600 MW機組真空聯絡管積水自動排除研究與應用

肖承明

(國家能源集團江西電力有限公司,江西 南昌 330029)

0 引言

近年來，大型超臨機火電機組廣泛采用雙背壓凝汽器，為了挖掘汽輪機凝汽器抽真空系統的節能潛力，凝汽器抽真空系統成為火力發電機組節能改造的重點對象[1-5]，其中雙機真空系統聯絡運行改造機組逐漸增多[6]，真空聯絡管積水成為廣大技術人員棘手的一道難題。

1 設備簡介

某發電公司建設有2臺600 MW超臨界發電機組，2007年雙機投產，凝汽器為雙背壓凝汽器[7]，高、低壓凝汽器分別設置各自獨立的抽真空系統[8]，高、低壓凝汽器各設有兩臺水環式機械真空泵(見圖1)，機組運行中高、低壓凝汽器各保持一臺真空泵運行，一臺備用[9]。

圖1 雙背壓凝汽器抽空氣系統圖

為了降低真空泵的耗電，公司將兩臺機組凝汽器抽空氣系統進行了聯通(見圖2)，將兩臺機組的高、低壓凝汽器抽空氣管路各自相互聯通，擬雙機運行時將兩臺機組抽空氣系統聯絡運行，實現單臺真空泵帶兩臺機組的高壓(低壓)凝汽器運行，減少兩臺真空泵運行，降低真空泵耗電。

圖2 #1、#2機組真空系統聯絡圖

在實施雙機運行真空系統聯絡運行時出現了異常的現象，發現停運真空泵的機組真空持續下降，維持真空泵運行的機組其真空泵沒有出現出力增大的現象(電流沒有上升，真空泵的抽氣量沒有增大)，從現象上看兩臺機組的真空聯絡管是堵塞不通的，實現不了聯通運行。

2 聯絡管堵塞原因排查

在真空聯絡管上設置了兩個氣動門各布置在#1機組側和#2機組側，中間設置了一個手動隔離門，#1、#2機真空系統聯絡時將兩個氣動聯絡門和手動隔離門開啟，構成一個通路。

如果三個聯絡門中任意一個閥門門芯脫落，都有可能造成聯絡管堵塞不通，為此，利用停機機會將三個閥門解體進行了檢查，結果三個閥門的開關過程閥門門芯都是正常的，閥門門芯脫落造成聯絡管堵塞的原因得到了排除。

在對真空聯絡管閥門進行解體檢修過程中，發現聯絡管內部充滿了冷水，拆開真空聯絡閥門法蘭放水的過程足足進行了半個小時的時間(見圖3)，從這種現象來看，兩臺機組的真空聯絡管應當是積水嚴重，是大量的積水形成水塞堵塞了聯絡管，造成兩臺機真空系統聯絡不了。

圖3 停機時檢查真空聯絡管積水情況

3 聯絡管積水原因分析

公司汽機專業將解決真空聯絡管積水問題作為一項重大課題展開了研究和實驗摸索，對聯絡管產生積水的原因進行了分析。

汽輪機低壓缸做完功的低壓蒸汽排往凝汽器進行冷卻凝結，低壓缸排汽中含有少量的不凝結氣體，這部分不凝結氣體在凝汽器內積聚則會堵塞排汽與凝汽器不銹鋼管的接觸，增大不銹鋼管的傳熱阻力，影響凝汽器的換熱效果[10]，因此設置了真空泵將不凝結氣體抽出，真空泵的抽氣口一般設置在凝汽器的空氣集聚區，但空氣集聚區不可能是全部的不凝結氣體，或多或少的存在一些沒來得及凝結的蒸汽，這樣的話，真空泵抽出的大部分是凝汽器內的不凝結氣體和小部分未來得及凝結的蒸汽[11]。

在真空泵的高度負壓抽吸下，大部分不凝結氣體和小部分沒來得及凝結的蒸汽源源不斷的流向真空泵內，由于真空泵的抽空氣管是直接布置在空氣中未設置保溫材料的，相當于是一個與外界空氣對流換熱的換熱器，小部分未來得及凝結的蒸汽在抽空氣管內流動過程中還會繼續凝結成水滴，由于水的密度遠大于蒸汽，水滴靠自重就會掉落在抽空氣管底部，由于水的流動阻力相對較大，在差壓不夠大的情況下很難隨空氣一起被真空泵抽走，慢慢的就會在抽空氣管內形成水珠、水柱。

在重力作用下，積水會流向位置較低的地方，在真空聯絡管段上的最低點，慢慢就產生了積水，長時間的積累就會產生水柱，堵塞聯絡管。

從真空聯絡管產生積水堵塞的原因分析來看，只要真空在運行抽吸氣體，抽空氣管就會產生積水，在聯絡管形成水柱造成堵塞就不可避免的，必須想辦法把這部分積水排走，重新把聯絡管通路打開。

4 真空聯絡管積水排放方案分析

方案一：真空聯絡管對外排水改造。要將真空聯絡管內的積水排走，常規的改造方法就是在聯絡管的最低點設置放水閥，上部設置放氣閥，將管內積水排出。由于聯絡管內為高度的真空，聯絡管外是充滿了大氣的大氣壓力，大氣壓力遠高于凝汽器內的真空，直接開啟放水閥放水時只會讓大量的空氣倒吸進入凝汽器，使機組真空下降，實現不了排水的目的。因此，每次排水時必須關閉聯絡管上的三個隔離門，且要求隔離門能夠關閉嚴密，然后開啟上部的放氣閥使聯絡管內吸入空氣破壞管內的負壓，直到聯絡管內形成了與大氣壓力相同的壓力時開啟放水閥才能放出存水，打通聯絡管。實施這個改造方案的話一方面給運行增加了很大的操作量，因為聯絡管積水不可避免，運行一段時間又會產生水柱堵塞聯通，運行人員每隔一段時間就要反復的進行人工排水。另一方面，如果三個隔離門關不嚴的話就破壞不了聯絡管的負壓，沒辦法將積水排出，并且一般情況下閥門操作的次數多了慢慢就會出現輕微的內漏，過不了多久就沒辦法排除積水了。綜合上述情況看，采用方案一改造并不能徹底的消除聯絡管的積水，不宜采納。

