300mw及以上直接空冷煤石電廠機(jī)組疏水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0電廠空冷系統(tǒng)概述由于中國(guó)富碳地區(qū)（如晉北和內(nèi)蒙古）水資源不足，影響了當(dāng)?shù)啬茉垂I(yè)的發(fā)展。隨著發(fā)電廠空冷技術(shù)的提高和成熟,在富煤缺水地區(qū)建設(shè)大型火電廠成為可能。近年來,中國(guó)通過吸收引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的空冷技術(shù),已具備獨(dú)立設(shè)計(jì)、生產(chǎn)大型空冷系統(tǒng)的能力并已有成功的應(yīng)用業(yè)績(jī)。電廠主機(jī)空冷系統(tǒng)基本上可分為直接空冷和間接空冷2種,主機(jī)采用直接空冷后,由于給水泵特殊的運(yùn)行方式和直接空冷系統(tǒng)背壓的不穩(wěn)定,給水泵基本采用電動(dòng)給水泵或采用獨(dú)立冷卻方式的汽動(dòng)給水泵。目前中國(guó)在直接空冷機(jī)組采用汽動(dòng)給水泵后,汽動(dòng)給水泵汽輪機(jī)(以下簡(jiǎn)稱小汽輪機(jī))凝汽器疏水傳統(tǒng)上采用電動(dòng)疏水泵疏水至主機(jī)排汽裝置熱井內(nèi)。針對(duì)小汽輪機(jī)凝汽器疏水傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足,山西右玉發(fā)電廠新建2×330MW直接空冷煤矸石電廠采用了U水封自流式疏水,該系統(tǒng)操作維護(hù)簡(jiǎn)單、節(jié)約投資、節(jié)約廠用電。1凝汽器凝結(jié)水回收裝置300MW及以上直接空冷機(jī)組主機(jī)、小汽輪機(jī)通常布置在汽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)層,主機(jī)排汽裝置熱井通常在0m以下,小汽輪機(jī)凝汽器布置在汽機(jī)房中間層。小汽輪機(jī)凝汽器凝結(jié)水通過電動(dòng)疏水泵疏水至主機(jī)排汽裝置熱井內(nèi)進(jìn)行回收(見圖1),電動(dòng)疏水泵通常布置在汽機(jī)房0m平臺(tái),該系統(tǒng)在運(yùn)行中存在以下幾點(diǎn)不足之處:a)系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行操作量大;b)由于小汽輪機(jī)疏水溫度較高,疏水泵易汽化,影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;c)汽機(jī)房零米層設(shè)備數(shù)量增加,布置較為擁擠。2凝汽器疏水由疏水泵疏水改為u水封疏水的問題分析山西右玉發(fā)電廠2×330MW煤矸石電廠項(xiàng)目所在地地處晉北地區(qū),干旱少雨,水資源極度缺乏。項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段充分考慮本地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn),綜合考慮廠用電率和水耗等因素后,汽機(jī)主機(jī)采用直接空冷技術(shù),單臺(tái)機(jī)組給水泵采用2×50%汽動(dòng)給水泵+1×30%電動(dòng)給水泵方案,給水泵汽輪機(jī)排汽采用表面式機(jī)械通風(fēng)間接空冷系統(tǒng),循環(huán)水系統(tǒng)采用單元制。工程汽機(jī)房分為0m層、中間層、運(yùn)轉(zhuǎn)層三層,其中中間層相對(duì)標(biāo)高為6.3m,運(yùn)轉(zhuǎn)層相對(duì)標(biāo)高為12.6m,。主機(jī)排汽裝置布置在汽機(jī)房0m層底標(biāo)高為-4.5m的混凝土基坑內(nèi),排汽裝置底標(biāo)高為-3.05m,小汽輪機(jī)凝汽器布置在中間層,凝汽器熱井凝結(jié)水出口標(biāo)高為5.88m。主機(jī)排汽裝置與小汽輪機(jī)凝汽器相對(duì)空間位置如圖2所示。