汽轮机冷端系统诊断和运行优化

汽轮机冷端系统节能诊断及运行优化技术2019/10/7居文平西安热工研究院有限公司2012年10月主要内容2019/10/72一、冷端系统节能诊断二、双背压凝汽器抽空气系统的影响三、冷端系统性能诊断实例四、冷端系统运行优化五、冷端在线监测、诊断系统一、冷端系统性能诊断2019/10/71.节能诊断内容（1）凝汽器及真空系统性能诊断。包含真空严密性、凝汽器传热性能、凝汽器清洁度、凝汽器汽阻(水阻)、过冷度、真空泵运行状态、抽真空系统布置方式是否合理等诊断。（2）循环水系统性能诊断。包含循环水泵性能、循环水系统阻力特性等诊断。3一、冷端系统性能诊断2019/10/74一、冷端系统性能诊断2019/10/72.冷端系统性能影响因素冷却水进口温度（取决于自然条件和冷却塔冷却效率）冷却水流量凝汽器热负荷凝汽器冷却管脏污凝汽器冷却面积漏入凝汽器的空气的聚积程度（取决于真空泵的抽吸能力）真空泵工作水进口温度（冷却水的温度、流量，工作水冷却器性能）真空泵工作水流量双背压凝汽器抽真空系统的布置方式52019/10/72.冷端系统性能影响因素62019/10/7冷端性能影响因素分类7影响类型一级影响因素二级影响因素三级影响因素四级影响因素tw1冷却水进口温度冷却塔性能自然环境Δtw冷却水流量循环水泵出力不足循泵性能与阻力不匹配凝汽器堵塞凝汽器热负荷汽轮机热耗高凝汽器附加热负荷大δt凝汽器脏污胶球清洗系统不正常水质差、杂质多凝汽器面积设计面积偏小空气聚积机组真空严密性差漏入空气真空泵抽吸能力差工作水温度高工作水冷却系统性能差工作水的冷却水温度高工作水流量低双背压凝汽器抽空气系统阻力不匹配1wtwtt2019/10/7（1）冷却水进口温度的影响81wtwtt冷却水进口温度与端差的关系02468100510152025303540冷却水进口温度(℃)端差(℃)冷却水进口温度和凝汽器压力关系曲线024681012140510152025303540冷却水进口温度(℃)凝汽器压力(kPa)2019/10/7（2）冷却水流量的影响91wtwtt2019/10/7漏入空气流量对冷端性能影响的重要关系101wtwtt300MW负荷下真空下降率与漏入空气流量的关系050100150200250050010001500200025003000真空下降率(Pa/min)漏入空气流量(kg/h)300MW负荷下凝汽器压力与漏入空气量的关系4.005.006.007.008.009.0010.000255075100125150175200225250漏入空气流量(kg/h)凝汽器压力(kPa)2019/10/7（3）汽侧空气对凝汽器性能的影响111wtwtt300MW机组凝汽器端差和机组负荷关系12345678100150200250300350机组负荷(MW)凝汽器端差(℃)除去空气影响实际运行300MW机组凝汽器压力和机组负荷关系3.03.54.04.55.05.56.0100150200250300350机组负荷(MW)凝汽器压力(kPa)实际运行除去空气影响2019/10/7（4）冷却管脏污对凝汽器的影响121wtwtt某300MW机组间隔6个月前、后凝汽器性能对比(设计冷却水温度和流量下)3.03.54.04.55.05.56.0405060708090100110120凝汽器热负荷百分比(%)凝汽器压力(kPa)春季试验秋季试验某300MW机组凝汽器性能受冷却管清洁度的影响(设计冷却水温度和流量下，两次试验间隔6个月)3.03.54.04.55.05.56.0100150200250300350机组负荷(MW)凝汽器压力(kPa)实际运行除去空气影响夏季结果春季结果夏季结果春季结果2019/10/7（5）凝汽器热负荷对凝汽器的影响131wtwtt凝汽器热负荷增加对凝汽器压力的影响量0.000.200.400.600.801.0034567891011121314凝汽器压力(kPa)凝汽器压力增加量(kPa)热负荷增加15%热负荷增加7.5%凝汽器热负荷增加主要有两种情况：一、当汽轮机和小汽轮机的内效率下降或初参数降低的情况下，机组又要保持相同的负荷，此时排入凝汽器的冷源损失增加，造成凝汽器热负荷增大；二、其他附加流体不正常地排入凝汽器，造成凝汽器热负荷增大。