肖承明
(國(guó)家能源集團(tuán)江西電力有限公司,江西 南昌 330029)
近年來(lái),大型超臨機(jī)火電機(jī)組廣泛采用雙背壓凝汽器,為了挖掘汽輪機(jī)凝汽器抽真空系統(tǒng)的節(jié)能潛力,凝汽器抽真空系統(tǒng)成為火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能改造的重點(diǎn)對(duì)象[1-5],其中雙機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行改造機(jī)組逐漸增多[6],真空聯(lián)絡(luò)管積水成為廣大技術(shù)人員棘手的一道難題。
某發(fā)電公司建設(shè)有2臺(tái)600 MW超臨界發(fā)電機(jī)組,2007年雙機(jī)投產(chǎn),凝汽器為雙背壓凝汽器[7],高、低壓凝汽器分別設(shè)置各自獨(dú)立的抽真空系統(tǒng)[8],高、低壓凝汽器各設(shè)有兩臺(tái)水環(huán)式機(jī)械真空泵(見(jiàn)圖1),機(jī)組運(yùn)行中高、低壓凝汽器各保持一臺(tái)真空泵運(yùn)行,一臺(tái)備用[9]。
圖1 雙背壓凝汽器抽空氣系統(tǒng)圖
為了降低真空泵的耗電,公司將兩臺(tái)機(jī)組凝汽器抽空氣系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)通(見(jiàn)圖2),將兩臺(tái)機(jī)組的高、低壓凝汽器抽空氣管路各自相互聯(lián)通,擬雙機(jī)運(yùn)行時(shí)將兩臺(tái)機(jī)組抽空氣系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)單臺(tái)真空泵帶兩臺(tái)機(jī)組的高壓(低壓)凝汽器運(yùn)行,減少兩臺(tái)真空泵運(yùn)行,降低真空泵耗電。
圖2 #1、#2機(jī)組真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)圖
在實(shí)施雙機(jī)運(yùn)行真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了異常的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)停運(yùn)真空泵的機(jī)組真空持續(xù)下降,維持真空泵運(yùn)行的機(jī)組其真空泵沒(méi)有出現(xiàn)出力增大的現(xiàn)象(電流沒(méi)有上升,真空泵的抽氣量沒(méi)有增大),從現(xiàn)象上看兩臺(tái)機(jī)組的真空聯(lián)絡(luò)管是堵塞不通的,實(shí)現(xiàn)不了聯(lián)通運(yùn)行。
在真空聯(lián)絡(luò)管上設(shè)置了兩個(gè)氣動(dòng)門各布置在#1機(jī)組側(cè)和#2機(jī)組側(cè),中間設(shè)置了一個(gè)手動(dòng)隔離門,#1、#2機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)時(shí)將兩個(gè)氣動(dòng)聯(lián)絡(luò)門和手動(dòng)隔離門開啟,構(gòu)成一個(gè)通路。
如果三個(gè)聯(lián)絡(luò)門中任意一個(gè)閥門門芯脫落,都有可能造成聯(lián)絡(luò)管堵塞不通,為此,利用停機(jī)機(jī)會(huì)將三個(gè)閥門解體進(jìn)行了檢查,結(jié)果三個(gè)閥門的開關(guān)過(guò)程閥門門芯都是正常的,閥門門芯脫落造成聯(lián)絡(luò)管堵塞的原因得到了排除。
在對(duì)真空聯(lián)絡(luò)管閥門進(jìn)行解體檢修過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部充滿了冷水,拆開真空聯(lián)絡(luò)閥門法蘭放水的過(guò)程足足進(jìn)行了半個(gè)小時(shí)的時(shí)間(見(jiàn)圖3),從這種現(xiàn)象來(lái)看,兩臺(tái)機(jī)組的真空聯(lián)絡(luò)管應(yīng)當(dāng)是積水嚴(yán)重,是大量的積水形成水塞堵塞了聯(lián)絡(luò)管,造成兩臺(tái)機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)不了。
