火力發(fā)電廠凝汽器真空系統(tǒng)節(jié)能措施探討

李偉

（重慶同興垃圾處理有限公司，重慶 400000）

0 引言

凝汽器真空運(yùn)行的安全性和可靠性及凝汽式汽輪機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和熱效率直接增加了汽輪機(jī)系統(tǒng)的熱耗和汽耗，降低了凝汽器低真空運(yùn)行的流量，降低汽輪機(jī)中的最后一級(jí)壓力并增加反應(yīng)速率，這將增加軸壓力并使沖擊器過(guò)載。此外，廢氣蒸汽溫度的升高會(huì)導(dǎo)致低壓缸變形、汽輪機(jī)系統(tǒng)偏離甚至引起汽輪機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)，根據(jù)實(shí)際調(diào)試和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分析汽輪機(jī)廠凝汽器真空損失的原因，并提出預(yù)防措施，提高凝汽器真空系統(tǒng)節(jié)能性。

1 凝汽器真空形成相關(guān)原理

凝汽器系統(tǒng)的真空系統(tǒng)由真空泵系統(tǒng)和密封系統(tǒng)組成（如圖1所示）。將高壓冷凝器的真空轉(zhuǎn)化為蒸汽，使蒸汽能將熱鍋轉(zhuǎn)化為凝汽器動(dòng)能。凝汽器的工作原理是減少汽輪發(fā)電廠的蒸汽溫度損失，提高機(jī)組的循環(huán)熱效率。當(dāng)廢氣凝結(jié)成水時(shí)，其體積迅速變小，冷凝器中形成真空[1]。

圖1 凝汽器系統(tǒng)

蒸汽和液體共存時(shí)形成冷凝器中的真空，其達(dá)到飽和壓力飽和壓力與廢氣的冷凝溫度有關(guān)，冷凝溫度由熱交換器中的熱平衡和最終溫差決定。冷卻水從入口溫度tw1逐漸吸收熱量到出口溫度tw2。冷卻水的差值為Δt=tw2-tw1。而冷卻凝結(jié)溫度ts與tw2的差值為傳熱端差?，即ts=tw1+Δt+?，則可以將凝結(jié)中的壓力ts與相關(guān)的飽和壓力相對(duì)應(yīng)。由于電容器中沒(méi)有可冷凝氣體，飽和壓力是電容器中的部分蒸汽壓力和部分不可冷凝氣體壓力之和。

2 凝汽器真空系統(tǒng)節(jié)能改造必要性

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，冷凝器中的空氣由真空泵排出，以迅速建立真空。電廠正常運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)排汽凝結(jié)產(chǎn)生高真空，正常運(yùn)行時(shí)，電容器漏風(fēng)小，真空泵水循環(huán)流量大，影響大，吸力主要為水蒸氣，消耗大量不必要的能量。

原來(lái)真空泵的作用太大，正常運(yùn)行時(shí)凝汽器空氣流量低，這部分真空泵過(guò)程中會(huì)造成真空泵轉(zhuǎn)子之間的摩擦和遷移產(chǎn)生熱量。在凝汽器的真空置換溫度下，泵的工作溫度進(jìn)一步升高，真空泵的吸力降低。

根據(jù)冷凝器的工作原理，蒸汽在冷卻時(shí)冷凝，低溫冷凝為與溫度相對(duì)應(yīng)的飽和冷凝液，形成高真空。凝汽器密度不高，空氣漏出，凝汽器管表面的空氣形成很大的熱阻，減小真空半徑。從凝汽器真空泵中抽出的氣體不僅是可冷凝的，而且效率低下，這進(jìn)一步增加了真空泵的損失。

3 凝汽器真空系統(tǒng)節(jié)能提升的相關(guān)方案

3.1 工程案例

某電廠凝汽器真空泵系統(tǒng)建設(shè)初期，計(jì)劃投入設(shè)備兩臺(tái)水泵，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)或水環(huán)式真空泵，迅速建立凝汽器真空，正常運(yùn)行時(shí)用一臺(tái)備一臺(tái)，其功率為12kW，運(yùn)行電流121A，無(wú)凝性氣體和一些蒸汽從冷凝器中排出，以獲得單位真空。

