曾華

(華電集團貴港發(fā)電公司,廣西貴港 537100)

0 引言

燃煤電廠凝汽式汽輪發(fā)電機凝汽器的真空,冬天總比夏天好,低負荷時總比高負荷時好,這和凝汽器內(nèi)存留氣體的體積有關(guān),即夏天凝汽器內(nèi)氣體的體積比例要大些,冬天凝汽器內(nèi)氣體的體積比例要小些。低負荷時總比高負荷時好也是同樣的道理,即高負荷時凝汽器內(nèi)氣體的體積比例要大些,低負荷時凝汽器內(nèi)氣體的體積比例要小些。

1 凝汽器內(nèi)存留氣體體積比例分析

凝汽器真空是靠汽輪機低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)后體積縮小而形成的,此后是靠真空泵把漏入凝汽器的空氣和排汽中不能凝結(jié)的蒸汽抽吸升壓排入大氣而維持的。凝汽器在設(shè)計制造時,不管是夏天(高負荷)還是冬天(低負荷)都要考慮低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)完全凝結(jié),同時,設(shè)計制造的真空泵在額定負荷時完全能維持凝汽器的設(shè)計真空。既然夏天(高負荷)和冬天(低負荷)低壓缸排汽在凝汽器內(nèi)都能完全凝結(jié),那為什么汽輪發(fā)電機凝汽器的真空冬天(低負荷)總比夏天(高負荷)好呢?

實際上,效能再好的真空泵也不能將凝汽器內(nèi)的氣體完全抽吸升壓排出,凝汽器的真空只能接近真空泵的極限真空,永遠不能達到理論真空,這說明凝汽器內(nèi)總是有一部分氣體存在,這部分氣體受環(huán)境溫度的影響特別大。根據(jù)氣體狀態(tài)方程式,冬天凝汽器冷卻水溫度較低,使得凝汽器汽側(cè)存留的氣體溫度也低,其體積縮小,凝汽器容積又不變,于是凝汽器真空相對就好,反之凝汽器真空相對就差。同理,低負荷時由于低壓缸排汽量減少,凝汽器冷卻水量不變,凝汽器冷卻水出水溫度就會下降,使得凝汽器汽側(cè)存留的氣體溫度也下降,其體積縮小,凝汽器容積又不變,于是凝汽器真空相對就好,反之凝汽器真空相對就差。

為了能進一步說明此問題,用圖1、圖2、圖3進行說明,圖中陰影部分為始終存留在凝汽器內(nèi)氣體的體積。

圖中:1為凝汽器;2為冷卻器;3為真空泵;QP為排汽中不能凝結(jié)的氣體;QL為漏入凝汽器的空氣;QZ為進入真空泵的氣體;VQ為冬天凝汽器內(nèi)始終存在的氣體體積;VQ1為夏天凝汽器內(nèi)始終存在的氣體體積;VQ2為夏天真空泵入氣門前安裝冷卻器投入運行后凝汽器內(nèi)多抽出的氣體體積;t1為凝汽器冷卻水進水溫度;t2為凝汽器冷卻水出水溫度。

圖3 夏天真空泵入氣門前安裝冷卻器后凝汽器內(nèi)的氣體體積比例示意圖

從圖1、圖2、圖3可以看出:冷卻水溫度和環(huán)境溫度不變時,只要真空泵能把漏入的空氣和排汽中不能凝結(jié)的蒸汽抽出,即QZ=QP+QL,凝汽器真空是不變的。夏天,當真空泵入氣門前安裝冷卻器投入運行后,真空泵不但能把漏入的空氣和排汽中不能凝結(jié)的蒸汽抽出,而且還會多抽出VQ2的氣體量,即QZ=QP+QL+VQ2,凝汽器真空升高。當凝汽器冷卻水進水溫度t1升高(夏天),出水溫度t2也會升高,勢必會造成凝汽器排汽溫度升高,于是凝汽器內(nèi)存留的氣體體積VQ(冬天)就會受熱膨脹至VQ1,占去凝汽器部分空間,最終使得凝汽器真空有所下降。同理,真空泵的抽吸能力也受到影響,即夏天(冷卻水溫度33℃)真空泵的入口絕對壓力為11.8kPa,冬天(冷卻水溫度15℃)真空泵的入口絕對壓力為3.4kPa,所以凝汽器內(nèi)的真空下降時,真空泵的入口真空也下降,最終凝汽器的真空維持在一個新的較低水平,這就是夏天真空比冬天真空低的真實原因。