圖3 停機(jī)時(shí)檢查真空聯(lián)絡(luò)管積水情況
公司汽機(jī)專業(yè)將解決真空聯(lián)絡(luò)管積水問(wèn)題作為一項(xiàng)重大課題展開了研究和實(shí)驗(yàn)摸索,對(duì)聯(lián)絡(luò)管產(chǎn)生積水的原因進(jìn)行了分析。
汽輪機(jī)低壓缸做完功的低壓蒸汽排往凝汽器進(jìn)行冷卻凝結(jié),低壓缸排汽中含有少量的不凝結(jié)氣體,這部分不凝結(jié)氣體在凝汽器內(nèi)積聚則會(huì)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(shè)置了真空泵將不凝結(jié)氣體抽出,真空泵的抽氣口一般設(shè)置在凝汽器的空氣集聚區(qū),但空氣集聚區(qū)不可能是全部的不凝結(jié)氣體,或多或少的存在一些沒(méi)來(lái)得及凝結(jié)的蒸汽,這樣的話,真空泵抽出的大部分是凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體和小部分未來(lái)得及凝結(jié)的蒸汽[11]。
在真空泵的高度負(fù)壓抽吸下,大部分不凝結(jié)氣體和小部分沒(méi)來(lái)得及凝結(jié)的蒸汽源源不斷的流向真空泵內(nèi),由于真空泵的抽空氣管是直接布置在空氣中未設(shè)置保溫材料的,相當(dāng)于是一個(gè)與外界空氣對(duì)流換熱的換熱器,小部分未來(lái)得及凝結(jié)的蒸汽在抽空氣管內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中還會(huì)繼續(xù)凝結(jié)成水滴,由于水的密度遠(yuǎn)大于蒸汽,水滴靠自重就會(huì)掉落在抽空氣管底部,由于水的流動(dòng)阻力相對(duì)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(huì)在抽空氣管內(nèi)形成水珠、水柱。
在重力作用下,積水會(huì)流向位置較低的地方,在真空聯(lián)絡(luò)管段上的最低點(diǎn),慢慢就產(chǎn)生了積水,長(zhǎng)時(shí)間的積累就會(huì)產(chǎn)生水柱,堵塞聯(lián)絡(luò)管。
從真空聯(lián)絡(luò)管產(chǎn)生積水堵塞的原因分析來(lái)看,只要真空在運(yùn)行抽吸氣體,抽空氣管就會(huì)產(chǎn)生積水,在聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)管通路打開。
方案一:真空聯(lián)絡(luò)管對(duì)外排水改造。要將真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)的積水排走,常規(guī)的改造方法就是在聯(lián)絡(luò)管的最低點(diǎn)設(shè)置放水閥,上部設(shè)置放氣閥,將管內(nèi)積水排出。由于聯(lián)絡(luò)管內(nèi)為高度的真空,聯(lián)絡(luò)管外是充滿了大氣的大氣壓力,大氣壓力遠(yuǎn)高于凝汽器內(nèi)的真空,直接開啟放水閥放水時(shí)只會(huì)讓大量的空氣倒吸進(jìn)入凝汽器,使機(jī)組真空下降,實(shí)現(xiàn)不了排水的目的。因此,每次排水時(shí)必須關(guān)閉聯(lián)絡(luò)管上的三個(gè)隔離門,且要求隔離門能夠關(guān)閉嚴(yán)密,然后開啟上部的放氣閥使聯(lián)絡(luò)管內(nèi)吸入空氣破壞管內(nèi)的負(fù)壓,直到聯(lián)絡(luò)管內(nèi)形成了與大氣壓力相同的壓力時(shí)開啟放水閥才能放出存水,打通聯(lián)絡(luò)管。實(shí)施這個(gè)改造方案的話一方面給運(yùn)行增加了很大的操作量,因?yàn)槁?lián)絡(luò)管積水不可避免,運(yùn)行一段時(shí)間又會(huì)產(chǎn)生水柱堵塞聯(lián)通,運(yùn)行人員每隔一段時(shí)間就要反復(fù)的進(jìn)行人工排水。另一方面,如果三個(gè)隔離門關(guān)不嚴(yán)的話就破壞不了聯(lián)絡(luò)管的負(fù)壓,沒(méi)辦法將積水排出,并且一般情況下閥門操作的次數(shù)多了慢慢就會(huì)出現(xiàn)輕微的內(nèi)漏,過(guò)不了多久就沒(méi)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(lián)絡(luò)管的積水,不宜采納。
