真空泵強(qiáng)制冷卻裝置的選型和應(yīng)用

許朋江，馬汀山，居文平，程?hào)|濤

（西安熱工研究院有限公司，西安710032）

電廠實(shí)際運(yùn)行中，水環(huán)真空泵工作水的溫度是影響真空泵和凝汽器運(yùn)行性能的關(guān)鍵因素［1］。降低工作水的溫度，有利于增強(qiáng)真空泵的抽吸能力，改善真空泵的汽蝕特性。近年來，以制冷系統(tǒng)對(duì)真空泵工作水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的技術(shù)已有了應(yīng)用，并取得了一定的效果，但強(qiáng)冷裝置的選用普遍存在選型過大、能耗偏高的問題；另外在一些情況下，強(qiáng)冷裝置的投運(yùn)并沒有帶來任何收益。本文給出了水環(huán)真空泵強(qiáng)冷裝置選型計(jì)算方法，并對(duì)兩種制冷系統(tǒng)在電廠的適用性進(jìn)行了分析。對(duì)目前電廠普遍存在的強(qiáng)冷裝置運(yùn)行效果不明顯的問題和影響強(qiáng)冷裝置運(yùn)行效果的相關(guān)因素，文獻(xiàn)［1］中給予了分析評(píng)價(jià)。

1 選型分析和能效比較

1.1 選型分析

水環(huán)真空泵強(qiáng)制冷卻裝置系統(tǒng)見圖1，其選型的依據(jù)主要為工作水的溫度需求和冷卻熱負(fù)荷。

圖1 水環(huán)真空泵系統(tǒng)

水環(huán)真空泵的抽吸壓力由工作水對(duì)應(yīng)的飽和壓力決定，正常情況下真空泵抽吸壓力等于凝汽器壓力減去管道阻力和真空泵汽蝕余量。水環(huán)真空泵的工作水溫度由對(duì)應(yīng)的飽和壓力決定。

式中：Tv為水環(huán)真空泵的工作水溫度，℃；ps（Tv）為工作水溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，kPa；px為真空泵抽汽口壓力，kPa；pc為凝汽器壓力，kPa；Δp為凝汽器汽阻和管道阻力，kPa；ΔpNPSH為防止真空泵汽蝕所留有的抽吸壓力余量，kPa。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，水環(huán)真空泵抽吸能力是受工作水溫度影響的。在求得工作水溫度后，可以根據(jù)工作水溫度和真空泵運(yùn)行特性確定真空泵抽吸流量。

已知真空泵抽吸流量，可求得水環(huán)真空泵強(qiáng)冷裝置冷卻熱負(fù)荷：

式中：Q 為冷卻熱負(fù)荷，kW；φ為抽吸空氣的濕度；rh為水蒸氣在抽吸壓力下的凝結(jié)潛熱，kJ／kg；cp為抽吸蒸汽凝結(jié)成水的比定壓熱容，kJ／（kg·K）；ΔT 為工作液冷卻溫降，K。

式（2）前一部分表示抽吸空氣中水蒸氣的凝結(jié)潛熱，后一部分表示抽吸蒸汽凝結(jié)成水后的溫降顯熱；抽吸空氣中水蒸氣占主要部分，水蒸氣的凝結(jié)潛熱遠(yuǎn)大于溫降顯熱；因此可以僅計(jì)算式（2）的前一部分來代替冷卻熱負(fù)荷，不會(huì)引起太大誤差。

根據(jù)真空泵的工作水溫需求，考慮一定的傳熱端差和工作水溫升，即可確定強(qiáng)冷裝置所需制取的冷凍水溫度（冷凍水溫度＝工作水溫度-工作水溫升-換熱器傳熱端差）。再根據(jù)冷卻熱負(fù)荷確定強(qiáng)冷裝置的制冷負(fù)荷（冷卻熱負(fù)荷＝制冷負(fù)荷），即具備了所需的選型條件。根據(jù)冷凍水溫度、制冷負(fù)荷，可以確定強(qiáng)冷裝置的制冷劑流量、設(shè)備功率以及配套循環(huán)水流量等，繼而完成設(shè)備選型工作。

1.2 能效分析

根據(jù)上述計(jì)算，可以確定所需選擇的強(qiáng)冷裝置的性能參數(shù)。對(duì)于具體制冷系統(tǒng)的選擇，則需要根據(jù)實(shí)際的能耗情況和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡。常用的水環(huán)真空泵強(qiáng)冷裝置有兩種：蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)和吸收式制冷系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)消耗的能量形式不同，其能耗的比較需要在換算成一次能源消耗的情況下進(jìn)行。

