汪辰

華能上海燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司

0 引言

在一拖一的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，汽輪機(jī)功率約占總功率的三分之一，其作用是利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣的余熱加熱給水而得到的蒸汽做功，以增加整個機(jī)組的做功量。隨著燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，燃?xì)獬鯗卦絹碓礁撸ㄈ鏗級燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣初溫已達(dá)1 430℃），使其排氣溫度隨之提高，排氣的熱量也越來越大，致使聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中汽輪機(jī)的收益顯得越來越重要。

凝汽器是凝氣式汽輪機(jī)的主要輔助設(shè)備，是汽輪機(jī)組的重要組成部分，它將汽輪機(jī)中做完功的蒸汽排出壓力盡可能地降低，從而使蒸汽在汽輪機(jī)中的可用焓降達(dá)到最大，以提高汽輪機(jī)的工作效率。凝汽器工作性能的好壞直接影響汽輪機(jī)乃至整個聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

1 影響凝汽器工作性能的因素

1.1 凝結(jié)水的過冷度

凝汽器熱水井出口凝結(jié)水溫度與凝汽器在排汽壓力下對應(yīng)的飽和溫度之差稱為過冷度，即凝汽器熱水井中凝結(jié)水的過度冷卻程度。凝結(jié)水的過冷卻是凝汽設(shè)備中的一個異常現(xiàn)象，將影響機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)性。

凝結(jié)水的過冷度越大，說明被冷卻水帶走的熱量越多，而這部分熱損失將需要鍋爐多燃燒燃料來彌補(bǔ)，導(dǎo)致系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性的降低。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一般大多采用的是無補(bǔ)燃的余熱鍋爐，實際運(yùn)行中并不會對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性帶來影響，反而可使具有過冷度的凝結(jié)水在余熱鍋爐中吸收更多燃?xì)廨啓C(jī)排氣所攜帶的熱量，從而最終降低鍋爐的排煙溫度，對提高余熱鍋爐的效率有一定的積極作用。因此，過冷度變大不會對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性帶來嚴(yán)重的影響。

1.2 凝汽器的最佳真空

凝汽器最佳真空定義為提高凝汽器真空后機(jī)組發(fā)電功率增量與為提高凝汽器真空所耗廠用電功率增量之差最大時的凝汽器真空，這一定義體現(xiàn)了機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性最佳的原則。

當(dāng)汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)相對恒定時，凝汽器真空越高，單位蒸汽在汽輪機(jī)中的理想比焓降越大，機(jī)組發(fā)電越多，但并不是說真空越高越好，它是有一個極限值的。這個極限值由汽輪機(jī)末級葉片出口截面的膨脹程度決定，當(dāng)通過末級葉片的蒸汽已達(dá)到膨脹極限時，如果繼續(xù)提高真空，則不可能得到經(jīng)濟(jì)上的效益；相反，為維持高真空，循環(huán)水泵等輔助設(shè)備消耗的廠用電必然增加，會降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。因此，只有在極限真空內(nèi)提高真空，并使提高真空所花代價小于汽輪機(jī)效率提升所帶來的實際收益，才能對機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性帶來幫助。這一理論在常規(guī)燃煤汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中同樣適用。

由此可見，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中凝汽器真空的高低是對汽輪機(jī)和整體機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性都起著關(guān)鍵作用。在合理范圍內(nèi)提高凝汽器真空是提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，降低發(fā)電成本的重要舉措。

2 提高凝汽器真空

2.1 真空的形成

凝汽器內(nèi)真空的形成，可分為兩種情況。在啟動或停機(jī)過程中，凝汽器內(nèi)的真空是由真空泵將其內(nèi)空氣抽出而形成。在正常運(yùn)行中，凝汽器內(nèi)真空的形成是由于汽輪機(jī)排汽在凝汽器內(nèi)驟然凝結(jié)成水時，其比容急劇縮小而形成的（因為在0.1MPa壓力下，蒸汽的比容比水的比容大1 725倍，而在0.004MPa壓力下，蒸汽的比容比水大3萬多倍）。由于汽輪機(jī)排汽中含有少量的不凝結(jié)氣體，同時凝汽器本身及其連接系統(tǒng)也存在漏氣處，有部分空氣漏入凝汽器內(nèi)，所以必須用真空泵將氣體連續(xù)不斷地從凝汽器中抽出，以維持凝汽器在真空下連續(xù)運(yùn)行。

2.2 具體措施

從真空的形成過程看，要提高真空主要可從汽輪機(jī)排汽在凝汽器內(nèi)驟然凝結(jié)成水的熱力過程和真空泵對不凝結(jié)氣體及漏氣的抽吸兩方面入手。

1)增加冷卻水流量

根據(jù)凝汽器的熱力特性，決定排汽在凝汽器內(nèi)驟然凝結(jié)成水這一熱力過程的基本因素是凝汽器的冷卻面積、冷卻水量、冷卻水入口溫度，即提高凝汽器內(nèi)的真空，可采取下列三個措施：降低冷卻水入口溫度；增加冷卻水量；保持傳熱面的清潔或改進(jìn)舊設(shè)備增加傳熱面積。

其中保持傳熱面的清潔或改進(jìn)舊設(shè)備增加傳熱面積一般需在機(jī)組檢修或通過技改來解決，短時內(nèi)無優(yōu)化手段。冷卻水入口溫度取決于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，短時間內(nèi)也不會改變。因此要提高凝汽器的真空應(yīng)靠增加冷卻水流量，即增加循環(huán)水泵的臺次。