同樣,高負荷時凝汽器排汽溫度升高,于是凝汽器內(nèi)存留的氣體容積就會受熱膨脹,占去了凝汽器部分空間,最終使得凝汽器真空有所下降。同理,真空泵的抽吸能力也受到影響,即當凝汽器排汽溫度升高,真空泵的入口氣溫也會升高,真空泵的入口真空也下降,最終凝汽器的真空會維持在一個新的較低水平,這就是高負荷比低負荷真空低的真實原因所在。

經(jīng)以上分析可知,在夏天或高負荷時,只要對存留在凝汽器內(nèi)的氣體進行降溫,即可提高凝汽器的真空,或者降低真空泵入口的氣體溫度,也可以提高凝汽器的真空。前者雖然采取凝汽器內(nèi)設(shè)計抽氣空冷區(qū),但因空冷區(qū)處于凝汽器內(nèi),抽氣冷卻不樂觀,只有外置冷卻器降低真空泵入口的氣體溫度是完全能實現(xiàn)的,即在真空泵入氣門前設(shè)置冷卻器,只要維持冷卻器后的氣體溫度為15℃左右,凝汽器真空就有可能接近真空泵冬天(冷卻水溫度15℃)的極限真空(入口絕對壓力為3.4kPa)。根據(jù)夏天(冷卻水溫度33℃)真空泵的極限真空(入口絕對壓力為11.8kPa)和冬天(冷卻水溫度15℃)真空泵的極限真空(入口絕對壓力為3.4kPa),可以計算出夏天真空泵入氣門前設(shè)置冷卻器后凝汽器真空可提高11.8-3.4=8.4(kPa),這是理論計算結(jié)果,在實現(xiàn)過程中可能比8.4kPa要小些。

以上分析是為解決夏天真空泵的抽吸能力問題,從而保證凝汽器真空更高,而提出的一種有效提高凝汽器真空的方法。

2 提高凝汽器真空采取的技術(shù)方案

2.1 在凝汽器至真空泵之間的管道上設(shè)置冷卻器

在真空泵入氣門前安裝冷卻器,投入運行后可得出以下結(jié)論:

(1)當冷卻器后的氣體溫度下降,抽入真空泵內(nèi)氣體的可凝結(jié)部分就會提前在冷卻器內(nèi)凝結(jié),提高了真空泵的抽吸能力。

(2)當冷卻器后的氣體溫度下降,抽入真空泵內(nèi)的氣體密度增大,同樣提高了真空泵的抽吸能力。

(3)當冷卻器后的氣體溫度下降,根據(jù)氣體狀態(tài)方程可知,冷卻器容積不變,冷卻器內(nèi)的壓力就會降低,有利于凝汽器內(nèi)不能凝結(jié)的蒸汽和漏入的空氣排向冷卻器。

安裝冷卻器就是基于以上3種作用使凝汽器真空進一步得到提高的機理而設(shè)想的。真空泵入氣門前安裝冷卻器投入運行后還有以下作用:

(1)由于真空泵入氣溫度設(shè)計為15℃左右,冷卻器對射水式真空泵射水池水溫起冷卻作用,因此,射水池只要保持正常水位即可;同理,冷卻器對水環(huán)式真空泵內(nèi)的工作水也是起冷卻作用,因此,對水環(huán)式真空泵內(nèi)的工作水不用設(shè)計冷卻器對其進行冷卻。

