国电电力大同发电有限责任公司安装的2台600MW 亚临界直接空冷机组,由哈尔滨汽轮机有限公司生产,汽轮机型号为NZK600-16.7/538/538,直接空冷系统由德国GEA能源技术有限公司整岛供货。夏季工况条件为:环境气温30℃时,汽机背压30kPa,机组功率600MW。

该公司7号机组于2005年4月21日顺利完成168h满负荷试运,比计划工期提前109天投产发电。8号机组于2005年7月22日顺利通过168h试运行,比计划工期提前201天投产发电。2台600MW 直接空冷机组的提前投产发电,对山西省和京津唐地区的经济建设发挥了积极作用。目前2台机组的运行情况良好,已经具备了安全、稳定、连续运行的条件。

直接空冷系统主要包括:排汽管道、空冷凝汽器(管束-风机组)和冲洗系统。

直接空冷系统的流程:从汽轮机低压缸排出的乏汽,经由两根直径为6m的排汽管道引出厂房外,垂直上升到34m高度后,分出8根直径为2.8m的蒸汽分配管,将乏汽引入空冷凝汽器顶部的配汽联箱。每组分配联箱与7个冷却单元相连接,每个冷却单元由10块冷却翅片管束和一个直径为8.91m的轴流风机组成。10块翅片管束以接近60°角组成的等腰三角形"A"型结构构成,"A"型结构两侧分别有5个管束,管束长度为10m。

当乏汽通过联箱流经空冷凝汽器的翅片管束时,由轴流风机吸入的大量冷空气,通过翅片管的外部,与管束内的蒸汽进行表面换热,将乏汽的热量带走,从而使排汽凝结为水。凝结水由凝结水管收集起来,排至凝结水箱。由凝结水泵升压,送往汽机的热力系统,去完成热力循环。

汽轮机的排汽有约70%～80%的乏汽在顺流式凝汽器中被冷却,形成凝结水,剩余的蒸汽随后在逆流式凝汽器中被冷却。在逆流管束的顶部设有抽真空系统,能够比较畅通地将系统中空气和不凝结气体抽出,同时空冷凝汽器的管束采用单排管(在目前运行的单排管中单机容量最大),有效地防止了冬季运行中因流量不均造成的冻结;在设计上,因逆流式凝汽器中蒸汽和凝结水的流动是逆向的,这样也保证了冷凝水不易在流动过程中发生过冷和冻结。

1 空冷汽轮机和湿冷汽轮机的运行特性比较

湿冷汽轮机的排汽经表面式凝汽器,通过循环冷却水将其汽化潜热带走,受热的循环水在水塔内通过淋水装置与空气接触进行热交换(蒸发冷却),冷却水温与大气的湿球温度相关。

而空冷汽轮机的排汽或是通过中间介质(循环冷却水)经密闭的空冷散热器(间接空冷,如海勒式间接空冷系统),或直接通过空冷凝汽器(直接空冷)与空气进行热交换,冷却水温或凝结水温与大气的干球温度相关。大气干球温度不但高于湿球温度,而且干球的昼夜温差也高于湿球的昼夜温差。使空冷汽轮机组的运行特性与湿冷汽轮机相比出现了如下的主要差别:

(1)额定背压高

湿冷汽轮机的额定背压为4.9kPa左右,而空冷汽轮机的额定背压一般在13～18kPa之间。我公司600MW 直接空冷机组的额定背压为15kPa。

(2)运行背压变化大

由于大气干球温度的昼夜温差变化大,一年四季的温度变化范围更大,故空冷汽轮机的背压昼夜变化大,一年四季的背压变化范围更大。湿冷汽轮机的运行背压范围为4.9～11.8kPa,而空冷汽轮机的运行背压为5～50kPa,空冷汽轮机的背压变化范围是湿冷汽轮机的3～4倍。通常湿冷汽轮机夏季的满发背压为11.8kPa,而空冷汽轮机夏季的满发背压为30～35kPa左右,空冷机组夏季的运行背压高出湿冷机组3倍左右。

例如分析我公司7号机在2005年6月20日0:00～6月21日0:00期间24h的机组出力,从中可以看出一天中机组背压的变化在10～45kPa,达到了35kPa的变化量。由于在高气温、高背压条件下,机组附加的排热量及空冷凝汽器较脏和真空恶化等原因,机组的背压超出设计数值。机组背压在一定的风机转速和一定的负荷情况下,还受到当时气象条件(风向风速)的较大影响,使得满发背压达到45kPa。

2 影响真空严密性试验的因素

对于汽轮机而言,背压的高低对汽轮机的经济性有着直接的影响,背压低,汽轮机可用的有效焓降大,被冷端带走的热量减少,机组的热效率提高。凝汽器内漏入空气后,增加了背压,降低了传热效果,汽轮机的可用焓降减少,被冷端带走的热量增多,机组效率降低。漏入的空气量增大后,易使凝结水呈微酸性,造成水系统管路及设备腐蚀。