蒸汽壓縮式系統(tǒng)：

式中：B為單位供冷量煤耗，g／kJ；W 為制冷系統(tǒng)電功率，kW；BG為發(fā)電煤耗率，g／（kW·h）；copc為蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)性能系數(shù)。

吸收式系統(tǒng)：

式中：Qg為發(fā)生器吸熱量，kW；EC為標(biāo)煤熱值，kJ／kg；copa為吸收式制冷系統(tǒng)性能系數(shù)。

式（4）中未考慮吸收式系統(tǒng)的電功率，因?yàn)閷?duì)于吸收式系統(tǒng)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)熱源輸入的熱量遠(yuǎn)高于系統(tǒng)輸入的電功率，電功率相比驅(qū)動(dòng)熱源熱量可以忽略不計(jì)。

壓縮式系統(tǒng)和吸收式系統(tǒng)一次能源消耗的比較，主要取決于各自的系統(tǒng)性能系數(shù)和發(fā)電煤耗。一般壓縮式系統(tǒng)的copc≥3，常用單效吸收式制冷系統(tǒng)的copa在0.6～1.2，考慮1 000MW超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)煤耗252.9g／（kW·h），標(biāo)煤熱值取29 302kJ／kg，可得到圖2。

圖2 強(qiáng)冷裝置能耗比較

從圖2可以看出：在制冷負(fù)荷相同的條件下，蒸汽壓縮式系統(tǒng)的一次能源消耗低于吸收式系統(tǒng)。就單純的能耗比較，壓縮式系統(tǒng)優(yōu)于吸收式系統(tǒng)，實(shí)際上當(dāng)發(fā)電煤耗增長到320g／（kW·h）時(shí)，這個(gè)結(jié)論依然成立。一次能源消耗的比較從量的角度反映了系統(tǒng)實(shí)際能耗多少，具有一定的選型指導(dǎo)意義。另外蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，較吸收式系統(tǒng)發(fā)展也更為成熟，已經(jīng)有大量工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，是更適合電廠應(yīng)用的系統(tǒng)。

1.3 選型實(shí)例

下面以某1 000MW機(jī)組雙背壓凝汽器應(yīng)用水環(huán)真空泵強(qiáng)冷裝置的選型進(jìn)行分析。已知選型條件（包括凝汽器參數(shù)）見表1，選型結(jié)果見表2。

表1 選型實(shí)例已知條件（包括凝汽器參數(shù)）

表1 （續(xù)）

表2 強(qiáng)冷裝置選型結(jié)果

2 實(shí)際應(yīng)用分析

對(duì)于由循環(huán)水冷卻改造為強(qiáng)冷裝置冷卻真空泵工作水的工程，強(qiáng)制冷卻裝置的應(yīng)用收益與實(shí)際的凝汽器工作狀態(tài)有關(guān)。影響凝汽器工作狀態(tài)的主要因素為真空泵抽吸能力和機(jī)組負(fù)荷。對(duì)強(qiáng)冷裝置應(yīng)用效果的分析，首先需要對(duì)影響凝汽器壓力的各個(gè)因素進(jìn)行分析。

凝汽器在比較理想的狀態(tài)下工作時(shí)，凝汽器中空氣積聚很少，凝汽器中飽和蒸汽溫度為：

式中：Tcs為凝汽器蒸汽溫度，℃；Tw為循環(huán)水溫度，℃；ΔTwc為凝汽器循環(huán)水溫升，K；dTc為凝汽器傳熱端差，K。

循環(huán)水冷卻方式下真空泵工作液的溫度為：

式中：Tv為真空泵工作水溫度，℃；ΔTcv為真空泵循環(huán)水溫升，K；dTv為傳熱端差，K。

實(shí)際凝汽器壓力為ps（Tcs）和ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH中的大值。

循環(huán)水溫度直接影響Tcs和Tv的大??；機(jī)組負(fù)荷影響ΔTwc的大?。C(jī)組負(fù)荷影響凝汽器負(fù)荷，繼而影響換熱溫升），從而影響凝汽器壓力。

以下分別對(duì)循環(huán)水溫和機(jī)組負(fù)荷對(duì)于強(qiáng)冷裝置的應(yīng)用效果的影響進(jìn)行分析。在電廠建設(shè)中，設(shè)計(jì)的真空泵抽吸能力一般是滿足機(jī)組運(yùn)行需求的，在此不進(jìn)行討論。

2.1 循環(huán)水溫對(duì)強(qiáng)冷裝置的影響

對(duì)于循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，當(dāng)ps（Tcs）＜ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH時(shí)，凝汽器壓力由真空泵確定，為不等式左邊的值。若應(yīng)用強(qiáng)冷裝置對(duì)真空泵工作液進(jìn)行冷卻，則可以起到降低凝汽器壓力的作用；反之，投入強(qiáng)制冷卻裝置，并不一定能帶來實(shí)際的運(yùn)行收益。