(2)由于抽入真空泵內(nèi)氣體的可凝結(jié)部分會提前在冷卻器內(nèi)凝結(jié),通過回收,可節(jié)約部分工質(zhì)。

(3)由于真空泵入氣溫度設(shè)計為15℃,保證了真空泵有一個良好的工作環(huán)境,延長了真空泵的使用壽命。

在真空泵入氣門前安裝冷卻器可以進一步提高凝汽器內(nèi)的真空而不消耗額外的功率。冷卻器用的中央空調(diào)水與開式水是發(fā)電廠本身就配套的冷卻介質(zhì),足夠供給所有用戶,因此,用它作為冷卻器的冷卻介質(zhì)是可以的,消耗的功率可以忽略不計。如果中央空調(diào)水量不能正常供給,可以用制冷空調(diào)的冷卻器形式,即直接用制冷劑(氟利昂)冷卻真空泵入口氣體,所消耗的功率可以用回收的工質(zhì)成本抵消一部分。

根據(jù)電廠中央空調(diào)水壓力及溫度(10℃)、冷卻器進口(氣側(cè))溫度(46℃左右)及真空泵抽氣量、冷卻器出口(氣側(cè))溫度(15℃)來設(shè)計冷卻器。

2.2 附圖說明

圖4為目前常用的凝汽式汽輪發(fā)電機組凝汽器抽真空系統(tǒng)示意圖。圖5為以開式水或中央空調(diào)水作為冷卻介質(zhì)的冷卻器的抽真空系統(tǒng)示意圖。圖6為以開式水或中央空調(diào)水作為冷卻介質(zhì)的冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為氟利昂冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為以氟利昂作為冷卻介質(zhì)的冷卻器的抽真空系統(tǒng)示意圖。

在圖4～圖8中:1為凝汽器;2為冷卻器;3為儲水罐;4為水封;5為水環(huán)式真空泵;6為真空泵入氣門;7為凝汽器與真空泵之間的連接管道;8為冷卻器水側(cè)開式水進水;9為冷卻器水側(cè)開式水回水;10為冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水進水;11為冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水回;12為冷卻器氣側(cè)進口;13為冷卻器氣側(cè)出口;14為至凝汽器熱井;15為大氣;16為冷卻器氣側(cè)進口溫度計;17為冷卻器氣側(cè)出口溫度計;18為冷卻器水側(cè)進口溫度計;19為冷卻器水側(cè)出口溫度計;20為冷卻器水側(cè)放水門;21為儲水罐進水閥門;22為儲水罐平衡閥門;23為儲水罐空氣門;24為儲水罐放水閥門;25為水側(cè)空氣門;26為冷卻器氣側(cè)進口電動門;27為冷卻器氣側(cè)出口電動門;28為冷卻器氣側(cè)旁路電動門;29為空調(diào)制冷器;30為真空泵換水閥。

2.2.1 冷卻器安裝方法

如圖5、圖6所示,將冷卻器安裝在真空泵與凝汽器之間的管道上并盡量靠近真空泵入氣門。冷卻器氣側(cè)進口連接在凝汽器抽真空管道上;冷卻器氣側(cè)出口連接在真空泵入氣門前管道上;冷卻器氣側(cè)進、出口安裝有電動門及旁路電動門;冷卻器氣側(cè)安裝凝結(jié)水回收儲水罐,儲水罐通過水封與凝汽器熱井連接;冷卻器水側(cè)開式水進水連接在開式水母管上,冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水進水連接在中央空調(diào)水母管上;冷卻器水側(cè)開式水回水連接在開式水回水母管上,冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水回連接在中央空調(diào)水回水母管上;冷卻器水側(cè)安裝有放水門和空氣門;冷卻器氣側(cè)進出口、水側(cè)進出口均安裝溫度計。如果是多臺真空泵并列的抽真空系統(tǒng),冷卻器安裝在入氣母管上且盡量靠近真空泵入氣門。設(shè)計安裝的冷卻器(氣側(cè))后溫度為15℃左右,中央空調(diào)水溫度為10℃左右。