因真空系统的漏空气量与负荷有关,负荷不同,处于真空状态的设备、系统范围不同,凝汽器内的真空也不同,漏空气量也不同,而且相同的空气漏入量,在负荷不同时真空下降的速度也不一样。

直接空冷系统真空系统体积庞大,600MW机组真空系统容积在12000～15000m3,是湿冷机组真空容积的4～5倍,要保持与湿冷机组相同的空气漏入量,对如此庞大的直接空冷凝汽器的严密性要求应严格得多。

除了上面所论述的负荷和系统范围外,直接空冷机组还存在着受环境温度、大气压力、冷却风机转速、当时的气象条件(如风速、风向等)的影响。按照常规的湿冷机组的试验方法,将负荷稳定维持在80%额定负荷下进行试验时,直接空冷机组还要受到在试验过程中上述条件变化的影响。直接影响了直接空冷机组的严密性试验的结果。所以直接空冷机组真空严密性试验不宜采用湿冷机组的验收指标和试验方法。

3 试验方法步骤和应注意的问题

(1)考虑到真空系统的漏空气量与负荷有关,试验时应保持机组有功负荷不低于480MW(80%额定负荷)且稳定运行。投入AGC控制的机组,在试验过程中应解除AGC,同时将机炉协调控制(CCS)解除,转为DEH的"阀位控制"模式,同时应稳定锅炉燃烧及机前参数,并控制汽轮机的进汽量不变。

由于直接空冷系统的真空容积庞大,为真实反映空冷凝汽器的漏入空气,建议在每次试验时负荷应一致,主蒸汽流量保持不变,以便于进行后续的严密性分析和比较。

(2)空冷机组运行背压要受到冷却风机转速变化的影响,为了减少空冷风机转速变化对试验结果的干扰,空冷风机必须根据当时负荷,解除转速自动调整,在试验期间应保持某一个固定转速运行。如果在试验过程中,风机转速不解除自动调整,则在试验过程中随着背压的升高,风机转速将自动加大,测量计算出的严密性试验的结果将比实际值偏低。不能如实地反映真实严密性。

(3)低压轴封供汽压力对真空严密性试验的结果有直接影响,为了尽可能真实地反映严密性,建议在实验前将低压轴封的供汽压力调整到能够保证汽轮机油质水分不至于超标的最高压力。以便于最大限度地减少从汽轮机低压轴封漏入空冷凝汽器的空气量。这个压力应根据不同机组的轴封系统特点决定。

我公司7号机于2005年6月22日9:00～10:30在机组运行状态下进行了两次不同轴封压力下的真空严密性试验对比。需要指出的是正常运行中由于受到汽轮机油质水分的限制,一般设定轴封压力为23kPa左右。当时的对比试验我们选取了30kPa和23kPa两种轴封压力进行了对比,测得的试验结果如下:当轴封压力维持在30kPa左右时,试验得出的结果为0.258kPa/min;当轴封压力维持在23kPa时,试验得出的结果为0.40kPa/min(高气温高背压时,真空趋于恶化状态)。

(4)在试验期间,为了保证直接空冷机组的安全运行,应根据机组的背压运行曲线将机组背压控制在安全的范围内,同时应留出一定的安全裕量。

由于在试验期间机组背压总体趋势是升高的,同时还要受到在试验期间环境气象条件的干扰。在恶劣气候条件下(如雷阵雨前一股大风),我们曾经观察到运行机组在几分钟内背压按直线上升的幅值超过了20kPa,所以在试验时应对当时的气象条件进行分析,尽可能在气象条件好的时段进行试验,同时应比汽机跳闸背压留出至少25kPa的安全背压富裕量。

(5)在试验前,应检查备用真空泵,保证它在良好的备用状态,备用真空泵启动试验正常后可以进行开始试验前的机组运行参数记录。

(6)真空严密性试验期间应记录的参数有:当时大气压力;环境温度;当时的风向、风速;试验期间的负荷;低压轴封供汽压力;新蒸汽及再蒸汽的压力、温度以及流量;空冷风机的转速等。

(7)直接空冷机组进行真空严密性试验所需要的时间比较长。实际运行中,需要将空冷风机转速调整到适合进行试验所需要的背压(保证至少25kPa的背压富裕量),调整风机转速后机组背压不会马上发生变化,需要2～3min的时间方可达到稳定;停止真空泵后,背压因受到当时气象条件的影响,有可能还要进一步降低,等到背压开始升高时,也需要一定的时间。

从2005年3月31日18:00～18:20在机组启动试运行阶段进行的7号机真空严密性试验数据可以看出这种现象,当时的试验条件:空冷风机全部在55.0Hz下运行,风机全部解除自动;汽机阀位方式,机组负荷为500MW,轴封供汽压力为50kPa。3台真空泵全部停止运行时间为18min,

实验数据见表1。