提高凝汽器真空研究

高丹 藺琪蒙

摘 ? 要：對(duì)于冷端采用帶自然通風(fēng)濕冷塔的二次循環(huán)冷卻形式，本文對(duì)冷卻塔淋水面積、凝汽器面積、冷卻倍率、循環(huán)水管徑等各個(gè)冷端可變參數(shù)進(jìn)行不同的方案組合，并通過水力、熱力和經(jīng)濟(jì)計(jì)算，對(duì)各方案進(jìn)行綜合的比較分析，選取了滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件的合理方案和優(yōu)化配置。同時(shí)結(jié)合凝汽器的特點(diǎn)，對(duì)影響機(jī)組熱效率的凝汽器抽真空系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，且采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：冷端優(yōu)化 ?真空 ?節(jié)能 ?凝汽器

中圖分類號(hào)：TK264 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（a）-0070-02

1 ?冷端優(yōu)化

1.1 冷端優(yōu)化原理及方法

冷端優(yōu)化是電廠設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其主要目的是根據(jù)工程具體條件確定最佳的冷端配置方案，以保證機(jī)組在安全運(yùn)行的同時(shí)，使得電廠的綜合經(jīng)濟(jì)效益最高。本文以采用帶自然通風(fēng)濕冷塔的二次循環(huán)冷卻方式為例，其冷端設(shè)備主要包括凝汽器、冷卻塔、循環(huán)水泵及循環(huán)水管溝等。

冷端方案的選取直接影響汽輪機(jī)組的背壓，從而影響機(jī)組的熱效率。在氣象條件和負(fù)荷一定的情況下，冷卻塔越大、凝汽器面積越大、循環(huán)倍率越高，則機(jī)組背壓越低，熱效率越高、煤耗越低。但冷卻塔、凝汽器面積越大，則初投資越高，折算到每年的年固定費(fèi)用越高;循環(huán)倍率越高，則循環(huán)水泵的運(yùn)行費(fèi)用越高，都將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性不佳。冷端優(yōu)化就是通過計(jì)算一系列不同的冷卻塔、凝汽器、循環(huán)倍率及循環(huán)水管徑組成的方案的熱力、水力特性及經(jīng)濟(jì)性，對(duì)各方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)進(jìn)行綜合的比較，在投資與收益間找到最佳平衡點(diǎn)，從而確定滿足運(yùn)行要求的最為經(jīng)濟(jì)的冷端配置。

冷端優(yōu)化時(shí)，可以控制額定發(fā)電量不變，以不同背壓下的煤耗作為收益的評(píng)價(jià)量，也可假定汽輪機(jī)的汽量不變，以不同背壓下汽輪機(jī)的微增功率作為收益的評(píng)價(jià)量。雖然前者與實(shí)際運(yùn)行更為吻合，但在設(shè)計(jì)時(shí)由于不同背壓下，汽輪機(jī)發(fā)相同功率時(shí)的進(jìn)排汽量均不同，因此計(jì)算相對(duì)繁瑣。而機(jī)組的背壓-微增關(guān)系更易得出，因此，目前冷端優(yōu)化中普遍采用機(jī)組的微增功率作為計(jì)算年費(fèi)用的量。

1.2 冷端優(yōu)化基礎(chǔ)

本工程冷端優(yōu)化所需汽機(jī)特性參數(shù)及相關(guān)經(jīng)濟(jì)參數(shù)根據(jù)以下各項(xiàng)基礎(chǔ)資料進(jìn)行（以下均以2×660MW二次再熱機(jī)組為例）：

（1）機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)：5500h

（2）凝汽器單位造價(jià)：800元/m2

（3）年固定費(fèi)用率：10.18%（不含2.5%大修費(fèi)用率）

（4）成本電價(jià)：0.252元/kW·h

（5）循環(huán)水泵、電機(jī)綜合效率：0.836（電機(jī)0.95，泵0.88）

（6）微增電價(jià)：0.202元/kW·h

1.3 冷端優(yōu)化方案

本工程采用帶自然通風(fēng)濕冷塔的二次循環(huán)冷卻方式，其冷端主要變量主要包括凝汽器面積、冷卻塔大小、循環(huán)倍率及循環(huán)水管管徑，優(yōu)化方案由此四個(gè)變量進(jìn)行組合。

1.3.1 凝汽器

凝汽器采用雙背壓，單流程型式;冷卻水管采用不銹鋼管（TP316），選用五組不同面積的凝汽器參與冷端方案組合，分別是36000m2、37000m2、38000m2、39000m2、40000m2。

冷凝管材料采用不銹鋼管，其最大允許流速一般為2.5m/s，最小流速應(yīng)>1.0m/s。由此可計(jì)算出機(jī)組與對(duì)應(yīng)的凝汽器在不同的冷卻倍率下管內(nèi)流速是否滿足要求。不滿足流速限制條件的方案組合須排除在外。

