600 MW機(jī)組真空聯(lián)絡(luò)管積水自動排除研究與應(yīng)用

肖承明

(國家能源集團(tuán)江西電力有限公司,江西 南昌 330029)

0 引言

近年來，大型超臨機(jī)火電機(jī)組廣泛采用雙背壓凝汽器，為了挖掘汽輪機(jī)凝汽器抽真空系統(tǒng)的節(jié)能潛力，凝汽器抽真空系統(tǒng)成為火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能改造的重點(diǎn)對象[1-5]，其中雙機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行改造機(jī)組逐漸增多[6]，真空聯(lián)絡(luò)管積水成為廣大技術(shù)人員棘手的一道難題。

1 設(shè)備簡介

某發(fā)電公司建設(shè)有2臺600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組，2007年雙機(jī)投產(chǎn)，凝汽器為雙背壓凝汽器[7]，高、低壓凝汽器分別設(shè)置各自獨(dú)立的抽真空系統(tǒng)[8]，高、低壓凝汽器各設(shè)有兩臺水環(huán)式機(jī)械真空泵(見圖1)，機(jī)組運(yùn)行中高、低壓凝汽器各保持一臺真空泵運(yùn)行，一臺備用[9]。

圖1 雙背壓凝汽器抽空氣系統(tǒng)圖

為了降低真空泵的耗電，公司將兩臺機(jī)組凝汽器抽空氣系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)通(見圖2)，將兩臺機(jī)組的高、低壓凝汽器抽空氣管路各自相互聯(lián)通，擬雙機(jī)運(yùn)行時將兩臺機(jī)組抽空氣系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)單臺真空泵帶兩臺機(jī)組的高壓(低壓)凝汽器運(yùn)行，減少兩臺真空泵運(yùn)行，降低真空泵耗電。

圖2 #1、#2機(jī)組真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖

在實(shí)施雙機(jī)運(yùn)行真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時出現(xiàn)了異常的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)停運(yùn)真空泵的機(jī)組真空持續(xù)下降，維持真空泵運(yùn)行的機(jī)組其真空泵沒有出現(xiàn)出力增大的現(xiàn)象(電流沒有上升，真空泵的抽氣量沒有增大)，從現(xiàn)象上看兩臺機(jī)組的真空聯(lián)絡(luò)管是堵塞不通的，實(shí)現(xiàn)不了聯(lián)通運(yùn)行。

2 聯(lián)絡(luò)管堵塞原因排查

在真空聯(lián)絡(luò)管上設(shè)置了兩個氣動門各布置在#1機(jī)組側(cè)和#2機(jī)組側(cè)，中間設(shè)置了一個手動隔離門，#1、#2機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)時將兩個氣動聯(lián)絡(luò)門和手動隔離門開啟，構(gòu)成一個通路。

如果三個聯(lián)絡(luò)門中任意一個閥門門芯脫落，都有可能造成聯(lián)絡(luò)管堵塞不通，為此，利用停機(jī)機(jī)會將三個閥門解體進(jìn)行了檢查，結(jié)果三個閥門的開關(guān)過程閥門門芯都是正常的，閥門門芯脫落造成聯(lián)絡(luò)管堵塞的原因得到了排除。

在對真空聯(lián)絡(luò)管閥門進(jìn)行解體檢修過程中，發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部充滿了冷水，拆開真空聯(lián)絡(luò)閥門法蘭放水的過程足足進(jìn)行了半個小時的時間(見圖3)，從這種現(xiàn)象來看，兩臺機(jī)組的真空聯(lián)絡(luò)管應(yīng)當(dāng)是積水嚴(yán)重，是大量的積水形成水塞堵塞了聯(lián)絡(luò)管，造成兩臺機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)不了。

圖3 停機(jī)時檢查真空聯(lián)絡(luò)管積水情況

3 聯(lián)絡(luò)管積水原因分析

公司汽機(jī)專業(yè)將解決真空聯(lián)絡(luò)管積水問題作為一項(xiàng)重大課題展開了研究和實(shí)驗(yàn)摸索，對聯(lián)絡(luò)管產(chǎn)生積水的原因進(jìn)行了分析。

汽輪機(jī)低壓缸做完功的低壓蒸汽排往凝汽器進(jìn)行冷卻凝結(jié)，低壓缸排汽中含有少量的不凝結(jié)氣體，這部分不凝結(jié)氣體在凝汽器內(nèi)積聚則會堵塞排汽與凝汽器不銹鋼管的接觸，增大不銹鋼管的傳熱阻力，影響凝汽器的換熱效果[10]，因此設(shè)置了真空泵將不凝結(jié)氣體抽出，真空泵的抽氣口一般設(shè)置在凝汽器的空氣集聚區(qū)，但空氣集聚區(qū)不可能是全部的不凝結(jié)氣體，或多或少的存在一些沒來得及凝結(jié)的蒸汽，這樣的話，真空泵抽出的大部分是凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體和小部分未來得及凝結(jié)的蒸汽[11]。

