一种提高凝汽器真空的方法

曾华

(华电集团贵港发电公司,广西贵港 537100)

0 引言

燃煤电厂凝汽式汽轮发电机凝汽器的真空,冬天总比夏天好,低负荷时总比高负荷时好,这和凝汽器内存留气体的体积有关,即夏天凝汽器内气体的体积比例要大些,冬天凝汽器内气体的体积比例要小些。低负荷时总比高负荷时好也是同样的道理,即高负荷时凝汽器内气体的体积比例要大些,低负荷时凝汽器内气体的体积比例要小些。

1 凝汽器内存留气体体积比例分析

凝汽器真空是靠汽轮机低压缸排汽在凝汽器内凝结后体积缩小而形成的,此后是靠真空泵把漏入凝汽器的空气和排汽中不能凝结的蒸汽抽吸升压排入大气而维持的。凝汽器在设计制造时,不管是夏天(高负荷)还是冬天(低负荷)都要考虑低压缸排汽在凝汽器内完全凝结,同时,设计制造的真空泵在额定负荷时完全能维持凝汽器的设计真空。既然夏天(高负荷)和冬天(低负荷)低压缸排汽在凝汽器内都能完全凝结,那为什么汽轮发电机凝汽器的真空冬天(低负荷)总比夏天(高负荷)好呢?

实际上,效能再好的真空泵也不能将凝汽器内的气体完全抽吸升压排出,凝汽器的真空只能接近真空泵的极限真空,永远不能达到理论真空,这说明凝汽器内总是有一部分气体存在,这部分气体受环境温度的影响特别大。根据气体状态方程式,冬天凝汽器冷却水温度较低,使得凝汽器汽侧存留的气体温度也低,其体积缩小,凝汽器容积又不变,于是凝汽器真空相对就好,反之凝汽器真空相对就差。同理,低负荷时由于低压缸排汽量减少,凝汽器冷却水量不变,凝汽器冷却水出水温度就会下降,使得凝汽器汽侧存留的气体温度也下降,其体积缩小,凝汽器容积又不变,于是凝汽器真空相对就好,反之凝汽器真空相对就差。

为了能进一步说明此问题,用图1、图2、图3进行说明,图中阴影部分为始终存留在凝汽器内气体的体积。

图中:1为凝汽器;2为冷却器;3为真空泵;QP为排汽中不能凝结的气体;QL为漏入凝汽器的空气;QZ为进入真空泵的气体;VQ为冬天凝汽器内始终存在的气体体积;VQ1为夏天凝汽器内始终存在的气体体积;VQ2为夏天真空泵入气门前安装冷却器投入运行后凝汽器内多抽出的气体体积;t1为凝汽器冷却水进水温度;t2为凝汽器冷却水出水温度。

图3 夏天真空泵入气门前安装冷却器后凝汽器内的气体体积比例示意图

从图1、图2、图3可以看出:冷却水温度和环境温度不变时,只要真空泵能把漏入的空气和排汽中不能凝结的蒸汽抽出,即QZ=QP+QL,凝汽器真空是不变的。夏天,当真空泵入气门前安装冷却器投入运行后,真空泵不但能把漏入的空气和排汽中不能凝结的蒸汽抽出,而且还会多抽出VQ2的气体量,即QZ=QP+QL+VQ2,凝汽器真空升高。当凝汽器冷却水进水温度t1升高(夏天),出水温度t2也会升高,势必会造成凝汽器排汽温度升高,于是凝汽器内存留的气体体积VQ(冬天)就会受热膨胀至VQ1,占去凝汽器部分空间,最终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响,即夏天(冷却水温度33℃)真空泵的入口绝对压力为11.8kPa,冬天(冷却水温度15℃)真空泵的入口绝对压力为3.4kPa,所以凝汽器内的真空下降时,真空泵的入口真空也下降,最终凝汽器的真空维持在一个新的较低水平,这就是夏天真空比冬天真空低的真实原因。

同样,高负荷时凝汽器排汽温度升高,于是凝汽器内存留的气体容积就会受热膨胀,占去了凝汽器部分空间,最终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响,即当凝汽器排汽温度升高,真空泵的入口气温也会升高,真空泵的入口真空也下降,最终凝汽器的真空会维持在一个新的较低水平,这就是高负荷比低负荷真空低的真实原因所在。

