350MW超临界汽轮机蒸汽冷却器优化设计

王 刚 郝 丹

350MW超临界汽轮机蒸汽冷却器优化设计

王 刚 郝 丹

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

为了提高汽轮机组的经济性，需要对机组的回热系统进行优化设计。通过在高压加热器上增设外置式蒸汽冷却器，提高了机组的换热效率，降低了运行成本。

汽轮机 回热系统 高压加热器 蒸汽冷却器

机组的回热系统是减少冷源损失的重要手段。从汽机的不同中间级后抽出部分蒸汽，逐级加热给水，使其最终达到合适的给水温度并进入锅炉或蒸汽发生器，从而减少排汽量，降低排汽余速损失，降低凝汽损失，使热耗明显下降。根据朗肯循环定义，提高平均吸热温度能提高循环效率，所以采用更多的回热级数能进一步降低机组的热耗，提高机组的经济性。

汽轮机组工作的热力过程中主要能量损失是蒸汽在冷端的凝汽放热损失，回热抽汽系统过热度大，传热温差大，致使回热换热过程的不可逆，导致换热损失增加。对350MW超临界机组回热系统过热度较大的高压加热器增设外置式蒸汽冷却器，可以有效减少机组的这一部分损失，充分利用汽轮机回热抽汽过热度，提高机组循环热效率，从而提高机组的经济性。

1 外置式蒸汽冷器结构及工作原理

外置式蒸汽冷却器主要采取正置式U型管的布置方式，可有效节省空间。蒸汽冷却器壳程采用单流程，管侧采用双流程，换热的方式采取混合式折流换热，即过热蒸汽从蒸汽冷却器的尾部进入设备，经多级折流板折流，以提高整个设备的换热效率，换热后，蒸汽从靠近管板一侧流出，可有效降低管板的设计温度，降低材料成本。要避免过热蒸汽从管板一侧流入带来的不安全因素。

2 外置式蒸汽冷却器的连接方式

外置式蒸汽冷却器是回热系统的一个独立加热器，按连接方式的不同，可分为串联式与并联式。如图1、图2所示。

图1　外置蒸冷器串联布置原则性系统图

图2　外置蒸冷器并联布置原则性系统图

外置式蒸汽冷却器与高压加热器不同的连接方式对热力系统经济性的影响是不同的。一般来说，串联方式的优点是进水温度高，传热平均温差小，缺点是增大了给水系统的阻力，蒸汽的过热度利用相对较少，因此，增加的回热抽汽量少。相反，并联方式的优点是给水系统阻力小，蒸汽的过热度利用多，缺点是进水温度低，传热温差大，特别是给水分流后进入下游高压加热器的给水量减少，这将有可能导致总的回热抽汽量大幅减少，对机组的经济性有较大影响。以3号高压加热器单级串联与并联外置式蒸汽冷却器为例，并联设置时从3号高压加热器出口引取部分给水到蒸汽冷却器，加热后到1号高压加热器出口与主给水混合。由此可以看出，蒸汽冷却器的进水温度要比串联方式低得多。

由上述可见，外置式蒸汽冷却器采取串联方案，在机组经济性、安全性和运行稳定性上均优于并联方案。

3 外置式蒸汽冷却器下端差的选择

外置式蒸汽冷却器的工作原理主要是通过加大回热抽汽量、减少冷端损失，从而提高经济性。因此，回热抽汽量增加得越多，经济性的收益就越好。由热平衡原理可知，增设外置式蒸汽冷却器后，回热抽汽量的增量仅由蒸汽冷却器的下端差，即给水进口与蒸汽出口的传热温差决定，因此，经济性收益就完全由蒸汽冷却器的下端差决定。以3#高压加热器串联一个外置式蒸汽冷却器为例，分别按照不同的下端差进行计算，具体如表1所示。

由表1可知，外置式蒸汽冷却器下端差取得越小，进入加热器的蒸汽温度就越低，回热抽汽量的增加就越多，经济性的增益就越好。但是，蒸汽冷却器下端差取得较小，则其传热量将增加，同时，传热温差减小，所需的传热面积将增大，相关设备的投资成本升高。因此，蒸汽冷却器下端差的选择需要综合评估确定，既要有良好的经济收益，又要保证蒸冷器具有合适的换热面积。目前，350MW等级超临界机组在设计过程中蒸汽冷却器的下端差一般取8℃～40℃。

表1　不同下端差的经济效益

4 增设外置式蒸汽冷器经济性说明

高压加热器壳侧压力降较低，单台高压加热器的总压降应不大于0.1MPa，在壳侧设计运行工况时，通过高压加热器的总压力损失不超过高压加热器级间压差的30%，以此来确保高压加热器疏水畅通，不会出现反向换热等现象。同时，在低负荷运行工况下，保证进入高压加热器的蒸汽仍带有一定的过热度，使高压加热器过段内不会出现露点，保证高压加热器的安全运行。按照此要求，选择外置式蒸汽冷却器合理的连接方式及下端差非常重要。

350MW超临界机组回热系统中3#高压加热器串联一个外置式蒸冷器，同时，下端差为8℃时，机组的最终给水温度增加了3.6℃，热耗降低了14.4kJ/kW·h（参见工况一）。

5 结论

350MW超临界机组回热系统中增设外置式蒸汽冷却器尤为必要，且该设备已被广泛应用于各等级汽轮机组中，通过增加该设备，提高了汽轮机组的最终给水温度，降低了机组的热耗及汽轮机组的经济运行成本，在节能降耗方面发挥了重要作用。

[1]宋汉武，陈德昌，柏采章，等.火电站系统与辅机[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]李建刚，杨小琨，李丽萍，等.外置式蒸汽冷却器机组热力系统循环吸热量计算的研究[J].汽轮机技术，2004，（5）：344-346.

[3]刘志真.300MW机组蒸汽冷却器热经济性分析[J].长沙电力学院学报，2003，（3）.

350MW Supercritical Turbine Steam Cooler Oprimal Design

WANG Gang,HAO Dan
(Herbin Turbine Conpany Limited,Herbin 150046)

In order to improve the economics of steam turbines, the regenerative system of unit needs to be optimized, by additional external steam at high pressure heater-cooler improves the heat transfer efficiency of the unit, reducing running costs.

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