出口的布置，以及后水室及聯通管道的設計，在不增加土建負挖工作量、不增加聯通管道布置面積和難度、不影響汽輪機廠房基礎設計的情況下，即可實現凝汽器的三背壓運行。相比單背壓，一定程度的降低了凝汽器平均背壓，機組獲得了一定的收益，具有工程應用價值。