2.2.2 冷卻器投入的操作步驟

汽輪機正常運行后方可投入(如圖6所示),具體操作步驟如下:開啟冷卻器氣側(cè)前后電動閥門,關(guān)閉冷卻器氣側(cè)旁路門;關(guān)閉冷卻器水側(cè)放水門,冷卻器水側(cè)空氣門見水后關(guān)閉;夏天開啟冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水進出水門,關(guān)閉冷卻器水側(cè)開式水進出水門;冬天開啟冷卻器水側(cè)開式水進出水門,關(guān)閉冷卻器水側(cè)中央空調(diào)水進出水門;關(guān)閉儲水罐空氣門;關(guān)閉儲水罐氣側(cè)放水閥門;開啟儲水罐平衡閥門;開啟儲水罐進水閥門。

在投入中央空調(diào)水之前,要注意先將冷卻器水側(cè)內(nèi)的水放盡方可投入,因為中央空調(diào)水是經(jīng)過除鹽處理的。

2.2.3 冷卻器投入運行工作過程

從凝汽器抽吸出來的氣體通過管道進入冷卻器冷卻后,溫度下降至15℃,通過真空泵入氣門進入真空泵抽吸升壓排入大氣,可凝部分經(jīng)儲水罐回收后放回凝汽器熱井。

2.2.4 儲水罐放水的操作步驟

當儲水罐有2/3以上水位后對其放水(如圖6所示),具體操作步驟如下:關(guān)閉儲水罐進水閥門;關(guān)閉儲水罐平衡閥門;開啟儲水罐放水閥門;開啟儲水罐空氣門,見儲水罐無水后關(guān)閉;關(guān)閉儲水罐放水閥門;開啟儲水罐平衡閥門;開啟儲水罐進水閥門,操作完畢。該操作步驟可設(shè)計成程序控制(選用電磁閥)。

2.2.5 冷卻器隔絕檢修操作步驟

開啟冷卻器氣側(cè)旁路門;關(guān)閉冷卻器氣側(cè)前后電動閥門;關(guān)閉冷卻器水側(cè)進出水門;開啟冷卻器水側(cè)放水門;開啟冷卻器水側(cè)空氣門;將儲水罐水放盡后關(guān)閉放水門。

2.2.6 氟利昂冷卻器投入的操作步驟

如圖8所示,氟利昂冷卻器投入的具體操作步驟如下:冷卻器電源裝置送電;關(guān)閉冷卻器氣側(cè)旁路門,關(guān)閉儲水罐空氣門,關(guān)閉儲水罐氣側(cè)放水閥門,關(guān)閉真空泵補水電磁閥,開啟儲水罐平衡閥門,開啟儲水罐進水閥門;啟動空調(diào)制冷器,設(shè)定冷卻器出口氣溫10℃;用冷卻器凝結(jié)水對真空泵進行換水,即開啟真空泵補水電磁閥(30);檢查真空泵運行正常。

3 經(jīng)濟效益與社會效益

3.1 經(jīng)濟效益

在凝汽器至真空泵之間的管道上設(shè)置冷卻器,只要能維持其冷卻器出口溫度(氣側(cè))在15℃左右,凝汽器真空就有可能接近真空泵(水環(huán)式真空泵)的極限真空(水環(huán)式真空泵入口絕對壓力3.4kPa)。

3.1.1 夏天在凝汽器至真空泵之間的管道上設(shè)置冷卻器的經(jīng)濟效益

在夏天(冷卻水溫度33℃,大氣壓力99kPa)以600MW機組額定負荷運行時,凝汽器真空89kPa,即背壓等于10kPa(大氣壓力99kPa減真空89 kPa),真空泵入口氣溫略等于低壓缸排汽溫度46℃,安裝冷卻器投入運行后,真空泵入口氣溫下降至15℃,即下降了31℃。根據(jù)蓋-呂薩克定律(體積不變時,一定量的氣體的壓力和溫度成正比,即溫度每升高或降低1℃,其壓力也隨之增加或減少其0℃時壓力的1/273)計算得出,安裝冷卻器并投入運行后,凝汽器真空提高1.5kPa左右(真空度1.6%)。根據(jù)凝汽器真空度提高1%,煤耗降低1.97g/(kW·h),1臺600MW機組年平均發(fā)電5000h計算,可節(jié)約煤炭9456t/年,按500元/t計算,節(jié)約發(fā)電成本472800元/年。

