燃气-蒸汽联合循环机组凝汽器真空对经济性的影响

汪辰

华能上海燃机发电有限责任公司

0 引言

在一拖一的燃气-蒸汽联合循环机组中，汽轮机功率约占总功率的三分之一，其作用是利用燃气轮机排气的余热加热给水而得到的蒸汽做功，以增加整个机组的做功量。随着燃气轮机技术的快速发展，燃气初温越来越高（如H级燃气轮机的进气初温已达1 430℃），使其排气温度随之提高，排气的热量也越来越大，致使联合循环机组中汽轮机的收益显得越来越重要。

凝汽器是凝气式汽轮机的主要辅助设备，是汽轮机组的重要组成部分，它将汽轮机中做完功的蒸汽排出压力尽可能地降低，从而使蒸汽在汽轮机中的可用焓降达到最大，以提高汽轮机的工作效率。凝汽器工作性能的好坏直接影响汽轮机乃至整个联合循环机组的热经济性。

1 影响凝汽器工作性能的因素

1.1 凝结水的过冷度

凝汽器热水井出口凝结水温度与凝汽器在排汽压力下对应的饱和温度之差称为过冷度，即凝汽器热水井中凝结水的过度冷却程度。凝结水的过冷却是凝汽设备中的一个异常现象，将影响机组的安全与经济性。

凝结水的过冷度越大，说明被冷却水带走的热量越多，而这部分热损失将需要锅炉多燃烧燃料来弥补，导致系统热经济性的降低。联合循环机组一般大多采用的是无补燃的余热锅炉，实际运行中并不会对联合循环机组的热经济性带来影响，反而可使具有过冷度的凝结水在余热锅炉中吸收更多燃气轮机排气所携带的热量，从而最终降低锅炉的排烟温度，对提高余热锅炉的效率有一定的积极作用。因此，过冷度变大不会对联合循环机组的热经济性带来严重的影响。

1.2 凝汽器的最佳真空

凝汽器最佳真空定义为提高凝汽器真空后机组发电功率增量与为提高凝汽器真空所耗厂用电功率增量之差最大时的凝汽器真空，这一定义体现了机组热经济性最佳的原则。

当汽轮机的进汽参数相对恒定时，凝汽器真空越高，单位蒸汽在汽轮机中的理想比焓降越大，机组发电越多，但并不是说真空越高越好，它是有一个极限值的。这个极限值由汽轮机末级叶片出口截面的膨胀程度决定，当通过末级叶片的蒸汽已达到膨胀极限时，如果继续提高真空，则不可能得到经济上的效益；相反，为维持高真空，循环水泵等辅助设备消耗的厂用电必然增加，会降低机组经济性。因此，只有在极限真空内提高真空，并使提高真空所花代价小于汽轮机效率提升所带来的实际收益，才能对机组整体经济性带来帮助。这一理论在常规燃煤汽轮机发电机组和燃气-蒸汽联合循环机组中同样适用。

由此可见，联合循环机组中凝汽器真空的高低是对汽轮机和整体机组的热经济性都起着关键作用。在合理范围内提高凝汽器真空是提高联合循环机组热经济性，降低发电成本的重要举措。

2 提高凝汽器真空

2.1 真空的形成

凝汽器内真空的形成，可分为两种情况。在启动或停机过程中，凝汽器内的真空是由真空泵将其内空气抽出而形成。在正常运行中，凝汽器内真空的形成是由于汽轮机排汽在凝汽器内骤然凝结成水时，其比容急剧缩小而形成的（因为在0.1MPa压力下，蒸汽的比容比水的比容大1 725倍，而在0.004MPa压力下，蒸汽的比容比水大3万多倍）。由于汽轮机排汽中含有少量的不凝结气体，同时凝汽器本身及其连接系统也存在漏气处，有部分空气漏入凝汽器内，所以必须用真空泵将气体连续不断地从凝汽器中抽出，以维持凝汽器在真空下连续运行。

2.2 具体措施

从真空的形成过程看，要提高真空主要可从汽轮机排汽在凝汽器内骤然凝结成水的热力过程和真空泵对不凝结气体及漏气的抽吸两方面入手。

1)增加冷却水流量

根据凝汽器的热力特性，决定排汽在凝汽器内骤然凝结成水这一热力过程的基本因素是凝汽器的冷却面积、冷却水量、冷却水入口温度，即提高凝汽器内的真空，可采取下列三个措施：降低冷却水入口温度；增加冷却水量；保持传热面的清洁或改进旧设备增加传热面积。