為解決凝汽器真空系統(tǒng)中真空泵所發(fā)生的問(wèn)題，羅茨水環(huán)能有效解決真空泵的氣蝕問(wèn)題，減少高溫帶來(lái)的危害，同時(shí)使真空泵的能耗降低到50%～80%，節(jié)約電能。

對(duì)羅茨水環(huán)真空泵的改造并沒(méi)有改變?cè)袃膳_(tái)真空泵的遷移。混羅茨水環(huán)真空泵組由抽真空母管和羅茨水環(huán)真空泵組成，當(dāng)機(jī)組在真空下快速工作時(shí)，原真空泵系統(tǒng)關(guān)閉，即可投入使用。提高操作安全性和經(jīng)濟(jì)性。

3.2 裝置的工作原理

能夠進(jìn)行壓縮的范圍越大，其節(jié)能性能就會(huì)有明顯提升，壓縮過(guò)程會(huì)有大量氣體膨脹，并且隨之產(chǎn)生大量熱量，羅茨泵溫度迅速升高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的溫度也隨之升高，使羅茨泵正常低壓運(yùn)行。由于總含氣量低，但熱值是有一定限額的，羅茨泵在高壓狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行，隨之產(chǎn)生大量的熱量，對(duì)羅茨泵產(chǎn)生較大影響，要能夠時(shí)裝機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，就必須采取措施對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。

3.3 水環(huán)真空泵作用

由于葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，泵體內(nèi)的工作流體形成一種在兩個(gè)葉輪之間脈動(dòng)的旋轉(zhuǎn)流體，在吸入口處，流體逐漸從葉輪中排出，液體、兩鏟和風(fēng)扇之間的氣體體積增大。當(dāng)壓力下降時(shí)，當(dāng)外部氣體通過(guò)閥門的吸入口軸向到達(dá)泵時(shí)，在排氣側(cè)，液體逐漸接近渦輪進(jìn)口，液環(huán)、兩葉片和閥軸之間的氣體被軸向壓縮，通過(guò)排氣口排出，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生必要的真空。

3.4 膠球清洗對(duì)凝結(jié)器真空系統(tǒng)的影響

在機(jī)組正常運(yùn)行的過(guò)程中，冷卻和潔凈軟管常采用膠球清洗凝汽器來(lái)達(dá)到目的，倘若膠球泵有損壞或無(wú)法正常使用，會(huì)一定程度的造成水側(cè)或凝汽器汽側(cè)的屏蔽。此時(shí)凝汽器水狀態(tài)升高，冷卻流量急劇減小，導(dǎo)致進(jìn)出口的冷卻水存在一定的溫差，真空度明顯降低，蒸汽消耗增加0.25%~1%，煤耗增加約1g/kWh。一般來(lái)說(shuō)，能否正常使用凝結(jié)器會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組的真空環(huán)境。

為了提高橡膠球的吸收率，橡膠攪拌系統(tǒng)在使用前應(yīng)確定每個(gè)橡膠球中包含的橡膠球數(shù)量為冷凝器一側(cè)單個(gè)工藝?yán)鋮s管數(shù)量的10%，并在使用前在水中稀釋72h，圖2 為影響膠球清洗裝置收球率因素。

圖2 影響膠球清洗裝置收球率因素

4 真空系統(tǒng)機(jī)組不嚴(yán)密對(duì)于凝結(jié)器的影響

這是運(yùn)行機(jī)組中的常見現(xiàn)象是真空系統(tǒng)不嚴(yán)密性。確定供氣量，評(píng)估機(jī)組真空系統(tǒng)的劣化程度。當(dāng)機(jī)組真空系統(tǒng)未壓縮時(shí)，凝汽器空氣主要是由于機(jī)組內(nèi)負(fù)壓部件的質(zhì)量密度，例如，凝汽器壁厚、低壓管道的結(jié)合面和軸線、排氣管和凝汽器管之間的連接、排氣筒的設(shè)計(jì)等。筒體的厚度以及由于冷凝冷卻和氧氣含量增加而產(chǎn)生的高壓蒸汽的加熱，真空凝結(jié)器真空度迅速下降，甚至不能正常工作[2]。