经以上分析可知,在夏天或高负荷时,只要对存留在凝汽器内的气体进行降温,即可提高凝汽器的真空,或者降低真空泵入口的气体温度,也可以提高凝汽器的真空。前者虽然采取凝汽器内设计抽气空冷区,但因空冷区处于凝汽器内,抽气冷却不乐观,只有外置冷却器降低真空泵入口的气体温度是完全能实现的,即在真空泵入气门前设置冷却器,只要维持冷却器后的气体温度为15℃左右,凝汽器真空就有可能接近真空泵冬天(冷却水温度15℃)的极限真空(入口绝对压力为3.4kPa)。根据夏天(冷却水温度33℃)真空泵的极限真空(入口绝对压力为11.8kPa)和冬天(冷却水温度15℃)真空泵的极限真空(入口绝对压力为3.4kPa),可以计算出夏天真空泵入气门前设置冷却器后凝汽器真空可提高11.8-3.4=8.4(kPa),这是理论计算结果,在实现过程中可能比8.4kPa要小些。

以上分析是为解决夏天真空泵的抽吸能力问题,从而保证凝汽器真空更高,而提出的一种有效提高凝汽器真空的方法。

2 提高凝汽器真空采取的技术方案

2.1 在凝汽器至真空泵之间的管道上设置冷却器

在真空泵入气门前安装冷却器,投入运行后可得出以下结论:

(1)当冷却器后的气体温度下降,抽入真空泵内气体的可凝结部分就会提前在冷却器内凝结,提高了真空泵的抽吸能力。

(2)当冷却器后的气体温度下降,抽入真空泵内的气体密度增大,同样提高了真空泵的抽吸能力。

(3)当冷却器后的气体温度下降,根据气体状态方程可知,冷却器容积不变,冷却器内的压力就会降低,有利于凝汽器内不能凝结的蒸汽和漏入的空气排向冷却器。

安装冷却器就是基于以上3种作用使凝汽器真空进一步得到提高的机理而设想的。真空泵入气门前安装冷却器投入运行后还有以下作用:

(1)由于真空泵入气温度设计为15℃左右,冷却器对射水式真空泵射水池水温起冷却作用,因此,射水池只要保持正常水位即可;同理,冷却器对水环式真空泵内的工作水也是起冷却作用,因此,对水环式真空泵内的工作水不用设计冷却器对其进行冷却。

(2)由于抽入真空泵内气体的可凝结部分会提前在冷却器内凝结,通过回收,可节约部分工质。

(3)由于真空泵入气温度设计为15℃,保证了真空泵有一个良好的工作环境,延长了真空泵的使用寿命。

在真空泵入气门前安装冷却器可以进一步提高凝汽器内的真空而不消耗额外的功率。冷却器用的中央空调水与开式水是发电厂本身就配套的冷却介质,足够供给所有用户,因此,用它作为冷却器的冷却介质是可以的,消耗的功率可以忽略不计。如果中央空调水量不能正常供给,可以用制冷空调的冷却器形式,即直接用制冷剂(氟利昂)冷却真空泵入口气体,所消耗的功率可以用回收的工质成本抵消一部分。

根据电厂中央空调水压力及温度(10℃)、冷却器进口(气侧)温度(46℃左右)及真空泵抽气量、冷却器出口(气侧)温度(15℃)来设计冷却器。

2.2 附图说明

图4为目前常用的凝汽式汽轮发电机组凝汽器抽真空系统示意图。图5为以开式水或中央空调水作为冷却介质的冷却器的抽真空系统示意图。图6为以开式水或中央空调水作为冷却介质的冷却器结构示意图。图7为氟利昂冷却器结构示意图。图8为以氟利昂作为冷却介质的冷却器的抽真空系统示意图。

在图4～图8中:1为凝汽器;2为冷却器;3为储水罐;4为水封;5为水环式真空泵;6为真空泵入气门;7为凝汽器与真空泵之间的连接管道;8为冷却器水侧开式水进水;9为冷却器水侧开式水回水;10为冷却器水侧中央空调水进水;11为冷却器水侧中央空调水回;12为冷却器气侧进口;13为冷却器气侧出口;14为至凝汽器热井;15为大气;16为冷却器气侧进口温度计;17为冷却器气侧出口温度计;18为冷却器水侧进口温度计;19为冷却器水侧出口温度计;20为冷却器水侧放水门;21为储水罐进水阀门;22为储水罐平衡阀门;23为储水罐空气门;24为储水罐放水阀门;25为水侧空气门;26为冷却器气侧进口电动门;27为冷却器气侧出口电动门;28为冷却器气侧旁路电动门;29为空调制冷器;30为真空泵换水阀。

