王 駿， 朱靈瑜， 吳正勇， 盧承斌， 姚永靈， 黃恩和

(1. 江蘇方天電力技術(shù)有限公司， 南京 211100； 2. 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院， 南京 210096)

凝汽器作為汽輪機(jī)冷端設(shè)備的重要組成部分，其冷端損失是汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的最大可控?fù)p失，而汽輪機(jī)抽氣系統(tǒng)是影響凝汽器真空的重要因素。水環(huán)真空泵(簡(jiǎn)稱水環(huán)泵)因具有抽速大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于汽輪機(jī)凝汽器抽氣系統(tǒng)[1]。一方面，水環(huán)泵以水為工作介質(zhì)，工作液達(dá)到飽和溫度時(shí)就會(huì)汽化，因而決定了其極限抽氣壓力；另一方面，凝汽器壓力隨季節(jié)變化，但水環(huán)泵近似容積泵，壓縮比雖能在一定范圍內(nèi)變化，但會(huì)產(chǎn)生附加損失導(dǎo)致能耗增大。針對(duì)目前水環(huán)泵抽氣系統(tǒng)存在的問(wèn)題，某些發(fā)電廠將氣冷式羅茨機(jī)械真空泵(簡(jiǎn)稱羅茨泵)用作前級(jí)泵，提高水環(huán)泵吸氣壓力和抽氣能力，稱為羅茨泵與水環(huán)泵復(fù)合抽氣系統(tǒng)[2]。傳統(tǒng)羅茨泵機(jī)組采用表面式換熱器，但由于凝汽器抽氣中含有相當(dāng)一部分空氣，積聚在換熱器管束周圍將會(huì)影響冷卻效果。

筆者基于凝汽器采用羅茨泵與水環(huán)泵復(fù)合抽氣系統(tǒng)，優(yōu)化泵組中間換熱器，采用混合式噴水冷卻器代替表面式換熱器，建立抽氣系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[3-4]，分析噴水冷卻器減溫水質(zhì)量流量對(duì)泵組功耗的影響，并進(jìn)行中間點(diǎn)冷卻優(yōu)化。

1 抽氣系統(tǒng)

某600 MW機(jī)組配備N-36000型凝汽器，該凝汽器為雙背壓、雙殼體、單流程、表面式橫向布置凝汽器，循環(huán)冷卻水設(shè)計(jì)溫度為20 ℃，筆者以低壓側(cè)凝汽器為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。抽氣系統(tǒng)應(yīng)滿足不同凝汽器背壓下的最大要求抽氣量，采用ZJQ-1800型羅茨泵[5-6]后接2BEC-50型水環(huán)泵。

圖1為該機(jī)組凝汽器抽氣系統(tǒng)示意圖。

圖1 羅茨泵與水環(huán)泵復(fù)合抽氣系統(tǒng)

凝汽器中蒸汽空氣混合物首先由羅茨泵進(jìn)行預(yù)壓縮，氣體壓力和溫度將會(huì)明顯提高，壓力的提高避免了水環(huán)泵長(zhǎng)期工作在極限壓力附近?；旌蠚怏w隨后經(jīng)過(guò)噴水冷卻器噴射減溫水進(jìn)行降溫，使得減溫后的氣體返流至羅茨泵進(jìn)氣腔室，冷卻羅茨泵的轉(zhuǎn)子和腔室；由于溫度的降低混合氣體體積流量減小，對(duì)水環(huán)泵抽氣出力要求降低，節(jié)省了水泵功耗。

相比傳統(tǒng)機(jī)組，該系統(tǒng)采用混合式噴水冷卻器代替表面式冷卻器，主要依靠減溫水的蒸發(fā)吸熱。減溫水水源來(lái)自閉式冷卻器的除鹽水，溫度與水環(huán)泵工作液接近。由于水的汽化潛熱巨大，而蒸汽和空氣的比熱容較小，少量的減溫水即可起到有效的冷卻作用，相比表面式冷卻器冷卻水的利用率更高。冷卻器底部設(shè)有水泵，將未蒸發(fā)的減溫水抽回到凝汽器熱井中。