2019/10/7（6）凝汽器面积对性能的影响141wtwtt某300MW机组凝汽器面积从16000m2增加到19000m2，对应300MW负荷时凝汽器压力下降了0.4kPa。增加凝汽器换热面积，就要对凝汽器实施改造，增加冷却管数量和更改相应的管板连接支撑等，有的甚至需要改变凝汽器外壳，投资和工程量较大，而得到的收益相对较小，在立项之前要充分考虑投入产出比。目前现役大型发电机组凝汽器冷却面积完全可以满足该型机组冷端系统性能的需求。虽然凝汽器冷却面积较大时，凝汽器压力对热负荷及清洁度的变化的敏感性有所降低，但是，造成现役机组真空降低，乃至机组出力减小的主要原因不是凝汽器冷却面积偏小。2019/10/7冷端性能影响因素排序151wtwtt6种影响因素按照对凝汽器性能影响程度由大到小排序为：冷却水进口温度冷却水流量凝汽器热负荷冷管脏污汽侧空气浓度凝汽器冷却面积。凝汽器热负荷、冷管脏污、汽侧空气含量才是影响凝汽器运行性能的关键因素。2019/10/7真空泵性能影响因素161wtwtt2732732732731111tgLgLtdtdgtgcortttttppppnnqq(2)工作水进口温度进口气体压力进口气体温度工作水流量真空泵实际转速2019/10/7工作水温度对空气浓度的影响171wtwtt空冷区空气分压力百分比与工作水温度关系01020304050607080901001520253035404550真空泵工作水温度(℃)空气分压力(%)52kg/h26kg/h127kg/h86kg/h2019/10/7漏入空气量对真空泵性能的影响181wtwtt空气流量对真空泵抽吸能力的影响050100150200250300350400456789真空泵吸入压力(kPa)真空泵抽吸流量(kg/h)空气质量流量混合物质量流量B真空泵吸入压力与耗功的关系曲线96981001021041061081101123.04.05.06.07.08.09.0吸入口压力(kPa)耗功(kW)2019/10/7主要影响因素变化情况影响凝汽器压力kPa影响供电煤耗g/kW.h影响趋势凝汽器冷却水进口温度1℃0.340.82冷却水进口温度越高，凝汽器压力的单位温度变化值越大凝汽器冷却水流量-10%0.410.984冷却水流量越小，每降低10%水量对凝汽压力的影响量越大，随着冷却水温度升高，相同水量变化引起的压力变化越大。真空严密性(漏入空气流量)100Pa/min0.1～0.210.24～0.504漏入空气流量较小时，凝汽器压力变化小；当漏入空气流量超过临界值后，凝汽器压力变化大，且与真空严密性呈线性变化关系凝汽器冷却管清洁系数-0.10.230.552冷却水温度越低，相同清洁系数下降值使得凝汽器压力升高值越小凝汽器热负荷10%0.360.864冷却水进口温度越高，热负荷增加使得凝汽器压力变化值越大凝汽器冷却面积-10%0.210.504随着冷却面积增大，凝汽器压力降低值越小真空泵工作水进口温度(真空严密性良好)40℃0.651.560工作水温度超过40℃，凝汽器压力明显升高；严密性越差，凝汽器压力升高值越大冷端影响因素的影响量19二、双背压凝汽器抽空气系统的影响2019/10/7（1）追求双背压的前提冷却水温度大于20℃时，双背压的压差应大于1.0kPa；冷却水温度低于20℃甚至更低时，双背压的压差变小，如负荷较低时，甚至基本相等。（2）存在的问题（配套布置方式导致）高、低压凝汽器压力差值不明显，甚至低压凝汽器压力与高压凝汽器压力相等；低压凝汽器压力和高压凝汽器压力不能同时达到设计值。