燃氣-蒸汽聯合循環機組凝汽器真空對經濟性的影響

汪辰

華能上海燃機發電有限責任公司

0 引言

在一拖一的燃氣-蒸汽聯合循環機組中，汽輪機功率約占總功率的三分之一，其作用是利用燃氣輪機排氣的余熱加熱給水而得到的蒸汽做功，以增加整個機組的做功量。隨著燃氣輪機技術的快速發展，燃氣初溫越來越高（如H級燃氣輪機的進氣初溫已達1 430℃），使其排氣溫度隨之提高，排氣的熱量也越來越大，致使聯合循環機組中汽輪機的收益顯得越來越重要。

凝汽器是凝氣式汽輪機的主要輔助設備，是汽輪機組的重要組成部分，它將汽輪機中做完功的蒸汽排出壓力盡可能地降低，從而使蒸汽在汽輪機中的可用焓降達到最大，以提高汽輪機的工作效率。凝汽器工作性能的好壞直接影響汽輪機乃至整個聯合循環機組的熱經濟性。

1 影響凝汽器工作性能的因素

1.1 凝結水的過冷度

凝汽器熱水井出口凝結水溫度與凝汽器在排汽壓力下對應的飽和溫度之差稱為過冷度，即凝汽器熱水井中凝結水的過度冷卻程度。凝結水的過冷卻是凝汽設備中的一個異常現象，將影響機組的安全與經濟性。

凝結水的過冷度越大，說明被冷卻水帶走的熱量越多，而這部分熱損失將需要鍋爐多燃燒燃料來彌補，導致系統熱經濟性的降低。聯合循環機組一般大多采用的是無補燃的余熱鍋爐，實際運行中并不會對聯合循環機組的熱經濟性帶來影響，反而可使具有過冷度的凝結水在余熱鍋爐中吸收更多燃氣輪機排氣所攜帶的熱量，從而最終降低鍋爐的排煙溫度，對提高余熱鍋爐的效率有一定的積極作用。因此，過冷度變大不會對聯合循環機組的熱經濟性帶來嚴重的影響。

1.2 凝汽器的最佳真空

凝汽器最佳真空定義為提高凝汽器真空后機組發電功率增量與為提高凝汽器真空所耗廠用電功率增量之差最大時的凝汽器真空，這一定義體現了機組熱經濟性最佳的原則。

當汽輪機的進汽參數相對恒定時，凝汽器真空越高，單位蒸汽在汽輪機中的理想比焓降越大，機組發電越多，但并不是說真空越高越好，它是有一個極限值的。這個極限值由汽輪機末級葉片出口截面的膨脹程度決定，當通過末級葉片的蒸汽已達到膨脹極限時，如果繼續提高真空，則不可能得到經濟上的效益；相反，為維持高真空，循環水泵等輔助設備消耗的廠用電必然增加，會降低機組經濟性。因此，只有在極限真空內提高真空，并使提高真空所花代價小于汽輪機效率提升所帶來的實際收益，才能對機組整體經濟性帶來幫助。這一理論在常規燃煤汽輪機發電機組和燃氣-蒸汽聯合循環機組中同樣適用。

由此可見，聯合循環機組中凝汽器真空的高低是對汽輪機和整體機組的熱經濟性都起著關鍵作用。在合理范圍內提高凝汽器真空是提高聯合循環機組熱經濟性，降低發電成本的重要舉措。

2 提高凝汽器真空

2.1 真空的形成

凝汽器內真空的形成，可分為兩種情況。在啟動或停機過程中，凝汽器內的真空是由真空泵將其內空氣抽出而形成。在正常運行中，凝汽器內真空的形成是由于汽輪機排汽在凝汽器內驟然凝結成水時，其比容急劇縮小而形成的（因為在0.1MPa壓力下，蒸汽的比容比水的比容大1 725倍，而在0.004MPa壓力下，蒸汽的比容比水大3萬多倍）。由于汽輪機排汽中含有少量的不凝結氣體，同時凝汽器本身及其連接系統也存在漏氣處，有部分空氣漏入凝汽器內，所以必須用真空泵將氣體連續不斷地從凝汽器中抽出，以維持凝汽器在真空下連續運行。

2.2 具體措施

從真空的形成過程看，要提高真空主要可從汽輪機排汽在凝汽器內驟然凝結成水的熱力過程和真空泵對不凝結氣體及漏氣的抽吸兩方面入手。

1)增加冷卻水流量

根據凝汽器的熱力特性，決定排汽在凝汽器內驟然凝結成水這一熱力過程的基本因素是凝汽器的冷卻面積、冷卻水量、冷卻水入口溫度，即提高凝汽器內的真空，可采取下列三個措施：降低冷卻水入口溫度；增加冷卻水量；保持傳熱面的清潔或改進舊設備增加傳熱面積。