2.2.1 冷却器安装方法

如图5、图6所示,将冷却器安装在真空泵与凝汽器之间的管道上并尽量靠近真空泵入气门。冷却器气侧进口连接在凝汽器抽真空管道上;冷却器气侧出口连接在真空泵入气门前管道上;冷却器气侧进、出口安装有电动门及旁路电动门;冷却器气侧安装凝结水回收储水罐,储水罐通过水封与凝汽器热井连接;冷却器水侧开式水进水连接在开式水母管上,冷却器水侧中央空调水进水连接在中央空调水母管上;冷却器水侧开式水回水连接在开式水回水母管上,冷却器水侧中央空调水回连接在中央空调水回水母管上;冷却器水侧安装有放水门和空气门;冷却器气侧进出口、水侧进出口均安装温度计。如果是多台真空泵并列的抽真空系统,冷却器安装在入气母管上且尽量靠近真空泵入气门。设计安装的冷却器(气侧)后温度为15℃左右,中央空调水温度为10℃左右。

2.2.2 冷却器投入的操作步骤

汽轮机正常运行后方可投入(如图6所示),具体操作步骤如下:开启冷却器气侧前后电动阀门,关闭冷却器气侧旁路门;关闭冷却器水侧放水门,冷却器水侧空气门见水后关闭;夏天开启冷却器水侧中央空调水进出水门,关闭冷却器水侧开式水进出水门;冬天开启冷却器水侧开式水进出水门,关闭冷却器水侧中央空调水进出水门;关闭储水罐空气门;关闭储水罐气侧放水阀门;开启储水罐平衡阀门;开启储水罐进水阀门。

在投入中央空调水之前,要注意先将冷却器水侧内的水放尽方可投入,因为中央空调水是经过除盐处理的。

2.2.3 冷却器投入运行工作过程

从凝汽器抽吸出来的气体通过管道进入冷却器冷却后,温度下降至15℃,通过真空泵入气门进入真空泵抽吸升压排入大气,可凝部分经储水罐回收后放回凝汽器热井。

2.2.4 储水罐放水的操作步骤

当储水罐有2/3以上水位后对其放水(如图6所示),具体操作步骤如下:关闭储水罐进水阀门;关闭储水罐平衡阀门;开启储水罐放水阀门;开启储水罐空气门,见储水罐无水后关闭;关闭储水罐放水阀门;开启储水罐平衡阀门;开启储水罐进水阀门,操作完毕。该操作步骤可设计成程序控制(选用电磁阀)。

2.2.5 冷却器隔绝检修操作步骤

开启冷却器气侧旁路门;关闭冷却器气侧前后电动阀门;关闭冷却器水侧进出水门;开启冷却器水侧放水门;开启冷却器水侧空气门;将储水罐水放尽后关闭放水门。

2.2.6 氟利昂冷却器投入的操作步骤

如图8所示,氟利昂冷却器投入的具体操作步骤如下:冷却器电源装置送电;关闭冷却器气侧旁路门,关闭储水罐空气门,关闭储水罐气侧放水阀门,关闭真空泵补水电磁阀,开启储水罐平衡阀门,开启储水罐进水阀门;启动空调制冷器,设定冷却器出口气温10℃;用冷却器凝结水对真空泵进行换水,即开启真空泵补水电磁阀(30);检查真空泵运行正常。

3 经济效益与社会效益

3.1 经济效益

在凝汽器至真空泵之间的管道上设置冷却器,只要能维持其冷却器出口温度(气侧)在15℃左右,凝汽器真空就有可能接近真空泵(水环式真空泵)的极限真空(水环式真空泵入口绝对压力3.4kPa)。