工程主機(jī)主要工況背壓:THA工況背壓為12.5kPa(絕對(duì)壓力,下同),TRL工況背壓為30kPa,VWO工況背壓為14kPa,TMCR工況背壓為12.5kPa,最高允許運(yùn)行背壓為43kPa。小汽輪機(jī)THA工況背壓為11kPa,TRL工況背壓為27kPa,VWO工況背壓為11kPa,TMCR工況背壓為11kPa。直接空冷機(jī)組運(yùn)行背壓P2隨機(jī)組負(fù)荷、氣溫、風(fēng)況等因素綜合影響,運(yùn)行背壓處于不穩(wěn)定狀態(tài),小汽輪機(jī)由于采用哈蒙式間冷系統(tǒng),運(yùn)行背壓較為穩(wěn)定。小汽輪機(jī)凝汽器疏水由疏水泵疏水改為U水封疏水需要解決兩個(gè)問題:a)在主機(jī)、小機(jī)所有工況點(diǎn),小機(jī)凝結(jié)水排至主機(jī)排汽裝置是否有足夠的動(dòng)力,會(huì)不會(huì)造成返水;b)多級(jí)水封怎么設(shè)計(jì)。為了便于分析計(jì)算,在此先建立多級(jí)水封疏水系統(tǒng),其疏水系統(tǒng)示意圖如圖3所示。分析主機(jī)、小汽輪機(jī)各運(yùn)行工況背壓可發(fā)現(xiàn),小汽輪機(jī)凝汽器采用多級(jí)水封直接疏水至主機(jī)排汽裝置,最主要的關(guān)鍵點(diǎn)在于主機(jī)與小汽輪機(jī)運(yùn)行背壓的不穩(wěn)定,特別是主機(jī)運(yùn)行背壓變動(dòng)范圍大(12.5kPa~43kPa),增加了多級(jí)水封運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),如設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成小汽輪機(jī)凝汽器滿水或水封擊穿。首先分析各工況下,小汽輪機(jī)凝汽器疏水將傳統(tǒng)凝疏泵疏水改為多級(jí)水封自流式疏水是否有足夠的動(dòng)力。分析主機(jī)、小汽輪機(jī)各運(yùn)行工況背壓可發(fā)現(xiàn),最不利于多級(jí)水封自流式疏水的工況應(yīng)該是小汽輪機(jī)排汽背壓最低、主機(jī)排汽背壓最高工況。由于主機(jī)排汽裝置導(dǎo)汽板有開孔,排汽裝置汽側(cè)與水側(cè)相通,可認(rèn)為汽側(cè)與水側(cè)壓力相等;由于排汽裝置內(nèi)部空間大且距離短,可忽略主機(jī)低壓缸排汽在排汽裝置內(nèi)流動(dòng)沿程壓損;由于排汽裝置水側(cè)在機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中水位很低,多級(jí)水封接口可接在排汽裝置水側(cè)高高水位上部。綜合上述,可認(rèn)為多級(jí)水封與主機(jī)排汽裝置接口處壓力等于主機(jī)低壓缸排汽壓力即背壓,小汽輪機(jī)也進(jìn)行同樣處理,忽略小汽輪機(jī)排汽在凝汽器內(nèi)流動(dòng)的沿程損失。根據(jù)廠家說明書,小汽輪機(jī)各種工況下最低運(yùn)行背壓為11kPa,凝汽器安裝位置為6.3m層,根據(jù)圖2可計(jì)算出小汽輪機(jī)凝汽器熱水井疏水口標(biāo)高為5.88m。主機(jī)最高允許運(yùn)行背壓為43kPa,主機(jī)排汽裝置安裝底標(biāo)高為-3.05m。在分析中,設(shè)定小汽輪機(jī)凝汽器熱水井水位處于正常運(yùn)行水位即小汽輪機(jī)凝汽器熱井內(nèi)水位標(biāo)高為6.3m,多級(jí)水封至主機(jī)排汽裝置疏水接口位置標(biāo)高為0m(處于主機(jī)排汽裝置水側(cè)運(yùn)行最高允許水位以上)。最不利于小汽輪機(jī)凝汽器通過多級(jí)水封疏水工況下,設(shè)小汽輪機(jī)凝汽器熱井疏水接口至主機(jī)排汽裝置接口壓差為P。P=11kPa+64.9kPa(6.3m高程差)-43kPa,g取9.8N/kg,在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中上述設(shè)定是合理的,不影響分析計(jì)算,所以小機(jī)疏水至排汽裝置采用多級(jí)水封自流式疏水在動(dòng)力上是滿足的。