提高凝汽器真空研究

高丹 藺琪蒙

摘 ? 要：對于冷端采用帶自然通風濕冷塔的二次循環冷卻形式，本文對冷卻塔淋水面積、凝汽器面積、冷卻倍率、循環水管徑等各個冷端可變參數進行不同的方案組合，并通過水力、熱力和經濟計算，對各方案進行綜合的比較分析，選取了滿足技術、經濟條件的合理方案和優化配置。同時結合凝汽器的特點，對影響機組熱效率的凝汽器抽真空系統進行優化，且采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，節能效果顯著。

關鍵詞：冷端優化 ?真空 ?節能 ?凝汽器

中圖分類號：TK264 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0070-02

1 ?冷端優化

1.1 冷端優化原理及方法

冷端優化是電廠設計中的一個重要環節，其主要目的是根據工程具體條件確定最佳的冷端配置方案，以保證機組在安全運行的同時，使得電廠的綜合經濟效益最高。本文以采用帶自然通風濕冷塔的二次循環冷卻方式為例，其冷端設備主要包括凝汽器、冷卻塔、循環水泵及循環水管溝等。

冷端方案的選取直接影響汽輪機組的背壓，從而影響機組的熱效率。在氣象條件和負荷一定的情況下，冷卻塔越大、凝汽器面積越大、循環倍率越高，則機組背壓越低，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用越高;循環倍率越高，則循環水泵的運行費用越高，都將導致經濟性不佳。冷端優化就是通過計算一系列不同的冷卻塔、凝汽器、循環倍率及循環水管徑組成的方案的熱力、水力特性及經濟性，對各方案的技術、經濟進行綜合的比較，在投資與收益間找到最佳平衡點，從而確定滿足運行要求的最為經濟的冷端配置。

冷端優化時，可以控制額定發電量不變，以不同背壓下的煤耗作為收益的評價量，也可假定汽輪機的汽量不變，以不同背壓下汽輪機的微增功率作為收益的評價量。雖然前者與實際運行更為吻合，但在設計時由于不同背壓下，汽輪機發相同功率時的進排汽量均不同，因此計算相對繁瑣。而機組的背壓-微增關系更易得出，因此，目前冷端優化中普遍采用機組的微增功率作為計算年費用的量。

1.2 冷端優化基礎

本工程冷端優化所需汽機特性參數及相關經濟參數根據以下各項基礎資料進行（以下均以2×660MW二次再熱機組為例）：

（1）機組年運行小時數：5500h

（2）凝汽器單位造價：800元/m2

（3）年固定費用率：10.18%（不含2.5%大修費用率）

（4）成本電價：0.252元/kW·h

（5）循環水泵、電機綜合效率：0.836（電機0.95，泵0.88）

（6）微增電價：0.202元/kW·h

1.3 冷端優化方案

本工程采用帶自然通風濕冷塔的二次循環冷卻方式，其冷端主要變量主要包括凝汽器面積、冷卻塔大小、循環倍率及循環水管管徑，優化方案由此四個變量進行組合。

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>1.0m/s。由此可計算出機組與對應的凝汽器在不同的冷卻倍率下管內流速是否滿足要求。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濕冷塔。選用四組不同淋水面積的冷卻塔參與優化計算，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阻力小、散熱及阻燃性能好等特點，采用聚氯乙烯片材。

1.3.3 冷卻倍率

本工程為一機兩泵、二次循環供水系統，循環水泵運行工況按一年三季采用變倍率運行方式，優化計算時冬季與夏季水量比取0.6，春秋季與夏季水量比取0.85，即夏季采用一機兩泵的運行方式，冬季采用一機一泵，春秋季采用兩機三泵的運行方式。在經濟比較中，計算年微增功率時，亦按照該運行方式按月分別計算。冷卻倍率采用45、50倍、55倍、60倍四種方案參與優化計算。

1.3.4 循環水管管徑

循環水母管采用DN2800mm、DN3000mm和DN3200mm三種方案參與優化計算。以上四個可變參數（冷卻塔淋水面積、凝汽器面積、冷卻倍率、循環水管管徑）共組成240組方案，對此240組方案進行熱力、水力及經濟計算，得出不同氣象條件下的循環水水溫、凝汽器背壓、循環水泵功率、微增功率等技術經濟參數，從而得到各方案的年固定投資及年運行費用，根據年總費用最小法確定最優的冷端配置。

1.4 冷端優化計算結果

在前述設計條件下，通過對各方案凝汽器、冷卻塔等設備進行熱力、水力計算得出不同方案對應的機組背壓和循環水系統阻力，從而確定不同冷端方案下機組的年運行費用，將年運行費用與年固定費用相加得出年總費用。通過冷端優化計算結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、循環水管徑為2.8m的冷端配置方案年總費用最低。在此冷端配置下，年平均氣象條件時機組背壓為4.6kPa。