1.3.2 冷卻塔

本工程采用自然通風(fēng)濕冷塔。選用四組不同淋水面積的冷卻塔參與優(yōu)化計(jì)算，冷卻塔的淋水面積分別選取8000m2、8500m2、9000m2、9500m2。冷卻塔淋水填料采用S波1.5m塑料填料，該塑料填料具有通風(fēng)阻力小、散熱及阻燃性能好等特點(diǎn)，采用聚氯乙烯片材。

1.3.3 冷卻倍率

本工程為一機(jī)兩泵、二次循環(huán)供水系統(tǒng)，循環(huán)水泵運(yùn)行工況按一年三季采用變倍率運(yùn)行方式，優(yōu)化計(jì)算時(shí)冬季與夏季水量比取0.6，春秋季與夏季水量比取0.85，即夏季采用一機(jī)兩泵的運(yùn)行方式，冬季采用一機(jī)一泵，春秋季采用兩機(jī)三泵的運(yùn)行方式。在經(jīng)濟(jì)比較中，計(jì)算年微增功率時(shí)，亦按照該運(yùn)行方式按月分別計(jì)算。冷卻倍率采用45、50倍、55倍、60倍四種方案參與優(yōu)化計(jì)算。

1.3.4 循環(huán)水管管徑

循環(huán)水母管采用DN2800mm、DN3000mm和DN3200mm三種方案參與優(yōu)化計(jì)算。以上四個(gè)可變參數(shù)（冷卻塔淋水面積、凝汽器面積、冷卻倍率、循環(huán)水管管徑）共組成240組方案，對(duì)此240組方案進(jìn)行熱力、水力及經(jīng)濟(jì)計(jì)算，得出不同氣象條件下的循環(huán)水水溫、凝汽器背壓、循環(huán)水泵功率、微增功率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)，從而得到各方案的年固定投資及年運(yùn)行費(fèi)用，根據(jù)年總費(fèi)用最小法確定最優(yōu)的冷端配置。

1.4 冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

在前述設(shè)計(jì)條件下，通過對(duì)各方案凝汽器、冷卻塔等設(shè)備進(jìn)行熱力、水力計(jì)算得出不同方案對(duì)應(yīng)的機(jī)組背壓和循環(huán)水系統(tǒng)阻力，從而確定不同冷端方案下機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用，將年運(yùn)行費(fèi)用與年固定費(fèi)用相加得出年總費(fèi)用。通過冷端優(yōu)化計(jì)算結(jié)果可以看出凝汽器面積為38000m2、冷卻塔面積為9000m2、冷卻倍率為60倍、循環(huán)水管徑為2.8m的冷端配置方案年總費(fèi)用最低。在此冷端配置下，年平均氣象條件時(shí)機(jī)組背壓為4.6kPa。

2 ?凝汽器抽真空系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在表面式凝汽器管束中，汽輪機(jī)排汽由外到內(nèi)不斷地凝結(jié)，蒸汽中所含的不凝結(jié)氣體（絕大部分是漏入汽輪機(jī)真空系統(tǒng)的空氣）的比例也不斷地增加，直至空氣冷卻區(qū)。不凝結(jié)氣體在管子表面形成氣膜，阻礙蒸汽凝結(jié)，使汽側(cè)蒸汽的放熱系數(shù)隨著含氣比例的增加先急劇并大幅度地下降，后緩慢地下降。因此，凝汽器必須設(shè)計(jì)抽真空系統(tǒng)將空氣冷卻區(qū)的未凝結(jié)氣體（含與尚未凝結(jié)的蒸汽）經(jīng)抽氣芯管抽走，防止不凝結(jié)氣體聚集在凝汽器汽側(cè)影響蒸汽凝結(jié)放熱，滿足機(jī)組啟動(dòng)時(shí)建立凝汽器真空和運(yùn)行時(shí)維持凝汽器真空的要求。

2.1 布置方案優(yōu)化

2.1.1 雙背壓凝汽器抽真空系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)

本工程凝汽器為雙殼體、雙背壓結(jié)構(gòu)，雙背壓凝汽器抽真空系統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)有串聯(lián)與并聯(lián)兩種型式。雙背壓凝汽器的串聯(lián)抽真空系統(tǒng)，是指高壓凝汽器的未凝結(jié)氣體先經(jīng)設(shè)有節(jié)流孔板的抽氣管道接入低壓凝汽器，后與低壓凝汽器的未凝結(jié)氣體一起至抽氣母管，再由連接母管的3×50%容量的真空泵抽出，雙背壓凝汽器的并聯(lián)抽真空系統(tǒng)，是指高壓凝汽器的未凝結(jié)氣體經(jīng)設(shè)有節(jié)流孔板的抽氣管道引至抽氣母管，低壓凝汽器的未凝結(jié)氣體經(jīng)抽氣管道引至抽氣母管，然后由連接母管的3×50%容量的真空泵抽出。