多級(jí)水封高度計(jì)算,初步設(shè)定多級(jí)水封布置在汽機(jī)房0m層,根據(jù)水封計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算:在式(1)中,H為水封高度,m;N為水封級(jí)數(shù);P1水封進(jìn)口壓力,Pa;P2水封出口壓力,Pa;0.5為水封設(shè)計(jì)余量,m;ρ為水的密度,kg/m3,此計(jì)算中取小汽輪機(jī)平均背壓下,小汽輪機(jī)排汽壓力下飽和水的密度,ρ=980kg/m3,g取9.8N/kg。在式(1)可改為:在式(2)中,P1=P小+h,P小為小機(jī)排汽壓力,Pa;h為小機(jī)熱水井水面至多級(jí)水封進(jìn)口接口高程差,m;P2為排汽裝置壓力,Pa,式(2)可換算為:在式(4)中,對(duì)于設(shè)計(jì)好的多級(jí)水封K為定值,P小、h、P2均為變值,P小、P2隨機(jī)組運(yùn)行工況變化,h隨小汽輪機(jī)熱水井疏水口至多級(jí)水封接口處水位的波動(dòng)變化。由于主機(jī)、小汽輪機(jī)在運(yùn)行中處于變工況運(yùn)行,主機(jī)和小汽輪機(jī)的排汽壓力處于波動(dòng),在多級(jí)水封的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)從防止主機(jī)背壓過高導(dǎo)致小汽輪機(jī)凝汽器滿水造成事故和防止小汽輪機(jī)排汽壓力高導(dǎo)致水封被擊穿兩種情況考慮,即在計(jì)算過程中取2個(gè)極端工況進(jìn)行計(jì)算,取水封總高度最高值為設(shè)計(jì)值。第1情況:防止主機(jī)背壓過高導(dǎo)致小汽輪機(jī)凝汽器滿水造成事故需按照小汽輪機(jī)排汽背壓最低,主機(jī)排汽壓力最高,小汽輪機(jī)凝汽器熱水井疏水口至多級(jí)水封進(jìn)口管段內(nèi)全部充滿凝結(jié)水且小汽輪機(jī)凝汽器熱水井水位處于正常運(yùn)行水位即水位標(biāo)高為6.3m進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,在計(jì)算小汽輪機(jī)凝汽器疏水至多級(jí)水封進(jìn)口管段水位高程差時(shí)應(yīng)減去多級(jí)水封的安裝高度,即(4)式中h=6.3-H。K=11kPa+64.93kPa-H-43kPa可改為:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)布置和經(jīng)驗(yàn)取N為4,水封高度為0.98m。第2情況:防止小汽輪機(jī)高背壓工況下造成水封擊穿需按照小汽輪機(jī)排汽背壓最高,主機(jī)排汽壓力最低,小汽輪機(jī)凝汽器熱水井疏水口至多級(jí)水封進(jìn)口管段內(nèi)全部充滿蒸汽即小汽輪機(jī)凝汽器熱水井內(nèi)無水位設(shè)計(jì)計(jì)算。K=27kPa-12.5kPa可改為:取N=4,H值為0.5m。綜合上述2種情況,多級(jí)水封設(shè)計(jì)中有效水封高度取1m,共4級(jí)。3凝汽器疏水回收利用工程在工程實(shí)際實(shí)施過程中考慮多級(jí)水封運(yùn)行中容易造成排氣不盡等現(xiàn)象,造成水封運(yùn)行不正常,改為單級(jí)U型水封(見圖4)。分析上述計(jì)算數(shù)據(jù)可知,h1最小取值為2m,h2最小取值為3.92m。根據(jù)圖2所示,山西右玉發(fā)電廠新建2×330MW發(fā)電機(jī)組小汽輪機(jī)凝汽器熱水井與主機(jī)排汽裝置水側(cè)可用高程空間較為寬裕,在工程實(shí)施過程中,取h1=2.6m,取h2=4.5m,U型水封總高度為7.1m,安全余量大,能滿足工程實(shí)際需要,工程最終系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖5。將傳統(tǒng)的小汽輪凝汽器疏水由凝水泵疏水改為單級(jí)水封疏水,降到了系統(tǒng)初投資、運(yùn)行費(fèi)用(檢修維護(hù)費(fèi)、電費(fèi)等),節(jié)