靈活性切缸供熱空冷系統抽真空管道改造設計

孫玉慶

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

2019年我國火電機組利用小時數約4 293 h，其中300 MW級直接空冷供熱機組年利用小時數更低，甚至存在停運一臺機組，運行一臺機組的現象。為緩解火電機組發電負荷低問題，絕大數電廠均進行了有針對性的節能改造，其目的為提質增效，一定程度上可有效提高機組的供熱或度夏經濟性，例如乏汽（熱泵/熱壓機）余熱回收供熱改造、靈活性切缸供熱改造、夏季尖峰冷卻改造等。本節僅針對靈活性切缸供熱改造進行概述。隨著居民和工業用戶對供熱負荷需求的不斷增加，電網對機組在低負荷率下的供熱能力提出了更高要求，必須提高供熱機組的熱電解耦、靈活性運行能力，要求機組保障供熱能力的同時，最大程度提高機組的寬幅調峰能力。

靈活性切缸供熱改造通常采取的措施如下：①在保證機組安全運行的基礎上，降低低壓缸進汽量、減小低壓缸出力；②在低壓缸高真空運行條件下，通入少量冷卻蒸汽，實現低壓缸接近“零出力”運行工況；③對原低壓缸進汽系統、空冷抽真空系統、低加加熱器進汽系統、熱工儀表及控制系統、電氣部分及土建部分進行適應性改造。

本次側重對直接空冷中抽真空系統的適應性改造進行研究。為使機組在冬季以更低設計背壓運行，例如3 kPa，該背壓值已突破了傳統直接空冷機組的安全運行極限。通過對已有機組直冷系統的抽真空管道阻力進行重新計算、管路布置優化，以滿足抽真空泵入口的壓力要求。便于機組能抽出更多高壓蒸汽和低壓乏汽用于擴大供熱需求。

1 已有抽真空管路問題分析

在靈活性切缸供熱改造中，需要汽機排汽裝置出口處運行壓力最小達到3 kPa(與抽真空泵廠家咨詢，目前可達到的最小背壓)，若已知汽機排汽裝置出口處壓力為P、從汽機排汽裝置出口到空冷凝汽器入口之間的壓力降為ΔP1，凝汽器的汽阻(壓力降)為ΔP2，從逆流凝汽器抽氣口到抽真空泵入口之間的壓力降為ΔP3，則抽真空泵入口處壓力 Pc=P-ΔP1-ΔP2-ΔP3。

在維持原有空冷系統抽真空管路布置不變的情況下，若抽真空泵入口處壓力降低到2.5 kPa，經過反推計算排汽裝置出口處壓力為3.39 kPa，大于改造后需要的3 kPa。若達到改造后需要的3 kPa，需要對整個壓力降系統進行改造，而其中空冷排汽管道、散熱器順流段、散熱器逆流段改造難度大、費用高、工期長。因此需要對抽真空管道直徑和布置進行調整，以便減少此部分汽阻，既滿足了抽真空泵入口壓力需求，也節省了投資，且費用和施工難度均最小。

在機組改造前，根據美國換熱器設計標準(heat exchange instrument，HEI)規 定真 空泵 的設計抽氣壓力最小為3.39 kPa，經過對我院多個已投運直冷機組進行調研，抽真空泵吸入口壓力最低約4.5 kPa，若降低到2.5 kPa，需要額外增加一套輔助羅茨泵抽真空系統，以便降低背壓。

空冷凝汽器抽氣口處壓力越低，氣汽混合物的密度越小(比體積越大)、流速越大，抽真空管道的氣阻就越大。因此，需要對已有抽真空管道進行重新計算，且合理選擇管道管徑和布置，以滿足汽機排汽裝置出口處低背壓(3 kPa)運行需求。

2 抽空管道阻力和管徑的計算

2.1 阻力計算

抽真空管道內介質為蒸汽與不凝結氣體(假設蒸汽為飽和狀態及不凝結氣體為空氣)的混合物，即氣汽混合物。就濕冷機組而言，表面式凝汽器的工作壓力較低，從其空氣冷卻區抽出的氣汽混合物設計溫度一般比抽氣壓力對應的飽和蒸汽溫度低4.2℃[1]，即Δt(過冷度)＝4.2℃，抽氣帶汽質量比約為2.2。而直冷機組的空冷凝汽器逆流段工作壓力較高，若Δt取4.2℃，則抽氣帶汽質量比將大于2.2，故建議采用Δt=3～4℃時對應的數據計算抽真空管道的管徑。