以某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠為例，凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用三臺工頻循環(huán)水泵母管制的方式，為該廠三臺機(jī)組提供冷卻水。當(dāng)三臺機(jī)組均并網(wǎng)運(yùn)行時，一般至少需要兩臺以上循環(huán)水泵運(yùn)行，才能滿足冷卻水量的基本要求，尤其在夏季工況下，三臺循環(huán)水泵則需全部運(yùn)行。在實際生產(chǎn)過程中，循環(huán)水泵臺數(shù)的余量并不多，即理論上通過增加循環(huán)水泵臺次增加冷卻水量的方法在實際生產(chǎn)中的可行性有較大限制。

2)增強(qiáng)真空泵抽吸作用

機(jī)組正常運(yùn)行時，由于凝汽器的真空系統(tǒng)不能絕對嚴(yán)密而從外界漏入空氣，以及蒸汽中所含的不凝結(jié)氣體（因為給水中的含氣量不可能達(dá)到絕對零）在蒸汽凝結(jié)時被析出，會使冷卻水管表面上形成一層空氣膜而降低了傳熱效果，影響蒸汽的冷卻放熱。在凝汽器中空氣容積含量越大，對蒸汽的放熱影響也越大。汽輪機(jī)排汽在凝結(jié)初期空氣含量相對很小，在蒸汽進(jìn)入管束逐漸凝結(jié)的過程中，空氣含量不斷增加，致使蒸汽放熱過程逐漸惡化。凝汽器中的全壓力是由蒸汽分壓力與空氣分壓力組成的混合壓力，由于空氣分壓力的存在，凝汽器內(nèi)的真空就會下降。此時若能加強(qiáng)真空泵對不凝結(jié)氣體及漏氣的抽吸作用，即可很快提高凝汽器的真空。

同樣以上述該燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠為例，凝汽真空系統(tǒng)配有兩臺水環(huán)式真空泵，正常情況下一用一備，若在相同前提條件下增開一臺真空泵，即能增強(qiáng)抽吸的效果，在短時間內(nèi)迅速提高真空。

3 實例分析

以該燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠為例，在冬季某日進(jìn)行了一次對比實驗，分析了增開一臺真空泵后凝汽器真空的變化情況以及對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。表1為在相同條件下一臺真空泵運(yùn)行和兩臺真空泵運(yùn)行時所對應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)。

實驗開始前，機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，保持兩臺真空泵運(yùn)行，凝汽器真空穩(wěn)定在4.26kPa Abs，10：53實驗開始，停用一臺真空泵，真空逐漸下降。11：35各參數(shù)穩(wěn)定，可見凝汽器真空降至了6.08KPa Abs，燃機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉IGV相應(yīng)增大了2.026%，天然氣流量增大了0.44 kNm3/h，由此說明燃機(jī)部分所帶的負(fù)荷已有所上升，而此時總負(fù)荷保持不變，說明了汽輪機(jī)所帶的負(fù)荷減少了，在蒸汽參數(shù)變化不大的情況下，進(jìn)一步說明了汽輪機(jī)的熱經(jīng)濟(jì)性有所下降，即：在一臺真空泵運(yùn)行的基礎(chǔ)上再增開一臺真空泵，汽輪機(jī)的熱效率將有所上升。

表1 冬季某日聯(lián)合循環(huán)電廠機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

從整體經(jīng)濟(jì)性分析，增開一臺真空泵后，天然氣每小時可節(jié)省440m3，以2.2元/m3天然氣計算，10小時可節(jié)省的燃料費(fèi)用為：440×10×2.2=9 680元。

而一臺400V真空泵電機(jī)10小時的耗電量為：

W=Pt=3UIcosφt

=1.732×0.4×200×0.82×10

=1136.192 kWh

式中，W—耗電量；P—真空泵電機(jī)功率；U—真空泵電機(jī)額定電壓；I—真空泵電機(jī)額定電流；cosφ—功率因數(shù)；t—運(yùn)行時間。

以每kWh 0.52元計算，真空泵電機(jī)運(yùn)行10h需花費(fèi)：1136.192＊0.52=590.81984元。

粗略計算可知，節(jié)省的燃料費(fèi)用約為一臺真空泵電機(jī)運(yùn)行所需費(fèi)用的10倍以上，由此可見，增開一臺真空泵在經(jīng)濟(jì)性上是可行的。同時，查閱設(shè)計資料，該凝汽器的額定真空為5.9KPa Abs，此實驗及計算結(jié)果也驗證了該額定真空值并非是凝汽器的最佳真空工作點(diǎn)。

4 結(jié)論

加強(qiáng)真空抽吸裝置的效果，如增開一臺真空泵是提高凝汽器真空最直接、有效、簡易的方法。在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，由于真空的提高，汽輪機(jī)熱效率隨之增加，燃?xì)廨啓C(jī)所帶的負(fù)荷就會相應(yīng)降低，從而減少了燃料量。節(jié)省的燃料費(fèi)用遠(yuǎn)大于一臺真空泵電機(jī)運(yùn)行所需費(fèi)用，因此，在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中使用該方法提高凝汽器真空其經(jīng)濟(jì)性十分顯著。