3.1.2 冬天在凝汽器至真空泵之間的管道上設(shè)置冷卻器的經(jīng)濟效益

在冬天(冷卻水溫度15℃,大氣壓力103kPa)以600MW機組額定負荷運行時,凝汽器真空98 kPa,即背壓等于(大氣壓力103kPa減真空98kPa)5kPa,真空泵入口氣溫略等于低壓缸排汽溫度30℃,安裝冷卻器投入運行后,真空泵入口氣溫下降至15℃,即下降了15℃。根據(jù)蓋-呂薩克定律計算得出,安裝冷卻器并投入運行后,凝汽器真空提高0.55kPa(真空度0.57%)左右。根據(jù)凝汽器真空度提高1%,煤耗降低1.97g/(kW·h),1臺600 MW機組年平均發(fā)電5000h計算,可節(jié)約煤3368.7 t/年,按500元/t計算,節(jié)約發(fā)電成本1684350元/年。

3.1.3 凝汽器真空度的計算

夏天,冷卻器投入運行前的真空度為89.8%,冷卻器投入運行后的真空度為91.4%,冷卻器投入運行后的真空度提高1.6%。冬天,冷卻器投入運行前的真空度為95.1%,冷卻器投入運行后的真空度為95.6%,冷卻器投入運行后的真空度提高量為0.57%。此計算是按照流經(jīng)冷卻器的氣體部分(1/3)計算所得,如果再把流經(jīng)冷卻器的氣體部分(2/3)考慮進去,計算結(jié)果會更好,流經(jīng)冷卻器的氣體部分和汽體部分的比例是80kg/180kg,因此,以上是保守計算的結(jié)果。

3.1.4 工質(zhì)回收成本

機組600MW額定功率運行時,冷卻器投入運行可以回收工質(zhì)180kg/h,1年按照5000h計算,可以回收工質(zhì)900t,按20元/t計算,合1.8萬元。如果冷卻器采用制冷劑(氟利昂),所消耗的成本就可以用這筆工質(zhì)成本部分抵消。

3.1.5 空調(diào)功率的計算

因為1kJ=0.000278kW·h,冷卻器冷卻抽水蒸氣量180kg/h(絕對壓力10kPa,干度0.5的水蒸氣溫度為46℃,其焓值是1292+96=1388(kJ/kg),46℃飽和水,焓值為192kJ/kg,15℃的飽和水,其焓值為62kJ/kg),180kg/h的水蒸氣從46℃降低至10℃的飽和水,其釋放的熱量是(1388-192-62)×180=204120(kJ/h);46℃空氣的焓值是46kJ/kg,10℃空氣的焓值是10kJ/kg,冷卻器冷卻抽干空氣量80kg的焓值是(46-10)×80=2880(kJ)。空調(diào)(制冷量)為(204120+2880)×0.000278=57.54(kW),空調(diào)功率P=57.54/4=14.4(kW)。

采用空調(diào)制冷劑(氟利昂)的冷卻器所消耗的功率按14.4kW計算,5000h消耗72000kW·h,按0.5元/(kW·h),合3.6萬元。

以上計算參數(shù)是根據(jù)南方某電廠600MW超臨界火力發(fā)電機組獲取,其他電廠可根據(jù)機組參數(shù)采用類似方法計算。

3.2 社會效益

1臺600MW機組年平均節(jié)約煤炭9456t,換算成標煤是6754t,減少二氧化碳排放16818t。如果全國發(fā)電企業(yè)都推廣,根據(jù)2008年火電廠全年發(fā)電量21228億kW·h計算,每年可節(jié)約煤炭8363822t,換算成標煤是5974158.6t,每年可減少二氧化碳排放14875654.8t。

4 結(jié)論

經(jīng)過分析計算可知,夏天在真空泵入氣門前安裝冷卻器是可行的,能有效提高凝汽器真空度2%左右,對于凝汽式燃煤發(fā)電機組,經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

[1]胡念蘇.汽輪機設(shè)備及系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2006.