2.1.1 阻力范圍

抽真空管道的阻力包括管道摩擦壓力降、靜壓力降及速度壓力降。

1)管道摩擦壓力降包括直管、管件和閥門等的壓力降，同時亦包括孔板、突然擴大、突然縮小及接管口等產生的局部壓力降。在計算時，可將管件、閥門等局部壓力降折算為相當的直管長度，此直管長度稱為管件、閥門等的當量長度。在計算管道壓力降時，將當量長度加到直管長度中一并計算，所得之和壓力降即為該管道的總摩擦壓力降。管道總摩擦壓力降中管件三通、大小頭、彎頭及閥門的阻力系數采用DL/T5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規范》中D.3管道附件中局部阻力系數，直管壓力降采用HG/T 20570—1995《管道壓力降計算》中真空系統公式來計算。

2)靜壓力降是由于管道始端和終端標高差而產生的。

式中：ΔPS為靜壓力降，Pa；Z2、Z1分別為管道出口端、進口端的標高，m；ρ為氣汽混合物的密度，kg/m3，g為重力加速度。

3)速度壓力降是指管道始端和終端流體流速不等而產生的壓力降。

式中：ΔPN為壓力降，Pa；u2、u1分別為管道出口端、進口端的氣汽混合物流速，m/s；ρ為氣汽混合物的密度，kg/m3。

本計算不考慮抽真空管道散熱的影響，即管內抽氣溫度保持不變。在計算時，保持整個抽真空管路中質量流量不變，每計算完一段抽真空管道的壓降后，在計算下一段抽真空管道的壓降時，管中氣汽混合物的密度會因管中壓力的下降而改變，氣汽混合物的動力粘度隨溫度而變化，受壓強的影響不大，即計算中氣汽混合物的動力粘度可按保持不變。

2.1.2 阻力計算方法

抽真空管道阻力計算方法分兩種，即正推法和反推法。

1)正推法

先確定凝汽器逆流段抽氣口處的壓力及溫度值，接著選取管徑，按照《管道壓力降計算》標準中公式計算抽真空管道的壓力降。

2)反推法

若抽真空泵入口壓力為P，隨意抽真空管道的壓力降為ΔP，則凝汽器逆流抽氣口處壓力為：(P+ΔP)kPa，凝汽器逆流抽氣口處混合物參數、抽真空管道的壓力降及其管徑的計算同方法1)。先選取管徑，其中假設壓力降ΔP值可通過試算來得出，如與計算結果相差很大，需重新ΔP，再與計算值比較，直至兩者結果近似為止。在計算抽氣所帶蒸汽質量流量時，需要知道機組的抽干空氣量。參考我院已有不同容量(100 MW～600 MW級)機組的抽真空泵設計資料，抽真空泵的抽干空氣量分別為65 kg/h、70 kg/h、75 kg/h、140 kg/h。

2.2 抽真空管道的管徑選取

在DL/T5054—2016《火力發電廠汽水管道設計規范》中規定抽汽管道的濕蒸汽流速范圍為20 m/s～35m/s。通過對已投運不同容量直冷機組(100 MW～600MW)的抽真空管道流速計算，流速均控制在30 m/s范圍內(即最大值為30m/s)。因此，按照抽真空管道的流速上限不超過30 m/s來確定管徑。同時根據初步選定的管徑來計算整個抽真空管路的壓降值，看是否能達到抽真空泵入口壓力的需求，若達不到，應增加管徑，降低流速。

某350 MW供熱機組的未改造前空冷系統抽空管道管徑分別為：管段1- D42×3、管段 2- D108×4、 管 段 3- D159×4.5、 管 段4- D219×6、管段 5- D273×6、管段 6- D377×8。管道布置如圖1所示。

圖1 某350 MW供熱機組空冷系統抽真空管道示意圖

按照最遠路徑計算，即對稱布置單側最遠段分支(STREET-1)。經過對原抽真空管道計算得出抽真空管道壓力降ΔP在0.5 kPa范圍內，流速控制在30 m/s的范圍內，原有工程的抽真空管段組合中氣汽混合物的流速比較均勻。

