提高凝汽器真空研究

高丹 蔺琪蒙

摘   要：对于冷端采用带自然通风湿冷塔的二次循环冷却形式，本文对冷却塔淋水面积、凝汽器面积、冷却倍率、循环水管径等各个冷端可变参数进行不同的方案组合，并通过水力、热力和经济计算，对各方案进行综合的比较分析，选取了满足技术、经济条件的合理方案和优化配置。同时结合凝汽器的特点，对影响机组热效率的凝汽器抽真空系统进行优化，且采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，节能效果显著。

关键词：冷端优化  真空  节能  凝汽器

中图分类号：TK264                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0070-02

1  冷端优化

1.1 冷端优化原理及方法

冷端优化是电厂设计中的一个重要环节，其主要目的是根据工程具体条件确定最佳的冷端配置方案，以保证机组在安全运行的同时，使得电厂的综合经济效益最高。本文以采用带自然通风湿冷塔的二次循环冷却方式为例，其冷端设备主要包括凝汽器、冷却塔、循环水泵及循环水管沟等。

冷端方案的选取直接影响汽轮机组的背压，从而影响机组的热效率。在气象条件和负荷一定的情况下，冷却塔越大、凝汽器面积越大、循环倍率越高，则机组背压越低，热效率越高、煤耗越低。但冷却塔、凝汽器面积越大，则初投资越高，折算到每年的年固定费用越高;循环倍率越高，则循环水泵的运行费用越高，都将导致经济性不佳。冷端优化就是通过计算一系列不同的冷却塔、凝汽器、循环倍率及循环水管径组成的方案的热力、水力特性及经济性，对各方案的技术、经济进行综合的比较，在投资与收益间找到最佳平衡点，从而确定满足运行要求的最为经济的冷端配置。

冷端优化时，可以控制额定发电量不变，以不同背压下的煤耗作为收益的评价量，也可假定汽轮机的汽量不变，以不同背压下汽轮机的微增功率作为收益的评价量。虽然前者与实际运行更为吻合，但在设计时由于不同背压下，汽轮机发相同功率时的进排汽量均不同，因此计算相对繁琐。而机组的背压-微增关系更易得出，因此，目前冷端优化中普遍采用机组的微增功率作为计算年费用的量。

1.2 冷端优化基础

本工程冷端优化所需汽机特性参数及相关经济参数根据以下各项基础资料进行（以下均以2×660MW二次再热机组为例）：

（1）机组年运行小时数：5500h

（2）凝汽器單位造价：800元/m2

（3）年固定费用率：10.18%（不含2.5%大修费用率）

（4）成本电价：0.252元/kW·h

（5）循环水泵、电机综合效率：0.836（电机0.95，泵0.88）

（6）微增电价：0.202元/kW·h

1.3 冷端优化方案

本工程采用带自然通风湿冷塔的二次循环冷却方式，其冷端主要变量主要包括凝汽器面积、冷却塔大小、循环倍率及循环水管管径，优化方案由此四个变量进行组合。

1.3.1 凝汽器

凝汽器采用双背压，单流程型式;冷却水管采用不锈钢管（TP316），选用五组不同面积的凝汽器参与冷端方案组合，分别是36000m2、37000m2、38000m2、39000m2、40000m2。

冷凝管材料采用不锈钢管，其最大允许流速一般为2.5m/s，最小流速应>1.0m/s。由此可计算出机组与对应的凝汽器在不同的冷却倍率下管内流速是否满足要求。不满足流速限制条件的方案组合须排除在外。

1.3.2 冷却塔

本工程采用自然通风湿冷塔。选用四组不同淋水面积的冷却塔参与优化计算，冷却塔的淋水面积分别选取8000m2、8500m2、9000m2、9500m2。冷却塔淋水填料采用S波1.5m塑料填料，该塑料填料具有通风阻力小、散热及阻燃性能好等特点，采用聚氯乙烯片材。

1.3.3 冷却倍率

本工程为一机两泵、二次循环供水系统，循环水泵运行工况按一年三季采用变倍率运行方式，优化计算时冬季与夏季水量比取0.6，春秋季与夏季水量比取0.85，即夏季采用一机两泵的运行方式，冬季采用一机一泵，春秋季采用两机三泵的运行方式。在经济比较中，计算年微增功率时，亦按照该运行方式按月分别计算。冷却倍率采用45、50倍、55倍、60倍四种方案参与优化计算。

1.3.4 循环水管管径

循环水母管采用DN2800mm、DN3000mm和DN3200mm三种方案参与优化计算。以上四个可变参数（冷却塔淋水面积、凝汽器面积、冷却倍率、循环水管管径）共组成240组方案，对此240组方案进行热力、水力及经济计算，得出不同气象条件下的循环水水温、凝汽器背压、循环水泵功率、微增功率等技术经济参数，从而得到各方案的年固定投资及年运行费用，根据年总费用最小法确定最优的冷端配置。

1.4 冷端优化计算结果

在前述设计条件下，通过对各方案凝汽器、冷却塔等设备进行热力、水力计算得出不同方案对应的机组背压和循环水系统阻力，从而确定不同冷端方案下机组的年运行费用，将年运行费用与年固定费用相加得出年总费用。通过冷端优化计算结果可以看出凝汽器面积为38000m2、冷却塔面积为9000m2、冷却倍率为60倍、循环水管径为2.8m的冷端配置方案年总费用最低。在此冷端配置下，年平均气象条件时机组背压为4.6kPa。