方案二:真空系統(tǒng)內(nèi)部排水設(shè)想。真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)積水形成的水柱,其兩側(cè)分別是#1機(jī)和#2機(jī)的凝汽器,在雙機(jī)平均分配負(fù)荷下兩臺(tái)機(jī)凝汽器的真空基本相同(p1=p2),水柱兩側(cè)沒(méi)有壓差,流動(dòng)不了,水柱一直保留在聯(lián)絡(luò)管的低位,且越積越多,兩臺(tái)機(jī)的凝汽器通過(guò)聯(lián)絡(luò)管構(gòu)成一個(gè)連通器。根據(jù)連通器的原理,此時(shí)如果設(shè)法降低#1機(jī)的真空(p1升高),使水柱兩側(cè)形成差壓,在差壓的推動(dòng)下水柱就會(huì)自動(dòng)往壓力低(p2不變)的地方流動(dòng),最終將積水排至#2機(jī)組(見(jiàn)圖4),積水排盡后真空聯(lián)絡(luò)管疏通,重新進(jìn)入雙機(jī)真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行模式。
圖4 真空聯(lián)絡(luò)管自動(dòng)排水原理圖
經(jīng)過(guò)充分的分析和論證,我們決定采納方案二,進(jìn)行真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動(dòng)排水的實(shí)驗(yàn)研究。
我們面臨的首先問(wèn)題是積水往哪里排:一種方法是在高、低壓凝汽器真空聯(lián)絡(luò)管的低位加裝一個(gè)疏水袋,增加疏水管路引至凝汽器本體汽側(cè),采用這種方式需要對(duì)抽空氣管路進(jìn)行改造,每次排水還要增加運(yùn)行去操作閥門;另一種方法是利用現(xiàn)有抽空氣管直接排至水環(huán)式真空泵,通過(guò)真空泵汽水分離器溢流管排走,采用這種方式不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造,不增加運(yùn)行操作,主要是要考慮水環(huán)式真空泵葉輪是否能經(jīng)受高水位運(yùn)行的安全考驗(yàn)??紤]到真空泵正常運(yùn)行時(shí)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(tái)機(jī)真空來(lái)排水的問(wèn)題:在實(shí)施真空聯(lián)絡(luò)操作時(shí),可以采用停運(yùn)待聯(lián)絡(luò)機(jī)組真空泵的方式降低機(jī)組真空;在機(jī)組已經(jīng)實(shí)施真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí),則被聯(lián)絡(luò)機(jī)組本身真空泵是停運(yùn)的,當(dāng)真空聯(lián)絡(luò)管被積水堵塞時(shí)會(huì)自動(dòng)降低真空,可以不用操作。
雙機(jī)運(yùn)行后,進(jìn)行了一次真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動(dòng)排水實(shí)驗(yàn):首先開啟#1、#2機(jī)組真空聯(lián)絡(luò)氣動(dòng)門和手動(dòng)隔離門,兩臺(tái)機(jī)高、低壓凝汽器分別構(gòu)成連通器,運(yùn)行人員盤上停運(yùn)#1機(jī)組的所有真空泵,由于聯(lián)絡(luò)管有積水處于堵塞狀態(tài),#1機(jī)組在沒(méi)有真空泵抽氣的情況下高、低壓凝汽器真空開始持續(xù)下降,#2機(jī)組高、低壓凝汽器各一臺(tái)真空運(yùn)行,真空則保持不變,在聯(lián)絡(luò)管水柱堵塞的兩側(cè)逐漸形成差壓,形成推動(dòng)力,將水柱逐漸推向#2機(jī)側(cè),實(shí)驗(yàn)中當(dāng)兩臺(tái)機(jī)凝汽器差壓升至2.5 kPa時(shí)#2機(jī)真空泵電流突升,#1機(jī)組真空止跌迅速回升,聯(lián)絡(luò)管內(nèi)的水柱已被推送至#2機(jī)真空泵排除,聯(lián)絡(luò)管打通,在#2機(jī)真空泵的抽吸作用下#1機(jī)真空逐漸恢復(fù)至正常值,實(shí)驗(yàn)取得成功,真空聯(lián)絡(luò)管積水自動(dòng)排放實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。