20二、双背压凝汽器抽空气系统的影响2019/10/7（3）双背压凝汽器抽空气系统的常见布置方式MM21A串联布置方式BC并联布置方式D2019/10/7项目名称A机组B机组C机组凝汽器型号N-40000-1N-33500N-49000抽空气系统布置方式串联布置方式B串联布置方式A并联布置方式D真空泵设计抽气量/kg·h-1655461低压凝汽器设计压力/kPa4.024.344.4高压凝汽器设计压力/kPa5.305.55.4凝汽器设计冷却面积/m2400003350049000凝汽器设计冷却水流量/m3·h-15830076550111816凝汽器设计冷却水温度/℃202023.5低压凝汽器真空严密性/Pa·min-127323179高压凝汽器真空严密性/Pa·min-126822652机组负荷/MW594.5652.51001.7高压凝汽器传热端差[1]/℃6.1004.9245.259低压凝汽器传热端差[1]/℃10.3649.3666.333高压凝汽器压力[1]/kPa6.5795.2085.207低压凝汽器压力[1]/kPa6.0235.2354.393低压凝汽器压力应达值[2]/kPa4.8714.1344.242（4）抽空气系统阻力不匹配对凝汽器的影响22三、冷端系统诊断实例2019/10/7（1）冷端系统概况N600-16.7/538/538型凝汽式汽轮机配套N-41500－1型双背压表面式凝汽器系统采用循环冷却（冷却塔）方式。循环水系统配套2台72LKXA-23型循环水泵、一座自然通风冷却塔。凝汽器抽空气系统配套三台2BW5353-OEK4型水环式真空泵，采用串联布置方式。232019/10/7（2）诊断内容凝汽器、真空泵及抽空气系统性能诊断；循环水泵及循环水系统性能诊断；冷端系统性能分析、主要影响因素定性和定量分析；提出提高机组运行真空、降低厂用电率的建议和措施。节能诊断基于试验。24三、冷端系统诊断实例2019/10/7试验工况MW600MW500MW400MW循环水泵运行方式/ABABAB真空泵运行方式/BBCB凝汽器冷却水流量m3/h486104861048610低压凝汽器传热端差℃16.19612.54218.199低压凝汽器运行清洁系数/0.2840.3010.195高压凝汽器传热端差℃9.5497.51013.417高压凝汽器运行清洁系数/0.4600.4880.268在设计冷却水进口温度20℃、现有冷却水流量条件下凝汽器平均压力kPa7.926.317.90在设计冷却水进口温度20℃、流量58300m3/h条件下凝汽器平均压力kPa7.165.807.15在设计冷却水进口温度20℃、流量58300m3/h和清洁系数0.85条件下凝汽器平均压力kPa4.724.223.88凝汽器主要性能结果252019/10/7（3）诊断结果及分析真空严密性。真空严密性都达到了良好水平，在真空泵及抽空气系统正常工作的情况下，真空泵完全有能力抽出漏入的空气。凝汽器性能600MW负荷下凝汽器压力偏高约3.21kPa、400MW负荷下凝汽器压力偏高约4.03kPa。严重影响了机组的运行经济性和安全性。冷却水流量欠缺约9690m3/h，流量偏小约16.6%。低压凝汽器的运行清洁系数约为0.284、高压凝汽器的运行清洁系数约为0.46，和设计清洁系数0.85相比明显偏低。表明凝汽器中存在空气聚积、以及凝汽器冷凝管存在脏污，且空气聚积、冷凝管脏污程度比较严重。26三、冷端系统诊断实例2019/10/7（3）诊断结果及分析凝汽器水阻。设计冷却水流量58300m3/h条件下的凝汽器设计水阻为50kPa。而实际状态下，凝汽器冷却水流量为48610m3/h时，凝汽器A侧水阻为68kPa、B侧水阻为66kPa。表明凝汽器冷凝管内壁脏污、端管板管口有杂质。项目名称单位A侧B侧循环水泵运行方式/一机两泵凝汽器冷