2 噴水冷卻優(yōu)化計(jì)算

進(jìn)行冷卻優(yōu)化時(shí)，應(yīng)綜合考慮減溫水質(zhì)量流量和泵組功耗影響等因素。

2.1 減溫水質(zhì)量流量

若噴水冷卻器的減溫水質(zhì)量流量較少，混合氣體中蒸汽質(zhì)量流量?jī)H有少量增加。隨著噴水冷卻器的減溫水量增加，混合氣體的溫度逐漸降低，若低于初始蒸汽分壓對(duì)應(yīng)的飽和溫度，一部分蒸汽將發(fā)生冷凝，總蒸汽質(zhì)量流量可能減小。

在噴水冷卻器中，根據(jù)能量守恒定律且不考慮冷卻器與外界環(huán)境換熱，混合氣體中的蒸汽和空氣放熱量應(yīng)等于冷卻水的吸熱量。

Qaqm,a+Qsqm,s=Qjqm,j

(1)

0.85×10-6t2-0.39×10-9t3)dt

(2)

Qj=x(h2-hj)+4.187(1-x)(t2-tj)

(3)

式中：Qa為空氣放熱量，kJ/kg；Qs為蒸汽放熱量，kJ/kg；Qj為冷卻水吸熱量，kJ/kg；qm,a為空氣質(zhì)量流量，kg/h；qm,s為蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；x為噴射的減溫水蒸發(fā)質(zhì)量比(0≤x≤1)；qm,j為減溫水質(zhì)量流量，kg/h；h2為減溫后的蒸汽比焓，kJ/kg；t1、t2為減溫前、后氣體溫度，℃；tj為減溫水溫度，℃。

減溫水質(zhì)量流量由式(1)變換后見(jiàn)下式。

(4)

筆者進(jìn)行噴水冷卻器的減溫水用量?jī)?yōu)化時(shí)主要分兩種情況進(jìn)行討論，即混合氣體中蒸汽不發(fā)生冷凝和混合氣體中蒸汽部分冷凝，具體計(jì)算如下。

(1) 混合氣體中蒸汽不發(fā)生冷凝。

Qs=h1-h2

(5)

式中：h1為減溫前的蒸汽比焓，kJ/kg。

qm,s1=qm,s+xqm,j

(6)

式中：qm,s1為蒸汽不發(fā)生冷凝時(shí)減溫后蒸汽質(zhì)量流量，kg/h

(2) 混合氣體中蒸汽部分發(fā)生冷凝。

Qs=(1-y)(h1-h2)+y(h1-hs)

(7)

式中：y為蒸汽冷凝質(zhì)量比；hs為冷凝后飽和水比焓，kJ/kg。

qm,s2=(1-y)qm,s+xqm,j

(8)

式中：qm,s2為蒸汽部分冷凝時(shí)減溫后蒸汽質(zhì)量流量，kg/h。

如果減溫水用量較少，減溫后混合氣體溫度高于混合氣體中蒸汽分壓對(duì)應(yīng)飽和溫度，且混合氣體中空氣比熱容很小，少量減溫水即能起到顯著的冷卻效果。如果減溫水用量較多，減溫后混合氣體溫度低于混合氣體中蒸汽分壓對(duì)應(yīng)飽和溫度，部分蒸汽將發(fā)生冷凝，減溫后蒸汽質(zhì)量流量可能減少。

求得新的蒸汽質(zhì)量流量后可根據(jù)道爾頓分壓定律確定蒸汽分壓，重新查表得到蒸汽比焓，進(jìn)行迭代計(jì)算，當(dāng)誤差小于0.5%時(shí)停止迭代(見(jiàn)圖2)。

圖2 減溫水質(zhì)量流量計(jì)算流程

2.2 泵組功耗

抽氣系統(tǒng)的泵組功率計(jì)算具體見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

3 結(jié)果分析

在夏季和冬季工況下，進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)所有工況的參數(shù)匯總見(jiàn)表1。