2.1.2 常規(guī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題

雙背壓凝汽器的串聯(lián)抽真空系統(tǒng)由于高背壓凝汽器的未凝結(jié)氣體流入低背壓凝汽器，增加低背壓凝汽器蒸汽中不凝結(jié)氣體的含量，會(huì)惡化低背壓凝汽器的傳熱效果，提高低背壓凝汽器運(yùn)行背壓。另外，漏入高背壓凝汽器側(cè)的空氣量具有不確定性，并且高、低背壓凝汽器之間的壓差相當(dāng)小，只有1kPa左右，因而在高、低背壓凝汽器之間的抽氣管道上所設(shè)的節(jié)流孔板很難適應(yīng)各種變化工況，對(duì)于某些運(yùn)行工況孔板直徑可能偏大，高背壓凝汽器部分未凝結(jié)的蒸汽流入低背壓凝汽器，加大低壓凝汽器負(fù)擔(dān)，也會(huì)提高低背壓凝汽器運(yùn)行壓力;反之，對(duì)于某些運(yùn)行工況孔板直徑可能偏小，抽氣管道流動(dòng)阻力較大，影響高背壓凝汽器內(nèi)未凝結(jié)氣體的抽出，兩者共同作用將會(huì)抬高高背壓凝汽器的運(yùn)行壓力。

為了解決這些問題，擬定了雙背壓凝汽器配3×50%容量真空泵的采用擴(kuò)大單元制的抽真空系統(tǒng)。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，三臺(tái)真空泵投入運(yùn)行，以縮短凝汽器建立真空的時(shí)間。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，真空泵二運(yùn)一備，其中指定的兩臺(tái)真空泵分別對(duì)應(yīng)高、低壓凝汽器運(yùn)行，另一臺(tái)真空泵作為任意一臺(tái)運(yùn)行真空泵的備用。去備用真空泵的抽真空管道從擴(kuò)大單元制的母管上引接。在兩臺(tái)運(yùn)行真空泵和備用真空泵之間的母管上設(shè)有兩只切換閥，以便正常運(yùn)行時(shí)高低背壓抽真空系統(tǒng)之間的隔離以及實(shí)現(xiàn)備用泵切換的功能。

雙背壓凝汽器配3×50%容量真空泵的擴(kuò)大單元制抽真空系統(tǒng)不需要在抽氣管道設(shè)置節(jié)流孔板，從根本上解決了雙背壓凝汽器串、并聯(lián)抽真空系統(tǒng)所存在的問題，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。

2.2 管道系統(tǒng)優(yōu)化

在抽真空管道上設(shè)置冷凝器，利用化學(xué)補(bǔ)充水的“冷能”，使蒸汽快速凝結(jié)，可減輕真空泵的負(fù)擔(dān)，降低功耗，并提高抽真空能力，提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

外置式冷凝系統(tǒng)設(shè)計(jì)來自凝汽器內(nèi)的氣汽混合物從混合式冷凝器的下部進(jìn)入，化學(xué)補(bǔ)充水從混合式冷凝器的上部進(jìn)入，兩者逆流混合換熱后蒸汽凝結(jié)成水，剩余的氣汽混合物從混合式冷凝器的頂部抽出，凝結(jié)水及升溫的化學(xué)補(bǔ)充水從混合式冷凝器的底部引出?；旌鲜嚼淠饕烁呶徊贾茫员慵訜岷蟮幕瘜W(xué)補(bǔ)充水與氣汽混合物中的蒸汽凝結(jié)水自流入凝結(jié)水收集箱。

專門設(shè)計(jì)的逆流混合式冷凝器其工作原理是利用化學(xué)補(bǔ)充水在起膜管內(nèi)形成高速旋轉(zhuǎn)的水膜將氣汽混合物吸卷進(jìn)來充分混合冷卻，以提高流出抽氣口的氣汽混合物的含氣率。因此，這種逆流混合式冷凝器具有強(qiáng)大的換熱能力，能使蒸汽快速凝結(jié)，冷凝后的氣汽混合物含蒸汽量少、溫度低（可接近化學(xué)補(bǔ)充水的進(jìn)水溫度），可減輕真空泵的負(fù)擔(dān)，降低功耗，并提高抽真空能力。

3 ?結(jié)語

（1）通過冷端優(yōu)化及凝汽器抽真空的系統(tǒng)優(yōu)化，機(jī)組背壓長(zhǎng)期得以維持較好水平。（2）冷端優(yōu)化涉及工程量較大，影響因素多，設(shè)計(jì)之初分析確定合理的邊界條件，制定適用于自身的冷端優(yōu)化方案并予以實(shí)施，對(duì)機(jī)組的真空起決定性作用。（3）對(duì)真空泵的選型配置進(jìn)行優(yōu)化，推薦采用擴(kuò)大單元制配置3×50%容量的水環(huán)式真空泵，節(jié)能效果顯著。（4）采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，可減輕真空泵功耗，有效增強(qiáng)真空泵的抽真空能力。

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