其中保持传热面的清洁或改进旧设备增加传热面积一般需在机组检修或通过技改来解决，短时内无优化手段。冷却水入口温度取决于当地的气候条件，短时间内也不会改变。因此要提高凝汽器的真空应靠增加冷却水流量，即增加循环水泵的台次。

以某燃气-蒸汽联合循环电厂为例，凝汽器冷却水系统采用三台工频循环水泵母管制的方式，为该厂三台机组提供冷却水。当三台机组均并网运行时，一般至少需要两台以上循环水泵运行，才能满足冷却水量的基本要求，尤其在夏季工况下，三台循环水泵则需全部运行。在实际生产过程中，循环水泵台数的余量并不多，即理论上通过增加循环水泵台次增加冷却水量的方法在实际生产中的可行性有较大限制。

2)增强真空泵抽吸作用

机组正常运行时，由于凝汽器的真空系统不能绝对严密而从外界漏入空气，以及蒸汽中所含的不凝结气体（因为给水中的含气量不可能达到绝对零）在蒸汽凝结时被析出，会使冷却水管表面上形成一层空气膜而降低了传热效果，影响蒸汽的冷却放热。在凝汽器中空气容积含量越大，对蒸汽的放热影响也越大。汽轮机排汽在凝结初期空气含量相对很小，在蒸汽进入管束逐渐凝结的过程中，空气含量不断增加，致使蒸汽放热过程逐渐恶化。凝汽器中的全压力是由蒸汽分压力与空气分压力组成的混合压力，由于空气分压力的存在，凝汽器内的真空就会下降。此时若能加强真空泵对不凝结气体及漏气的抽吸作用，即可很快提高凝汽器的真空。

同样以上述该燃气-蒸汽联合循环电厂为例，凝汽真空系统配有两台水环式真空泵，正常情况下一用一备，若在相同前提条件下增开一台真空泵，即能增强抽吸的效果，在短时间内迅速提高真空。

3 实例分析

以该燃气-蒸汽联合循环电厂为例，在冬季某日进行了一次对比实验，分析了增开一台真空泵后凝汽器真空的变化情况以及对联合循环机组经济性的影响。表1为在相同条件下一台真空泵运行和两台真空泵运行时所对应的机组运行参数。

实验开始前，机组各运行参数稳定，保持两台真空泵运行，凝汽器真空稳定在4.26kPa Abs，10：53实验开始，停用一台真空泵，真空逐渐下降。11：35各参数稳定，可见凝汽器真空降至了6.08KPa Abs，燃机进口导叶IGV相应增大了2.026%，天然气流量增大了0.44 kNm3/h，由此说明燃机部分所带的负荷已有所上升，而此时总负荷保持不变，说明了汽轮机所带的负荷减少了，在蒸汽参数变化不大的情况下，进一步说明了汽轮机的热经济性有所下降，即：在一台真空泵运行的基础上再增开一台真空泵，汽轮机的热效率将有所上升。

表1 冬季某日联合循环电厂机组运行参数

从整体经济性分析，增开一台真空泵后，天然气每小时可节省440m3，以2.2元/m3天然气计算，10小时可节省的燃料费用为：440×10×2.2=9 680元。

而一台400V真空泵电机10小时的耗电量为：

W=Pt=3UIcosφt

=1.732×0.4×200×0.82×10

=1136.192 kWh

式中，W—耗电量；P—真空泵电机功率；U—真空泵电机额定电压；I—真空泵电机额定电流；cosφ—功率因数；t—运行时间。

以每kWh 0.52元计算，真空泵电机运行10h需花费：1136.192＊0.52=590.81984元。

粗略计算可知，节省的燃料费用约为一台真空泵电机运行所需费用的10倍以上，由此可见，增开一台真空泵在经济性上是可行的。同时，查阅设计资料，该凝汽器的额定真空为5.9KPa Abs，此实验及计算结果也验证了该额定真空值并非是凝汽器的最佳真空工作点。

4 结论

加强真空抽吸装置的效果，如增开一台真空泵是提高凝汽器真空最直接、有效、简易的方法。在燃气-蒸汽联合循环机组中，由于真空的提高，汽轮机热效率随之增加，燃气轮机所带的负荷就会相应降低，从而减少了燃料量。节省的燃料费用远大于一台真空泵电机运行所需费用，因此，在联合循环机组中使用该方法提高凝汽器真空其经济性十分显著。