當采用靈活性切缸供熱改造后，機組抽真空泵入口處背壓為2.5 kPa，假設抽干空氣量為75 kg/h，抽氣過冷度為3℃。

通過對已有抽真空管道進行不同管段處的直徑調整，可得出多個抽真空管段組合方案，經阻力計算比較后，最終得出一組滿足壓力運行要求的方案，由此確定出抽真空管道的直徑和阻力范圍，以供選用。表1、表2、表3為不同空冷凝汽器抽真空管道入口處壓力對應的阻力計算和管徑選取。

表1 原抽真空管道計算結果（P+△P =3.96 kPa時）

表2 調整抽真空管道計算結果(P+△P =3.22 kPa時)

表3 調整抽真空管道計算結果(P+△P =2.65 kPa時)

計算得出：抽真空管路總壓降為460 Pa，抽真空泵入口處壓力為3.5 kPa。

計算得出：抽真空管路總壓降為220 Pa，抽真空泵入口處壓力為3 kPa。

計算得出：抽真空管路總壓降為150 Pa，抽真空泵入口處壓力為2.5 kPa。

從以上計算得出：

1)在滿足流速要求時，原抽真空管路已不能滿足壓降(過大)的要求；

2) 當空冷凝汽器抽真空管道入口處壓力不斷減小時，需要不斷增大抽真空管道管徑，以便滿足管路流速和壓降的要求；

3)調整后抽真空管道壓力降值在0.21 kPa范圍內(滿足壓降要求)，管段組合為管段1-D42×3、管 段 2-D159×4.5、 管 段 3- 219×6、 管 段4-D325×6、管段5-D325×6、管段6-D480×8。

2.3 管路改造的注意事項

需要對已有抽真空管路及其支吊進行更換，在對已有抽真空管路及其支吊架進行施工時，需注意調整后的抽真空管路支吊架對已有清洗軌道是否發生碰撞，若碰撞，需要對清洗軌道做局部改動。

3 抽真空系統改造配套的防凍措施

當機組采用靈活性切缸改造后，排汽裝置出口處運行壓力很低，進入空冷系統的排汽量也很少。空冷系統在冬季供熱期超低背壓運行時，需要做好細致的防凍措施和調整保障手段。在機組切缸深度調峰期間，為防止空冷凝汽器發生凍結，應根據空冷技術協議中相關內容核實空冷凝汽器單列蒸汽分配管最小防凍流量是否滿足要求。例如當冬季氣溫最冷時段(-27.4℃)時，單臺機組單列蒸汽分配管最小防凍流量約63.5 t/h，因此，在改造時，在每列蒸汽分配管入口處增設1套蒸汽電動隔離閥，用于隔斷其他列空冷凝汽器，以確保進入單列空冷凝汽器的排汽量大于63.5 t/h。同時建議增設在線監測系統，特別是對空冷散熱器易凍裂處(逆流管束)開展實時在線監視，確保其有較好的嚴密性和可操作性，指導運行人員運行操作、提高運行經濟性和安全性。

4 結論

在機組進行靈活性切缸改造時，為滿足汽機排汽裝置出口處運行壓力達到3 kPa，即抽真空泵入口處壓力達到2.5 kPa，經過計算，原抽真空管道已不能滿足要求，需要增大抽真空管路直徑，以便減小抽真空管路的總壓降值，達到抽真空泵入口壓力需求。

1)抽空管道的流速可按照不超過30 m/s來限定管徑范圍；

2)當抽真空泵入口壓力為2.5 kPa時，抽真空管路總壓降為210 Pa，需要增大每一列抽真空分支管管徑及匯總管徑，以便滿足壓降需求；

3)需要額外增加一套輔助羅茨泵抽真空系統，以便維持機組低背壓運行需求；

4)需對已有抽真空管道及其支吊架進行更換，以滿足管徑調整后管道布置需求；

5)空冷系統在冬季供熱期低背壓運行時，應做好防凍措施，建議增設在線監測系統；

6)若現場有條件限制，抽真空管道分支管的管徑應更換，匯總總管的管徑可根據需求不進行調整。