方案二：真空系統內部排水設想。真空聯絡管內積水形成的水柱，其兩側分別是#1機和#2機的凝汽器，在雙機平均分配負荷下兩臺機凝汽器的真空基本相同(p1=p2)，水柱兩側沒有壓差，流動不了，水柱一直保留在聯絡管的低位，且越積越多，兩臺機的凝汽器通過聯絡管構成一個連通器。根據連通器的原理，此時如果設法降低#1機的真空(p1升高)，使水柱兩側形成差壓，在差壓的推動下水柱就會自動往壓力低(p2不變)的地方流動，最終將積水排至#2機組(見圖4)，積水排盡后真空聯絡管疏通，重新進入雙機真空聯絡運行模式。

圖4 真空聯絡管自動排水原理圖

5 真空聯絡管積水自動排放探索

經過充分的分析和論證，我們決定采納方案二，進行真空聯絡管內部自動排水的實驗研究。

我們面臨的首先問題是積水往哪里排：一種方法是在高、低壓凝汽器真空聯絡管的低位加裝一個疏水袋，增加疏水管路引至凝汽器本體汽側，采用這種方式需要對抽空氣管路進行改造，每次排水還要增加運行去操作閥門；另一種方法是利用現有抽空氣管直接排至水環式真空泵，通過真空泵汽水分離器溢流管排走，采用這種方式不需要對系統進行改造，不增加運行操作，主要是要考慮水環式真空泵葉輪是否能經受高水位運行的安全考驗。考慮到真空泵正常運行時尚有較大的安全裕量(正常70%左右額定電流)，我們決定先嘗試采用真空泵溢流排水方式。

其次是怎樣降低一臺機真空來排水的問題：在實施真空聯絡操作時，可以采用停運待聯絡機組真空泵的方式降低機組真空；在機組已經實施真空聯絡運行時，則被聯絡機組本身真空泵是停運的，當真空聯絡管被積水堵塞時會自動降低真空，可以不用操作。

6 真空聯絡管積水自動排放實驗

雙機運行后，進行了一次真空聯絡管內部自動排水實驗：首先開啟#1、#2機組真空聯絡氣動門和手動隔離門，兩臺機高、低壓凝汽器分別構成連通器，運行人員盤上停運#1機組的所有真空泵，由于聯絡管有積水處于堵塞狀態，#1機組在沒有真空泵抽氣的情況下高、低壓凝汽器真空開始持續下降，#2機組高、低壓凝汽器各一臺真空運行，真空則保持不變，在聯絡管水柱堵塞的兩側逐漸形成差壓，形成推動力，將水柱逐漸推向#2機側，實驗中當兩臺機凝汽器差壓升至2.5 kPa時#2機真空泵電流突升，#1機組真空止跌迅速回升，聯絡管內的水柱已被推送至#2機真空泵排除，聯絡管打通，在#2機真空泵的抽吸作用下#1機真空逐漸恢復至正常值，實驗取得成功，真空聯絡管積水自動排放實驗達到了預期的效果。

真空聯絡運行后#1機組高、低壓凝汽器兩臺真空泵停止運行，由#2機的運行真空泵抽走兩臺機凝汽器漏入的空氣，節省了兩臺真空泵耗電，觀察兩臺機組的真空在真空系統聯絡前后未發生變化，成功實施了真空系統聯絡運行。

7 真空系統聯絡運行情況

實施真空系統聯絡運行方式期間，運行人員監盤嚴密監視機組的真空情況，發現機組真空發生緩慢下降情況時，檢查臨機真空泵運行電流下降則可判斷真空聯絡管又有積水堵塞通道了，此時，運行人員只需做好監視，讓機組真空下降，當真空下降2.5 kPa左右時，利用連通器原理實現自動疏水至臨機真空泵，重新打通真空聯絡管，機組真空自動恢復正常。

考慮到水環式真空泵的安全性[12],利用停機機會對真空泵葉輪進行了全面的檢查，未發現葉輪有隱形裂紋，真空泵短時間高水位運行安全性能得到保證，實踐證明可以長周期實施真空泵自動疏水。

目前，真空聯絡管內部自動排水實施已運行了一年的時間，從運行的情況看每10 d左右真空聯絡管會發生一次積水堵塞的情況，真空下降后自動恢復正常，沒有任何操作風險，全程實現自動疏水。

經濟效益的測算：統計公司歷年雙機運行時間5 000 h以上，實施真空系統聯絡后停運兩臺真空泵，折算每年停運單臺真空泵累計時間為10 000 h，真空泵額定功率160 kWh,全年真空系統聯絡運行節電： 10 000×160=160萬kWh，上網電價按0.42元/kWh計算，年度節約成本67.2萬元。

8 結論

(1)雙機真空系統聯絡運行時聯絡管積水的產生不可避免，必須定期對聯絡管進行疏水。

(2)通過研究實踐，利用原有的水環真空泵設備，簡易的連通器原理，即可實現真空聯絡管內部積水的自動排放，全程自動運行，安全可靠。

(3)真空聯絡管自動排水的研究開創了真空系統自動疏水的先例，值得國內類似電廠的借鑒。