表1 夏季和冬季工況下參數(shù)匯總

3.1 混合氣體中蒸汽不發(fā)生冷凝

機(jī)組負(fù)荷率分別為100%、90%、80%、70%時(shí)，在夏季和冬季工況下減溫水質(zhì)量流量對(duì)泵組功耗的影響見(jiàn)圖3。

圖3 泵組功耗隨減溫水質(zhì)量流量的變化

由圖3可知：增加減溫水質(zhì)量流量可有效降低泵組功耗，且夏季工況泵組功耗降低更明顯，降低了近10%。因此在進(jìn)行冷卻優(yōu)化時(shí)可以適當(dāng)增加減溫水質(zhì)量流量，尤其是在夏季。

3.2 混合氣體中蒸汽部分發(fā)生冷凝

機(jī)組負(fù)荷率分別為100%、90%、80%、70%時(shí)，在夏季和冬季工況下蒸汽冷凝質(zhì)量比對(duì)減溫水質(zhì)量流量的影響見(jiàn)圖4。

圖4 減溫水質(zhì)量流量隨蒸汽冷凝質(zhì)量比的變化

機(jī)組負(fù)荷率分別為100%、90%、80%、70%時(shí)，在夏季和冬季工況下蒸汽冷凝質(zhì)量比對(duì)泵組功耗的影響見(jiàn)圖5。

圖5 泵組功耗隨蒸汽冷凝質(zhì)量比的變化

由圖4、圖5可知：在夏季、冬季工況下，泵組功耗幾乎與蒸汽冷凝質(zhì)量比無(wú)關(guān)，但是減溫水質(zhì)量流量受蒸汽冷凝質(zhì)量比影響較大。

3.3 蒸汽冷凝臨界點(diǎn)計(jì)算

同一工況下，隨著噴水冷卻器的減溫水質(zhì)量流量的增加必然存在某個(gè)確定的質(zhì)量流量使蒸汽剛好能夠發(fā)生冷凝，此時(shí)的蒸汽壓力等于該溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力。仍然采用圖2的計(jì)算流程，按照混合氣體中蒸汽部分發(fā)生冷凝的計(jì)算方法，蒸汽冷凝質(zhì)量比取 0。夏季、冬季工況臨界泵組功耗及臨界減溫水質(zhì)量流量隨機(jī)組負(fù)荷率的變化見(jiàn)圖6。

圖6 臨界機(jī)組功耗及臨界減溫水質(zhì)量流量變化曲線

在蒸汽不發(fā)生冷凝的情況下增加減溫水質(zhì)量流量可有效降低泵組功耗。若減溫水質(zhì)量流量過(guò)大，蒸汽發(fā)生冷凝，雖然計(jì)算得到的蒸汽質(zhì)量流量減小，但實(shí)際上需要大量的減溫水蒸發(fā)吸熱以平衡蒸汽冷凝產(chǎn)生的汽化潛熱，綜合多方因素蒸汽質(zhì)量流量幾乎維持不變，泵組功耗不受蒸汽冷凝質(zhì)量比的影響。因此，在進(jìn)行冷卻優(yōu)化時(shí)，應(yīng)在盡量避免發(fā)生蒸汽冷凝的情況下增加減溫水質(zhì)量流量。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者基于復(fù)合抽氣系統(tǒng)，采用混合式噴水冷卻器代替表面式換熱器，對(duì)混合氣體中蒸汽不發(fā)生冷凝和蒸汽部分冷凝分別進(jìn)行討論，優(yōu)化了噴水冷卻器的減溫水質(zhì)量流量，得出以下結(jié)論：

(1) 蒸汽不發(fā)生冷凝時(shí)泵組功耗隨減溫水質(zhì)量流量的增加而明顯降低；蒸汽部分冷凝時(shí)泵組功耗隨減溫水減溫水質(zhì)量流量的增加幾乎不變。

(2) 進(jìn)行噴水冷卻優(yōu)化時(shí)應(yīng)在避免蒸汽冷凝的前提下增加減溫水質(zhì)量流量。