3.1.1 夏天在凝汽器至真空泵之间的管道上设置冷却器的经济效益

在夏天(冷却水温度33℃,大气压力99kPa)以600MW机组额定负荷运行时,凝汽器真空89kPa,即背压等于10kPa(大气压力99kPa减真空89 kPa),真空泵入口气温略等于低压缸排汽温度46℃,安装冷却器投入运行后,真空泵入口气温下降至15℃,即下降了31℃。根据盖-吕萨克定律(体积不变时,一定量的气体的压力和温度成正比,即温度每升高或降低1℃,其压力也随之增加或减少其0℃时压力的1/273)计算得出,安装冷却器并投入运行后,凝汽器真空提高1.5kPa左右(真空度1.6%)。根据凝汽器真空度提高1%,煤耗降低1.97g/(kW·h),1台600MW机组年平均发电5000h计算,可节约煤炭9456t/年,按500元/t计算,节约发电成本472800元/年。

3.1.2 冬天在凝汽器至真空泵之间的管道上设置冷却器的经济效益

在冬天(冷却水温度15℃,大气压力103kPa)以600MW机组额定负荷运行时,凝汽器真空98 kPa,即背压等于(大气压力103kPa减真空98kPa)5kPa,真空泵入口气温略等于低压缸排汽温度30℃,安装冷却器投入运行后,真空泵入口气温下降至15℃,即下降了15℃。根据盖-吕萨克定律计算得出,安装冷却器并投入运行后,凝汽器真空提高0.55kPa(真空度0.57%)左右。根据凝汽器真空度提高1%,煤耗降低1.97g/(kW·h),1台600 MW机组年平均发电5000h计算,可节约煤3368.7 t/年,按500元/t计算,节约发电成本1684350元/年。

3.1.3 凝汽器真空度的计算

夏天,冷却器投入运行前的真空度为89.8%,冷却器投入运行后的真空度为91.4%,冷却器投入运行后的真空度提高1.6%。冬天,冷却器投入运行前的真空度为95.1%,冷却器投入运行后的真空度为95.6%,冷却器投入运行后的真空度提高量为0.57%。此计算是按照流经冷却器的气体部分(1/3)计算所得,如果再把流经冷却器的气体部分(2/3)考虑进去,计算结果会更好,流经冷却器的气体部分和汽体部分的比例是80kg/180kg,因此,以上是保守计算的结果。

3.1.4 工质回收成本

机组600MW额定功率运行时,冷却器投入运行可以回收工质180kg/h,1年按照5000h计算,可以回收工质900t,按20元/t计算,合1.8万元。如果冷却器采用制冷剂(氟利昂),所消耗的成本就可以用这笔工质成本部分抵消。

3.1.5 空调功率的计算

因为1kJ=0.000278kW·h,冷却器冷却抽水蒸气量180kg/h(绝对压力10kPa,干度0.5的水蒸气温度为46℃,其焓值是1292+96=1388(kJ/kg),46℃饱和水,焓值为192kJ/kg,15℃的饱和水,其焓值为62kJ/kg),180kg/h的水蒸气从46℃降低至10℃的饱和水,其释放的热量是(1388-192-62)×180=204120(kJ/h);46℃空气的焓值是46kJ/kg,10℃空气的焓值是10kJ/kg,冷却器冷却抽干空气量80kg的焓值是(46-10)×80=2880(kJ)。空调(制冷量)为(204120+2880)×0.000278=57.54(kW),空调功率P=57.54/4=14.4(kW)。

采用空调制冷剂(氟利昂)的冷却器所消耗的功率按14.4kW计算,5000h消耗72000kW·h,按0.5元/(kW·h),合3.6万元。

以上计算参数是根据南方某电厂600MW超临界火力发电机组获取,其他电厂可根据机组参数采用类似方法计算。

3.2 社会效益

1台600MW机组年平均节约煤炭9456t,换算成标煤是6754t,减少二氧化碳排放16818t。如果全国发电企业都推广,根据2008年火电厂全年发电量21228亿kW·h计算,每年可节约煤炭8363822t,换算成标煤是5974158.6t,每年可减少二氧化碳排放14875654.8t。

4 结论

经过分析计算可知,夏天在真空泵入气门前安装冷却器是可行的,能有效提高凝汽器真空度2%左右,对于凝汽式燃煤发电机组,经济效益和社会效益显著。

[1]胡念苏.汽轮机设备及系统[M].北京:中国电力出版社,2006.