2  凝汽器抽真空系统优化设计

在表面式凝汽器管束中，汽轮机排汽由外到内不断地凝结，蒸汽中所含的不凝结气体（绝大部分是漏入汽轮机真空系统的空气）的比例也不断地增加，直至空气冷却区。不凝结气体在管子表面形成气膜，阻碍蒸汽凝结，使汽侧蒸汽的放热系数随着含气比例的增加先急剧并大幅度地下降，后缓慢地下降。因此，凝汽器必须设计抽真空系统将空气冷却区的未凝结气体（含与尚未凝结的蒸汽）经抽气芯管抽走，防止不凝结气体聚集在凝汽器汽侧影响蒸汽凝结放热，满足机组启动时建立凝汽器真空和运行时维持凝汽器真空的要求。

2.1 布置方案優化

2.1.1 双背压凝汽器抽真空系统的常规设计

本工程凝汽器为双壳体、双背压结构，双背压凝汽器抽真空系统的常规设计有串联与并联两种型式。双背压凝汽器的串联抽真空系统，是指高压凝汽器的未凝结气体先经设有节流孔板的抽气管道接入低压凝汽器，后与低压凝汽器的未凝结气体一起至抽气母管，再由连接母管的3×50%容量的真空泵抽出，双背压凝汽器的并联抽真空系统，是指高压凝汽器的未凝结气体经设有节流孔板的抽气管道引至抽气母管，低压凝汽器的未凝结气体经抽气管道引至抽气母管，然后由连接母管的3×50%容量的真空泵抽出。

2.1.2 常规系统设计存在的问题

双背压凝汽器的串联抽真空系统由于高背压凝汽器的未凝结气体流入低背压凝汽器，增加低背压凝汽器蒸汽中不凝结气体的含量，会恶化低背压凝汽器的传热效果，提高低背压凝汽器运行背压。另外，漏入高背压凝汽器侧的空气量具有不确定性，并且高、低背压凝汽器之间的压差相当小，只有1kPa左右，因而在高、低背压凝汽器之间的抽气管道上所设的节流孔板很难适应各种变化工况，对于某些运行工况孔板直径可能偏大，高背压凝汽器部分未凝结的蒸汽流入低背压凝汽器，加大低压凝汽器负担，也会提高低背压凝汽器运行压力;反之，对于某些运行工况孔板直径可能偏小，抽气管道流动阻力较大，影响高背压凝汽器内未凝结气体的抽出，两者共同作用将会抬高高背压凝汽器的运行压力。

为了解决这些问题，拟定了双背压凝汽器配3×50%容量真空泵的采用扩大单元制的抽真空系统。机组启动时，三台真空泵投入运行，以缩短凝汽器建立真空的时间。机组正常运行时，真空泵二运一备，其中指定的两台真空泵分别对应高、低压凝汽器运行，另一台真空泵作为任意一台运行真空泵的备用。去备用真空泵的抽真空管道从扩大单元制的母管上引接。在两台运行真空泵和备用真空泵之间的母管上设有两只切换阀，以便正常运行时高低背压抽真空系统之间的隔离以及实现备用泵切换的功能。

双背压凝汽器配3×50%容量真空泵的扩大单元制抽真空系统不需要在抽气管道设置节流孔板，从根本上解决了双背压凝汽器串、并联抽真空系统所存在的问题，系统简单可靠。

2.2 管道系统优化

在抽真空管道上设置冷凝器，利用化学补充水的“冷能”，使蒸汽快速凝结，可减轻真空泵的负担，降低功耗，并提高抽真空能力，提高机组的热经济性。

外置式冷凝系统设计来自凝汽器内的气汽混合物从混合式冷凝器的下部进入，化学补充水从混合式冷凝器的上部进入，两者逆流混合换热后蒸汽凝结成水，剩余的气汽混合物从混合式冷凝器的顶部抽出，凝结水及升温的化学补充水从混合式冷凝器的底部引出。混合式冷凝器宜高位布置，以便加热后的化学补充水与气汽混合物中的蒸汽凝结水自流入凝结水收集箱。

专门设计的逆流混合式冷凝器其工作原理是利用化学补充水在起膜管内形成高速旋转的水膜将气汽混合物吸卷进来充分混合冷却，以提高流出抽气口的气汽混合物的含气率。因此，这种逆流混合式冷凝器具有强大的换热能力，能使蒸汽快速凝结，冷凝后的气汽混合物含蒸汽量少、温度低（可接近化学补充水的进水温度），可减轻真空泵的负担，降低功耗，并提高抽真空能力。

3  结语

（1）通过冷端优化及凝汽器抽真空的系统优化，机组背压长期得以维持较好水平。（2）冷端优化涉及工程量较大，影响因素多，设计之初分析确定合理的边界条件，制定适用于自身的冷端优化方案并予以实施，对机组的真空起决定性作用。（3）对真空泵的选型配置进行优化，推荐采用扩大单元制配置3×50%容量的水环式真空泵，节能效果显著。（4）采用凝汽器抽真空混合式冷凝器，可减轻真空泵功耗，有效增强真空泵的抽真空能力。

参考文献

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