4.1 循環(huán)冷卻水對(duì)于凝結(jié)器真空影響

真空凝汽器是指以空氣流量和溫度作為冷卻劑的低壓凝氣機(jī)排氣管道。

4.1.1 循環(huán)冷卻水溫度對(duì)凝氣器真空影響

在進(jìn)行系統(tǒng)的正常操作和運(yùn)行時(shí)，循環(huán)冷卻劑的溫度主要受環(huán)境溫度和風(fēng)功率的影響，周圍環(huán)境的相應(yīng)溫度越高，風(fēng)功率越小，風(fēng)的熱量越小，熱交換越少，當(dāng)循環(huán)水進(jìn)口溫度升高時(shí)，吸熱率降低，蒸汽凝結(jié)溫度升高；當(dāng)凝結(jié)溫度升高時(shí)，排氣壓力相應(yīng)升高，蒸汽壓力降低，凝結(jié)泵降低，即循環(huán)水溫度越高，循環(huán)冷卻水中的排氣溫度越高，冷凝器進(jìn)入冷凝器后的冷卻效果越好。相應(yīng)低壓管道上的排氣溫度越高，凝結(jié)水泵的溫度越低，在相同的工況和恒定的冷卻溫度下，循環(huán)冷卻劑的進(jìn)口溫度越低，排氣溫度越低，即凝汽器真空度越高，冬夏影響越大；其次，部分負(fù)荷對(duì)循環(huán)水溫也有一定影響。

4.1.2 循環(huán)冷卻水的影響

循環(huán)水流量對(duì)真空度有重要影響，循環(huán)水流量主要受水力是否充足和循環(huán)水泵性能的影響。循環(huán)水泵因故停機(jī)或突然降低循環(huán)水流，使凝汽器真空半徑大大減小，若運(yùn)行人員不能及時(shí)調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，啟動(dòng)備用泵，凝汽器防塵效果不好，系統(tǒng)正常工作。

4.2 凝氣器端差的影響

凝汽器組合端差是反映凝汽器換熱狀態(tài)的一項(xiàng)指標(biāo)，可作為評(píng)價(jià)和分析凝汽器運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。

在相同條件下，凝汽器最終溫差增大的原因有兩個(gè)：①凝汽器汽側(cè)空氣較多，阻礙熱管的熱交換；②凝汽器傳熱管內(nèi)表面臟污，在電廠檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)凝汽器水側(cè)存在1.0mm 的結(jié)垢，說(shuō)明凝汽器真空半徑良好，能保證冷卻面保持清潔，為保證汽輪機(jī)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，汽室內(nèi)不應(yīng)有空氣收集。

5 裝置功能實(shí)現(xiàn)

原真空泵的真空極限為3.3kPa，機(jī)組的絕對(duì)真空壓力為0.3kPa，凝汽器廢氣隨時(shí)間推移被吸出。羅茨泵通過(guò)水泵將整個(gè)機(jī)組的壓差轉(zhuǎn)換為單臺(tái)泵產(chǎn)生的絕對(duì)吸入壓力，進(jìn)一步提高并完全滿足凝汽器真空泵的要求。

提高設(shè)備的吸入能力，增加吸入流量。雖然目的是將部分蒸汽直接抽入水泵，但難免會(huì)抽入部分蒸汽。增加冷卻泵中的蒸汽和空氣，將蒸汽冷凝為水，減小體積流量，吸收潛熱的蒸發(fā)，減少體積流量和熱量，降低循環(huán)水泵的性能；降低循環(huán)水泵的運(yùn)行溫度，提高循環(huán)水泵的效率。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，真空電容器（夏季和冬季）已成為影響機(jī)組負(fù)荷的重要因素。因此，有必要分析機(jī)組真空面積隨時(shí)間推移而減少的原因，并采取類似措施加以解決，將節(jié)能與二氧化碳排放結(jié)合起來(lái)，不僅是21 世紀(jì)節(jié)能的重要組成部分，也是做好節(jié)能工作的重要途徑。