在真空泵的高度負(fù)壓抽吸下，大部分不凝結(jié)氣體和小部分沒來得及凝結(jié)的蒸汽源源不斷的流向真空泵內(nèi)，由于真空泵的抽空氣管是直接布置在空氣中未設(shè)置保溫材料的，相當(dāng)于是一個與外界空氣對流換熱的換熱器，小部分未來得及凝結(jié)的蒸汽在抽空氣管內(nèi)流動過程中還會繼續(xù)凝結(jié)成水滴，由于水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽，水滴靠自重就會掉落在抽空氣管底部，由于水的流動阻力相對較大，在差壓不夠大的情況下很難隨空氣一起被真空泵抽走，慢慢的就會在抽空氣管內(nèi)形成水珠、水柱。

在重力作用下，積水會流向位置較低的地方，在真空聯(lián)絡(luò)管段上的最低點(diǎn)，慢慢就產(chǎn)生了積水，長時間的積累就會產(chǎn)生水柱，堵塞聯(lián)絡(luò)管。

從真空聯(lián)絡(luò)管產(chǎn)生積水堵塞的原因分析來看，只要真空在運(yùn)行抽吸氣體，抽空氣管就會產(chǎn)生積水，在聯(lián)絡(luò)管形成水柱造成堵塞就不可避免的，必須想辦法把這部分積水排走，重新把聯(lián)絡(luò)管通路打開。

4 真空聯(lián)絡(luò)管積水排放方案分析

方案一：真空聯(lián)絡(luò)管對外排水改造。要將真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)的積水排走，常規(guī)的改造方法就是在聯(lián)絡(luò)管的最低點(diǎn)設(shè)置放水閥，上部設(shè)置放氣閥，將管內(nèi)積水排出。由于聯(lián)絡(luò)管內(nèi)為高度的真空，聯(lián)絡(luò)管外是充滿了大氣的大氣壓力，大氣壓力遠(yuǎn)高于凝汽器內(nèi)的真空，直接開啟放水閥放水時只會讓大量的空氣倒吸進(jìn)入凝汽器，使機(jī)組真空下降，實(shí)現(xiàn)不了排水的目的。因此，每次排水時必須關(guān)閉聯(lián)絡(luò)管上的三個隔離門，且要求隔離門能夠關(guān)閉嚴(yán)密，然后開啟上部的放氣閥使聯(lián)絡(luò)管內(nèi)吸入空氣破壞管內(nèi)的負(fù)壓，直到聯(lián)絡(luò)管內(nèi)形成了與大氣壓力相同的壓力時開啟放水閥才能放出存水，打通聯(lián)絡(luò)管。實(shí)施這個改造方案的話一方面給運(yùn)行增加了很大的操作量，因?yàn)槁?lián)絡(luò)管積水不可避免，運(yùn)行一段時間又會產(chǎn)生水柱堵塞聯(lián)通，運(yùn)行人員每隔一段時間就要反復(fù)的進(jìn)行人工排水。另一方面，如果三個隔離門關(guān)不嚴(yán)的話就破壞不了聯(lián)絡(luò)管的負(fù)壓，沒辦法將積水排出，并且一般情況下閥門操作的次數(shù)多了慢慢就會出現(xiàn)輕微的內(nèi)漏，過不了多久就沒辦法排除積水了。綜合上述情況看，采用方案一改造并不能徹底的消除聯(lián)絡(luò)管的積水，不宜采納。

方案二：真空系統(tǒng)內(nèi)部排水設(shè)想。真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)積水形成的水柱，其兩側(cè)分別是#1機(jī)和#2機(jī)的凝汽器，在雙機(jī)平均分配負(fù)荷下兩臺機(jī)凝汽器的真空基本相同(p1=p2)，水柱兩側(cè)沒有壓差，流動不了，水柱一直保留在聯(lián)絡(luò)管的低位，且越積越多，兩臺機(jī)的凝汽器通過聯(lián)絡(luò)管構(gòu)成一個連通器。根據(jù)連通器的原理，此時如果設(shè)法降低#1機(jī)的真空(p1升高)，使水柱兩側(cè)形成差壓，在差壓的推動下水柱就會自動往壓力低(p2不變)的地方流動，最終將積水排至#2機(jī)組(見圖4)，積水排盡后真空聯(lián)絡(luò)管疏通，重新進(jìn)入雙機(jī)真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行模式。

圖4 真空聯(lián)絡(luò)管自動排水原理圖

5 真空聯(lián)絡(luò)管積水自動排放探索

經(jīng)過充分的分析和論證，我們決定采納方案二，進(jìn)行真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動排水的實(shí)驗(yàn)研究。

我們面臨的首先問題是積水往哪里排：一種方法是在高、低壓凝汽器真空聯(lián)絡(luò)管的低位加裝一個疏水袋，增加疏水管路引至凝汽器本體汽側(cè)，采用這種方式需要對抽空氣管路進(jìn)行改造，每次排水還要增加運(yùn)行去操作閥門；另一種方法是利用現(xiàn)有抽空氣管直接排至水環(huán)式真空泵，通過真空泵汽水分離器溢流管排走，采用這種方式不需要對系統(tǒng)進(jìn)行改造，不增加運(yùn)行操作，主要是要考慮水環(huán)式真空泵葉輪是否能經(jīng)受高水位運(yùn)行的安全考驗(yàn)?？紤]到真空泵正常運(yùn)行時尚有較大的安全裕量(正常70%左右額定電流)，我們決定先嘗試采用真空泵溢流排水方式。

