靈活性切缸供熱空冷系統(tǒng)抽真空管道改造設(shè)計

孫玉慶

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)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(shù)約4 293 h，其中300 MW級直接空冷供熱機組年利用小時數(shù)更低，甚至存在停運一臺機組，運行一臺機組的現(xiàn)象。為緩解火電機組發(fā)電負(fù)荷低問題，絕大數(shù)電廠均進(jìn)行了有針對性的節(jié)能改造，其目的為提質(zhì)增效，一定程度上可有效提高機組的供熱或度夏經(jīng)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(jié)僅針對靈活性切缸供熱改造進(jìn)行概述。隨著居民和工業(yè)用戶對供熱負(fù)荷需求的不斷增加，電網(wǎng)對機組在低負(fù)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(diào)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(chǔ)上，降低低壓缸進(jìn)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(xiàn)低壓缸接近“零出力”運行工況；③對原低壓缸進(jìn)汽系統(tǒng)、空冷抽真空系統(tǒng)、低加加熱器進(jìn)汽系統(tǒng)、熱工儀表及控制系統(tǒng)、電氣部分及土建部分進(jìn)行適應(yīng)性改造。

本次側(cè)重對直接空冷中抽真空系統(tǒng)的適應(yīng)性改造進(jìn)行研究。為使機組在冬季以更低設(shè)計背壓運行，例如3 kPa，該背壓值已突破了傳統(tǒng)直接空冷機組的安全運行極限。通過對已有機組直冷系統(tǒng)的抽真空管道阻力進(jìn)行重新計算、管路布置優(yōu)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(dá)到3 kPa(與抽真空泵廠家咨詢，目前可達(dá)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(tǒng)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(jīng)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(dá)到改造后需要的3 kPa，需要對整個壓力降系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行調(diào)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(jié)省了投資，且費用和施工難度均最小。

在機組改造前，根據(jù)美國換熱器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(heat exchange instrument，HEI)規(guī) 定真 空泵 的設(shè)計抽氣壓力最小為3.39 kPa，經(jīng)過對我院多個已投運直冷機組進(jìn)行調(diào)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(tǒng)，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(jìn)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(nèi)介質(zhì)為蒸汽與不凝結(jié)氣體(假設(shè)蒸汽為飽和狀態(tài)及不凝結(jié)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(qū)抽出的氣汽混合物設(shè)計溫度一般比抽氣壓力對應(yīng)的飽和蒸汽溫度低4.2℃[1]，即Δt(過冷度)＝4.2℃，抽氣帶汽質(zhì)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(zhì)量比將大于2.2，故建議采用Δt=3～4℃時對應(yīng)的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(dāng)?shù)闹惫荛L度，此直管長度稱為管件、閥門等的當(dāng)量長度。在計算管道壓力降時，將當(dāng)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(shù)采用DL/T5054—2016《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》中D.3管道附件中局部阻力系數(shù)，直管壓力降采用HG/T 20570—1995《管道壓力降計算》中真空系統(tǒng)公式來計算。

2)靜壓力降是由于管道始端和終端標(biāo)高差而產(chǎn)生的。

式中：ΔPS為靜壓力降，Pa；Z2、Z1分別為管道出口端、進(jìn)口端的標(biāo)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(chǎn)生的壓力降。

式中：ΔPN為壓力降，Pa；u2、u1分別為管道出口端、進(jìn)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(nèi)抽氣溫度保持不變。在計算時，保持整個抽真空管路中質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)、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(shè)壓力降ΔP值可通過試算來得出，如與計算結(jié)果相差很大，需重新ΔP，再與計算值比較，直至兩者結(jié)果近似為止。在計算抽氣所帶蒸汽質(zhì)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(shè)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(fā)電廠汽水管道設(shè)計規(guī)范》中規(guī)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(nèi)(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(jù)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(dá)到抽真空泵入口壓力的需求，若達(dá)不到，應(yīng)增加管徑，降低流速。

某350 MW供熱機組的未改造前空冷系統(tǒng)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(tǒng)抽真空管道示意圖

按照最遠(yuǎn)路徑計算，即對稱布置單側(cè)最遠(yuǎn)段分支(STREET-1)。經(jīng)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(nèi)，流速控制在30 m/s的范圍內(nèi)，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(dāng)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(shè)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(jìn)行不同管段處的直徑調(diào)整，可得出多個抽真空管段組合方案，經(jīng)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(yīng)的阻力計算和管徑選取。

表1 原抽真空管道計算結(jié)果（P+△P =3.96 kPa時）

表2 調(diào)整抽真空管道計算結(jié)果(P+△P =3.22 kPa時)

表3 調(diào)整抽真空管道計算結(jié)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(dāng)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(diào)整后抽真空管道壓力降值在0.21 kPa范圍內(nèi)(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(jìn)行更換，在對已有抽真空管路及其支吊架進(jìn)行施工時，需注意調(diào)整后的抽真空管路支吊架對已有清洗軌道是否發(fā)生碰撞，若碰撞，需要對清洗軌道做局部改動。

3 抽真空系統(tǒng)改造配套的防凍措施

當(dāng)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(jìn)入空冷系統(tǒng)的排汽量也很少?？绽湎到y(tǒng)在冬季供熱期超低背壓運行時，需要做好細(xì)致的防凍措施和調(diào)整保障手段。在機組切缸深度調(diào)峰期間，為防止空冷凝汽器發(fā)生凍結(jié)，應(yīng)根據(jù)空冷技術(shù)協(xié)議中相關(guān)內(nèi)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(dāng)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(shè)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(jìn)入單列空冷凝汽器的排汽量大于63.5 t/h。同時建議增設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)，特別是對空冷散熱器易凍裂處(逆流管束)開展實時在線監(jiān)視，確保其有較好的嚴(yán)密性和可操作性，指導(dǎo)運行人員運行操作、提高運行經(jīng)濟性和安全性。

4 結(jié)論

在機組進(jìn)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(dá)到3 kPa，即抽真空泵入口處壓力達(dá)到2.5 kPa，經(jīng)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(dá)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(dāng)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(tǒng)，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(jìn)行更換，以滿足管徑調(diào)整后管道布置需求；

5)空冷系統(tǒng)在冬季供熱期低背壓運行時，應(yīng)做好防凍措施，建議增設(shè)在線監(jiān)測系統(tǒng)；

6)若現(xiàn)場有條件限制，抽真空管道分支管的管徑應(yīng)更換，匯總總管的管徑可根據(jù)需求不進(jìn)行調(diào)整。