夏季工况直接空冷机组提高排汽真空的研究

摘要：空冷岛的冷却效果直接决定了汽轮机的排气背压，夏季环境温度高造成空冷岛的冷却效果大幅下降，真空度由冬季的12～25kPa降低到了25～40kPa，煤耗也随之大幅上升。要提高真空必须提高空冷岛的冷却效果，所以系统必须增加一套辅助冷凝系统来补充空冷岛在夏季工况下的冷却效果的不足。空冷岛排出的混合气体在水环泵之前，通过冷凝设备冷凝混合气体中的水蒸气，降低混合气体的排汽压力和温度，减少混合气体体积。一方面减少真空泵的抽气量，提高冷凝岛的真空度，降低汽轮机背压，另一方面减少高温气体对水环真空泵的汽蚀，保护叶轮和圆盘，延长水环真空泵的使用寿命，维持排气机组稳定运行。循环利用气体中的水蒸气，避免水资源的浪费。

关键词：空冷岛 提高真空 真空机组 节能

1 引  言

某直接空冷机组，每台机组配有2台水环式真空泵。在机组启动时，通过两台水环式真空泵抽真空；在正常工况下，水环式真空泵一运一备维持机组真空度。通常，直接空冷机组在夏季工况运行时受环境温度和日晒的影响，空冷岛的冷却效果降低，汽轮机排汽未凝结的水蒸汽增加，真空泵抽气总量增大、抽气温度升高、效率和性能大幅下降，易导致机组排汽真空度降低，影响机组效率，严重时甚至引起排汽真空的波动、排汽压力过高，影响机组的稳定运行，限制机组出力。大量的水蒸汽进入水环式真空泵后部分被冷凝液化通过冷凝流失，部分排入空气，造成除盐水的大量浪费。水环式真空泵长时间在工作水温较高的情况下运行也容易发生气蚀，导致叶轮和圆盘的损坏。

目前国内外对夏季工况采用的措施是加装滤器阀，滤器阀对蒸汽处理效率有限，对于处理混有大量的水蒸汽气体达不到要求，且处理过的水蒸汽液化后形成的水直接排放，实现不了水资源的循环利用。因此对多功能、高效率、循环利用水蒸汽的冷凝设备的开发是目前的研究方向。

本文介绍直接空冷机组真空系统夏季运行的排气背压和影响因素，提出改造方案，以一种火力电厂空冷凝汽器专用高效气冷罗茨水环真空机组在维持真空时替代原水环真空泵。这种机组能长时间稳定运行，且性能冬季和夏季波动较小，较原水环真空泵节能并能提高空冷岛真空度。

2  设计规划

2.1冷凝设计规划

依据设备功能分为冷凝和抽气两个模块，被抽气体不再是从空冷岛直接进入真空泵，而是由罗茨真空泵驱动空冷岛气体进入冷凝设，混合气体经冷凝设备处理后再进入气冷罗茨真空机组。流程如下图所示：

空冷岛气体在气冷罗茨真空机组的驱动下由下部进入喷淋式冷凝器，气体在上升过程中与冷水进行热交换，气体中所含的大部分水蒸气冷凝成水，在重力作用下落入凝水罐，冷凝罐中的水通过凝水泵抽入到换热器中，换热器通入冷水，对冷凝罐中的水进行冷却，冷却后的水返回到喷淋式冷凝器完成循环，如果冷凝水过多，则通过自动控制将冷凝罐中的水部分排出。

冷凝设备功能对混合气体中的水蒸气进行冷凝，把冷凝后生成的水收集起来，将收集的水冷却处理后再返回到冷却设备，完成水循环。流程如下图所示：

2.2气冷罗茨真空机组设计规划

喷淋冷凝器中的空气和未被冷凝的水蒸气首先经过气冷罗茨泵，气冷罗茨真空机组工作时，水环泵首先启动进行抽气，被抽气体经过列管冷却器冷却后进入水环泵，水环泵运行需要不断补充冷水，冷水经过水环泵温度升高与气体一起排到气液分离器中，气体被分离排到大气，液体被送到换热器中，换热器通入冷水实现热交换，气液分离器中的水经冷却后再次进入水环泵实现循环利用。当空冷岛气体压力达到某一直时，罗茨泵开始工作，小部分冷却气体返回到罗茨泵中，对罗茨泵进行冷却。流程如下图所示：

2.3总体流程规划

冷凝处理后的气体进入气冷罗茨真空机组的吸气入口，系统开启时，冷凝系统与气冷罗茨真空机组同时运行，由气冷罗茨真空机组驱动气体经过冷凝系统，最终由气冷罗茨真空机组将处理后的气体排出。流程如下图所示：