其次是怎樣降低一臺機(jī)真空來排水的問題：在實(shí)施真空聯(lián)絡(luò)操作時，可以采用停運(yùn)待聯(lián)絡(luò)機(jī)組真空泵的方式降低機(jī)組真空；在機(jī)組已經(jīng)實(shí)施真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時，則被聯(lián)絡(luò)機(jī)組本身真空泵是停運(yùn)的，當(dāng)真空聯(lián)絡(luò)管被積水堵塞時會自動降低真空，可以不用操作。

6 真空聯(lián)絡(luò)管積水自動排放實(shí)驗(yàn)

雙機(jī)運(yùn)行后，進(jìn)行了一次真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動排水實(shí)驗(yàn)：首先開啟#1、#2機(jī)組真空聯(lián)絡(luò)氣動門和手動隔離門，兩臺機(jī)高、低壓凝汽器分別構(gòu)成連通器，運(yùn)行人員盤上停運(yùn)#1機(jī)組的所有真空泵，由于聯(lián)絡(luò)管有積水處于堵塞狀態(tài)，#1機(jī)組在沒有真空泵抽氣的情況下高、低壓凝汽器真空開始持續(xù)下降，#2機(jī)組高、低壓凝汽器各一臺真空運(yùn)行，真空則保持不變，在聯(lián)絡(luò)管水柱堵塞的兩側(cè)逐漸形成差壓，形成推動力，將水柱逐漸推向#2機(jī)側(cè)，實(shí)驗(yàn)中當(dāng)兩臺機(jī)凝汽器差壓升至2.5 kPa時#2機(jī)真空泵電流突升，#1機(jī)組真空止跌迅速回升，聯(lián)絡(luò)管內(nèi)的水柱已被推送至#2機(jī)真空泵排除，聯(lián)絡(luò)管打通，在#2機(jī)真空泵的抽吸作用下#1機(jī)真空逐漸恢復(fù)至正常值，實(shí)驗(yàn)取得成功，真空聯(lián)絡(luò)管積水自動排放實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行后#1機(jī)組高、低壓凝汽器兩臺真空泵停止運(yùn)行，由#2機(jī)的運(yùn)行真空泵抽走兩臺機(jī)凝汽器漏入的空氣，節(jié)省了兩臺真空泵耗電，觀察兩臺機(jī)組的真空在真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)前后未發(fā)生變化，成功實(shí)施了真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。

7 真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行情況

實(shí)施真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行方式期間，運(yùn)行人員監(jiān)盤嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組的真空情況，發(fā)現(xiàn)機(jī)組真空發(fā)生緩慢下降情況時，檢查臨機(jī)真空泵運(yùn)行電流下降則可判斷真空聯(lián)絡(luò)管又有積水堵塞通道了，此時，運(yùn)行人員只需做好監(jiān)視，讓機(jī)組真空下降，當(dāng)真空下降2.5 kPa左右時，利用連通器原理實(shí)現(xiàn)自動疏水至臨機(jī)真空泵，重新打通真空聯(lián)絡(luò)管，機(jī)組真空自動恢復(fù)正常。

考慮到水環(huán)式真空泵的安全性[12],利用停機(jī)機(jī)會對真空泵葉輪進(jìn)行了全面的檢查，未發(fā)現(xiàn)葉輪有隱形裂紋，真空泵短時間高水位運(yùn)行安全性能得到保證，實(shí)踐證明可以長周期實(shí)施真空泵自動疏水。

目前，真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動排水實(shí)施已運(yùn)行了一年的時間，從運(yùn)行的情況看每10 d左右真空聯(lián)絡(luò)管會發(fā)生一次積水堵塞的情況，真空下降后自動恢復(fù)正常，沒有任何操作風(fēng)險，全程實(shí)現(xiàn)自動疏水。

經(jīng)濟(jì)效益的測算：統(tǒng)計(jì)公司歷年雙機(jī)運(yùn)行時間5 000 h以上，實(shí)施真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)后停運(yùn)兩臺真空泵，折算每年停運(yùn)單臺真空泵累計(jì)時間為10 000 h，真空泵額定功率160 kWh,全年真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行節(jié)電： 10 000×160=160萬kWh，上網(wǎng)電價按0.42元/kWh計(jì)算，年度節(jié)約成本67.2萬元。

8 結(jié)論

(1)雙機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時聯(lián)絡(luò)管積水的產(chǎn)生不可避免，必須定期對聯(lián)絡(luò)管進(jìn)行疏水。

(2)通過研究實(shí)踐，利用原有的水環(huán)真空泵設(shè)備，簡易的連通器原理，即可實(shí)現(xiàn)真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部積水的自動排放，全程自動運(yùn)行，安全可靠。

(3)真空聯(lián)絡(luò)管自動排水的研究開創(chuàng)了真空系統(tǒng)自動疏水的先例，值得國內(nèi)類似電廠的借鑒。