其中保持傳熱面的清潔或改進舊設備增加傳熱面積一般需在機組檢修或通過技改來解決，短時內無優化手段。冷卻水入口溫度取決于當地的氣候條件，短時間內也不會改變。因此要提高凝汽器的真空應靠增加冷卻水流量，即增加循環水泵的臺次。

以某燃氣-蒸汽聯合循環電廠為例，凝汽器冷卻水系統采用三臺工頻循環水泵母管制的方式，為該廠三臺機組提供冷卻水。當三臺機組均并網運行時，一般至少需要兩臺以上循環水泵運行，才能滿足冷卻水量的基本要求，尤其在夏季工況下，三臺循環水泵則需全部運行。在實際生產過程中，循環水泵臺數的余量并不多，即理論上通過增加循環水泵臺次增加冷卻水量的方法在實際生產中的可行性有較大限制。

2)增強真空泵抽吸作用

機組正常運行時，由于凝汽器的真空系統不能絕對嚴密而從外界漏入空氣，以及蒸汽中所含的不凝結氣體（因為給水中的含氣量不可能達到絕對零）在蒸汽凝結時被析出，會使冷卻水管表面上形成一層空氣膜而降低了傳熱效果，影響蒸汽的冷卻放熱。在凝汽器中空氣容積含量越大，對蒸汽的放熱影響也越大。汽輪機排汽在凝結初期空氣含量相對很小，在蒸汽進入管束逐漸凝結的過程中，空氣含量不斷增加，致使蒸汽放熱過程逐漸惡化。凝汽器中的全壓力是由蒸汽分壓力與空氣分壓力組成的混合壓力，由于空氣分壓力的存在，凝汽器內的真空就會下降。此時若能加強真空泵對不凝結氣體及漏氣的抽吸作用，即可很快提高凝汽器的真空。

同樣以上述該燃氣-蒸汽聯合循環電廠為例，凝汽真空系統配有兩臺水環式真空泵，正常情況下一用一備，若在相同前提條件下增開一臺真空泵，即能增強抽吸的效果，在短時間內迅速提高真空。

3 實例分析

以該燃氣-蒸汽聯合循環電廠為例，在冬季某日進行了一次對比實驗，分析了增開一臺真空泵后凝汽器真空的變化情況以及對聯合循環機組經濟性的影響。表1為在相同條件下一臺真空泵運行和兩臺真空泵運行時所對應的機組運行參數。

實驗開始前，機組各運行參數穩定，保持兩臺真空泵運行，凝汽器真空穩定在4.26kPa Abs，10：53實驗開始，停用一臺真空泵，真空逐漸下降。11：35各參數穩定，可見凝汽器真空降至了6.08KPa Abs，燃機進口導葉IGV相應增大了2.026%，天然氣流量增大了0.44 kNm3/h，由此說明燃機部分所帶的負荷已有所上升，而此時總負荷保持不變，說明了汽輪機所帶的負荷減少了，在蒸汽參數變化不大的情況下，進一步說明了汽輪機的熱經濟性有所下降，即：在一臺真空泵運行的基礎上再增開一臺真空泵，汽輪機的熱效率將有所上升。

表1 冬季某日聯合循環電廠機組運行參數

從整體經濟性分析，增開一臺真空泵后，天然氣每小時可節省440m3，以2.2元/m3天然氣計算，10小時可節省的燃料費用為：440×10×2.2=9 680元。

而一臺400V真空泵電機10小時的耗電量為：

W=Pt=3UIcosφt

=1.732×0.4×200×0.82×10

=1136.192 kWh

式中，W—耗電量；P—真空泵電機功率；U—真空泵電機額定電壓；I—真空泵電機額定電流；cosφ—功率因數；t—運行時間。

以每kWh 0.52元計算，真空泵電機運行10h需花費：1136.192＊0.52=590.81984元。

粗略計算可知，節省的燃料費用約為一臺真空泵電機運行所需費用的10倍以上，由此可見，增開一臺真空泵在經濟性上是可行的。同時，查閱設計資料，該凝汽器的額定真空為5.9KPa Abs，此實驗及計算結果也驗證了該額定真空值并非是凝汽器的最佳真空工作點。

4 結論

加強真空抽吸裝置的效果，如增開一臺真空泵是提高凝汽器真空最直接、有效、簡易的方法。在燃氣-蒸汽聯合循環機組中，由于真空的提高，汽輪機熱效率隨之增加，燃氣輪機所帶的負荷就會相應降低，從而減少了燃料量。節省的燃料費用遠大于一臺真空泵電機運行所需費用，因此，在聯合循環機組中使用該方法提高凝汽器真空其經濟性十分顯著。