基于冷凝设备水循环，首先需要的是对混合气体冷凝，采用喷淋式冷凝器，冷凝后的水进入凝水罐，凝水罐内的水由于温度高不能直接进入喷淋式冷凝器，需经过热交换器降温后再用来喷淋，由于凝水罐内为负压，罐子内的水需要有凝水泵提供动力输送到热交换器，凝水泵提供循环动力，完成水循环。

3  工艺计算

3.1设计要求

按TRL工况，真空入口压力33kPa，混合气体温度71.6℃，抽蒸汽流量1316kg/h，空气流量425 kg/h，设计冷凝水蒸气1000kg/h。

3.2冷凝设备用水

排汽压力33 kPa，温度71.6℃，饱和水蒸气比焓为2628.8KJ/kg，67.6℃饱和水比焓为283 KJ/kg ，1000kg水蒸汽冷凝释放的热量Q1=1000*（2628.8-283）KJ。

冷却水经过冷却设备温度提高4℃，每小时需冷却水V= Q1/（4.2*4）=140m3/h。

3.3混合气体参数

在排汽压力33 kPa，温度71.6℃，抽蒸汽流量1316kg/h，空气流量425 kg/h时，蒸汽体积V1=1316*8.314*（273+71.6）/（33*18）=6357.5 m3/h；空气体积V2=425*8.314*（273+71.6）/（33*29）=1272.3m3/h；混合气体总体积V总=V1+V2==7629.8 m3/h。

3.4经过冷凝器混合气体参数

设定混合气体经过冷凝器温度降低4℃，即处理后的混合气体温度为67.6℃，冷凝设备内的压力为28.1kPa；

在压力为28.1 kPa，温度为67.6℃，蒸汽流量316kg/h，空气流量425kg/h时，蒸汽体积V3=316*8.314*（273+67.6）/28.1*18=1769.1 m3/h；空气体积V4=425*8.314*（273+67.6）/28.1*29=1476.9 m3/h；混合气体总体积V′=V3+V4=3246 m3/h；

即经过冷凝处理后，罗茨真空机组抽气量为3246 m3/h，气冷罗茨真空机组理论抽气量为4320 m3/h。

3.5空冷岛背压分析

经过处理后混合气体流量为为3246 m3/h，罗茨气冷真空机组的吸气流量为4320 m3/h，可知气冷罗茨真空机组完全满足空冷岛抽气需求。

气冷罗茨真空机组理论绝压为15kPa<28.1kPa，随着罗茨泵趋近绝压，冷凝器内的压力会继续降低，空冷岛真空度继续提高，汽轮机背压降低，发电效率提升。

4  设备性能试验

4.1高温天气测试数据对比

为了确保对比数据的准确性，取环境温度相同的三天对比，这三天最高气温为33℃，最低气温19℃；机组负荷均为181MW；真空系统参数对比如下：

工况1与工况2对比，高效真空系统真空提高了1.2kPa，风机频率降低3Hz。高效真空泵系统节电约194.7-38.8-50.6-15（水泵）=90.3A。

工况1与工况2对比，系统真空提高1.0kPa，风机频率降低1.4Hz，高效真空系统节电约194.7-40.1-50.9-15（水泵）=88.7A。

5  经济效益分析

5.1降煤耗

后续分别在6月份气温20～25℃和8月份气温30℃以上进行多次对比试验，根据试验数据，在环境温度23℃时，该系统可提高真空约0.6kPa；在环境温度30℃时，该系统可提高真空约1kPa。

根据西安热工院研究，直接空冷机组真空度每提高1kPa，可降低发电煤耗约1.7g/kWh。

以夏季工况（气温30℃以上）平均提高真空度1kPa，机组平均负荷200MW、年运行3000小时计算：

夏季节约燃煤200000*0.0000026* 3000=1020吨

以春秋季工况（气温20℃以上）平均提高真空0.6kPa，机组平均负荷200MW、年运行2000小时计算：

年节约燃煤200000*0.0000017*0.6* 2000=408000kg=408吨

按照每吨燃煤600元计算，年综合煤耗降低费用：（1020+408）*600=85.68万元

5.2真空泵节电

目前真空泵节电90A、功率约36kW，机组年运行5000小时，节省电费：36*0.4*5000=7.2万元。

5.3空冷岛风机节电

从试验数据表可以得出空冷岛频率降低约1.4～3Hz之间，以年运行频率降低1.5Hz、运行时间5000小时计算：

单台空冷岛有30个风机，42Hz平均运行电流106A。节约电流30*106*1.5/42*0.8=91A ，则节约空冷风机运行成本：36*0.4*5000=72000元。

6  结论

经系统调试及投运情况证明，该改造项目已达到预期目标，由于空冷岛内气压与气冷罗茨真空泵机组之间的气压关系是一个十分复杂的模型，通过实际运行测得数据，才能比较真实的反应出引入冷凝设备对发电效率的作用大小。该计算过程及系统流程可为直接空冷机组高效真空泵组的研发提供依据，具有参考价值。

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