考慮循環(huán)水在凝汽器中的溫升取9K，凝汽器傳熱端差取5K，真空泵冷卻水溫升取5.5K，傳熱端差取5K，保證真空泵不汽蝕的壓力余量取0.85kPa，可以得到以循環(huán)水冷卻和以強(qiáng)冷裝置冷卻真空泵工作液時(shí)，凝汽器壓力隨循環(huán)水溫度變化的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 不同冷卻方式下凝汽器壓力隨循環(huán)水溫度的變化

從圖3可以看出：循環(huán)水溫度比較低的時(shí)候，強(qiáng)冷裝置的效果更好一些，這是因?yàn)殡S著循環(huán)水溫度的升高，ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH的增長速度相比于ps（Tcs）要慢。用強(qiáng)冷裝置對(duì)真空泵工作水進(jìn)行冷卻的系統(tǒng)，凝汽器壓力始終為ps（Tcs）。循環(huán)水冷卻真空泵工作水的系統(tǒng)，在循環(huán)水溫比較低時(shí)，凝汽器壓力為ps（TV）-Δp-ΔpNPSH；當(dāng)循環(huán)水溫高于某一個(gè)值后，凝汽器壓力變?yōu)閜s（Tcs），二者相等。

2.2 機(jī)組負(fù)荷對(duì)強(qiáng)冷裝置的影響

對(duì)于循環(huán)水冷卻真空泵工作液的系統(tǒng)，隨著機(jī)組負(fù)荷的減小，凝汽器負(fù)荷減小。在凝汽器循環(huán)水流量不變的條件下，循環(huán)水溫升減小，即ΔTwc減小，ps（Tcs）減??；而Tv近似不變，ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH近似不變。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷小于某個(gè)值以后，ps（Tcs）＜ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH，凝汽器壓力為ps（Tv）＋Δp＋ΔpNPSH，運(yùn)行中表現(xiàn)為凝汽器中空氣積聚，換熱系數(shù)降低，凝汽器壓力升高。對(duì)于強(qiáng)冷裝置冷卻真空泵工作液的系統(tǒng)，可以保證Tv始終是一個(gè)比較小的值，凝汽器壓力一直為ps（Tcs）?？梢钥闯?，機(jī)組低負(fù)荷時(shí)強(qiáng)冷裝置對(duì)降低凝汽器壓力的效果更好。

3 結(jié)語

從上述分析討論中可以看出：在機(jī)組設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行正常的條件下，強(qiáng)冷裝置在循環(huán)水溫較低、機(jī)組負(fù)荷較小的情況下，可以起到降低凝汽器壓力的效果；而當(dāng)機(jī)組循環(huán)水溫較高、負(fù)荷較大時(shí)，強(qiáng)冷裝置的投運(yùn)收益不明顯。

如果機(jī)組設(shè)計(jì)配備的真空泵抽吸流量偏小，或者機(jī)組經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，凝汽器漏入空氣量偏大，以至于真空泵抽吸不足時(shí)，選用真空泵強(qiáng)冷裝置可以增大真空泵抽吸能力，減少凝汽器內(nèi)空氣的積聚，有利于提高機(jī)組真空度。

對(duì)于強(qiáng)冷裝置的選用，需要根據(jù)電廠循環(huán)水溫變化特性和機(jī)組帶負(fù)荷情況來綜合考慮，需要進(jìn)行投資和收益的比較，以及考慮設(shè)備運(yùn)行維護(hù)等相關(guān)問題，以綜合評(píng)價(jià)真空泵強(qiáng)制冷卻裝置投入的必要性。

綜上所述，可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)：（1）真空泵強(qiáng)冷裝置的選用以真空泵工作水溫和冷卻熱負(fù)荷兩項(xiàng)指標(biāo)為依據(jù)。（2）蒸汽壓縮式強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)比吸收式系統(tǒng)有更好的能耗指標(biāo)，且系統(tǒng)更加成熟、穩(wěn)定，更適合于電廠應(yīng)用。（3）應(yīng)用強(qiáng)冷裝置的經(jīng)濟(jì)性與循環(huán)水溫和電廠帶負(fù)荷特性有關(guān)，在實(shí)際工程中需要綜合考慮多方面因素來確定方案。

［1］居文平，李素芳，馬汀山，等.工作水進(jìn)口溫度對(duì)水環(huán)式真空泵及凝汽器性能影響的試驗(yàn)［J］.熱力發(fā)電，2009，38（1）：77-79.

［2］齊復(fù)東，賈樹本，馬義偉.電站凝汽設(shè)備和冷卻系統(tǒng)［M］.北京：水利電力出版社，1992.