2 ?凝汽器抽真空系統優化設計

在表面式凝汽器管束中，汽輪機排汽由外到內不斷地凝結，蒸汽中所含的不凝結氣體（絕大部分是漏入汽輪機真空系統的空氣）的比例也不斷地增加，直至空氣冷卻區。不凝結氣體在管子表面形成氣膜，阻礙蒸汽凝結，使汽側蒸汽的放熱系數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，凝汽器必須設計抽真空系統將空氣冷卻區的未凝結氣體（含與尚未凝結的蒸汽）經抽氣芯管抽走，防止不凝結氣體聚集在凝汽器汽側影響蒸汽凝結放熱，滿足機組啟動時建立凝汽器真空和運行時維持凝汽器真空的要求。

2.1 布置方案優化

2.1.1 雙背壓凝汽器抽真空系統的常規設計

本工程凝汽器為雙殼體、雙背壓結構，雙背壓凝汽器抽真空系統的常規設計有串聯與并聯兩種型式。雙背壓凝汽器的串聯抽真空系統，是指高壓凝汽器的未凝結氣體先經設有節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抽真空系統，是指高壓凝汽器的未凝結氣體經設有節流孔板的抽氣管道引至抽氣母管，低壓凝汽器的未凝結氣體經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 常規系統設計存在的問題

雙背壓凝汽器的串聯抽真空系統由于高背壓凝汽器的未凝結氣體流入低背壓凝汽器，增加低背壓凝汽器蒸汽中不凝結氣體的含量，會惡化低背壓凝汽器的傳熱效果，提高低背壓凝汽器運行背壓。另外，漏入高背壓凝汽器側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的節流孔板很難適應各種變化工況，對于某些運行工況孔板直徑可能偏大，高背壓凝汽器部分未凝結的蒸汽流入低背壓凝汽器，加大低壓凝汽器負擔，也會提高低背壓凝汽器運行壓力;反之，對于某些運行工況孔板直徑可能偏小，抽氣管道流動阻力較大，影響高背壓凝汽器內未凝結氣體的抽出，兩者共同作用將會抬高高背壓凝汽器的運行壓力。

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大單元制的抽真空系統。機組啟動時，三臺真空泵投入運行，以縮短凝汽器建立真空的時間。機組正常運行時，真空泵二運一備，其中指定的兩臺真空泵分別對應高、低壓凝汽器運行，另一臺真空泵作為任意一臺運行真空泵的備用。去備用真空泵的抽真空管道從擴大單元制的母管上引接。在兩臺運行真空泵和備用真空泵之間的母管上設有兩只切換閥，以便正常運行時高低背壓抽真空系統之間的隔離以及實現備用泵切換的功能。

雙背壓凝汽器配3×50%容量真空泵的擴大單元制抽真空系統不需要在抽氣管道設置節流孔板，從根本上解決了雙背壓凝汽器串、并聯抽真空系統所存在的問題，系統簡單可靠。

2.2 管道系統優化

在抽真空管道上設置冷凝器，利用化學補充水的“冷能”，使蒸汽快速凝結，可減輕真空泵的負擔，降低功耗，并提高抽真空能力，提高機組的熱經濟性。

外置式冷凝系統設計來自凝汽器內的氣汽混合物從混合式冷凝器的下部進入，化學補充水從混合式冷凝器的上部進入，兩者逆流混合換熱后蒸汽凝結成水，剩余的氣汽混合物從混合式冷凝器的頂部抽出，凝結水及升溫的化學補充水從混合式冷凝器的底部引出。混合式冷凝器宜高位布置，以便加熱后的化學補充水與氣汽混合物中的蒸汽凝結水自流入凝結水收集箱。

專門設計的逆流混合式冷凝器其工作原理是利用化學補充水在起膜管內形成高速旋轉的水膜將氣汽混合物吸卷進來充分混合冷卻，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大的換熱能力，能使蒸汽快速凝結，冷凝后的氣汽混合物含蒸汽量少、溫度低（可接近化學補充水的進水溫度），可減輕真空泵的負擔，降低功耗，并提高抽真空能力。

3 ?結語

（1）通過冷端優化及凝汽器抽真空的系統優化，機組背壓長期得以維持較好水平。（2）冷端優化涉及工程量較大，影響因素多，設計之初分析確定合理的邊界條件，制定適用于自身的冷端優化方案并予以實施，對機組的真空起決定性作用。（3）對真空泵的選型配置進行優化，推薦采用擴大單元制配置3×50%容量的水環式真空泵，節能效果顯著。（4）采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，可減輕真空泵功耗，有效增強真空泵的抽真空能力。

參考文獻

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