真空聯(lián)絡(luò)運(yùn)行后#1機(jī)組高、低壓凝汽器兩臺(tái)真空泵停止運(yùn)行,由#2機(jī)的運(yùn)行真空泵抽走兩臺(tái)機(jī)凝汽器漏入的空氣,節(jié)省了兩臺(tái)真空泵耗電,觀察兩臺(tái)機(jī)組的真空在真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)前后未發(fā)生變化,成功實(shí)施了真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行。
實(shí)施真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行方式期間,運(yùn)行人員監(jiān)盤嚴(yán)密監(jiān)視機(jī)組的真空情況,發(fā)現(xiàn)機(jī)組真空發(fā)生緩慢下降情況時(shí),檢查臨機(jī)真空泵運(yùn)行電流下降則可判斷真空聯(lián)絡(luò)管又有積水堵塞通道了,此時(shí),運(yùn)行人員只需做好監(jiān)視,讓機(jī)組真空下降,當(dāng)真空下降2.5 kPa左右時(shí),利用連通器原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疏水至臨機(jī)真空泵,重新打通真空聯(lián)絡(luò)管,機(jī)組真空自動(dòng)恢復(fù)正常。
考慮到水環(huán)式真空泵的安全性[12],利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)真空泵葉輪進(jìn)行了全面的檢查,未發(fā)現(xiàn)葉輪有隱形裂紋,真空泵短時(shí)間高水位運(yùn)行安全性能得到保證,實(shí)踐證明可以長(zhǎng)周期實(shí)施真空泵自動(dòng)疏水。
目前,真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部自動(dòng)排水實(shí)施已運(yùn)行了一年的時(shí)間,從運(yùn)行的情況看每10 d左右真空聯(lián)絡(luò)管會(huì)發(fā)生一次積水堵塞的情況,真空下降后自動(dòng)恢復(fù)正常,沒(méi)有任何操作風(fēng)險(xiǎn),全程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疏水。
經(jīng)濟(jì)效益的測(cè)算:統(tǒng)計(jì)公司歷年雙機(jī)運(yùn)行時(shí)間5 000 h以上,實(shí)施真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)后停運(yùn)兩臺(tái)真空泵,折算每年停運(yùn)單臺(tái)真空泵累計(jì)時(shí)間為10 000 h,真空泵額定功率160 kWh,全年真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行節(jié)電: 10 000×160=160萬(wàn)kWh,上網(wǎng)電價(jià)按0.42元/kWh計(jì)算,年度節(jié)約成本67.2萬(wàn)元。
(1)雙機(jī)真空系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)管積水的產(chǎn)生不可避免,必須定期對(duì)聯(lián)絡(luò)管進(jìn)行疏水。
(2)通過(guò)研究實(shí)踐,利用原有的水環(huán)真空泵設(shè)備,簡(jiǎn)易的連通器原理,即可實(shí)現(xiàn)真空聯(lián)絡(luò)管內(nèi)部積水的自動(dòng)排放,全程自動(dòng)運(yùn)行,安全可靠。
(3)真空聯(lián)絡(luò)管自動(dòng)排水的研究開創(chuàng)了真空系統(tǒng)自動(dòng)疏水的先例,值得國(guó)內(nèi)類似電廠的借鑒。