利用补水射流卷吸在提高湿冷机组真空技术的应用

利用补水射流卷吸在提高湿冷机组真空技术的应用

纪海军,王海军,康宝来,石纵横,曹振东,李鹤,果江庆

内蒙古霍煤鸿骏铝电有限责任公司电力分公司，内蒙古 通辽 029200

摘要：当前我国电厂的冷端系统绝大部分存在着能耗偏高的问题。最为显著的是，凝汽器作为冷端系统的重要设备，人们往往会低估类似因抽真空设备引起真空恶化对能耗产生的影响，更多地关注蒸汽参数对机组的热效率的影响。据统计，在我国电厂中，300MW级的机组凝汽器真空偏低的问题是最为严重的，较设计值相比还要低3%～6%。此外，机组容量越大，冷端系统改进产生的效益就越明显。

关键词：真空，

1.概述

本项目是在抽真空系统上加装基于零耗能的湿冷机组新型真空多效节能装置，基于伯努利定律和热力学定律基础，根据不同的机组参数建立气汽混合物质量流量与真空系统的模型，并运用CFD技术建立真空多效节能的ANSYS动态仿真，从而进行新型零耗能真空多效节能装置定制设计。在环境温度不同的情况下，通过进一步地运行优化，建立基于粒子群优化算法模型预测技术的精准控制系统，尽可能的保证凝汽器最佳换热效果，从而实现新型真空多效节能。

2.发展趋势

国内外研究表明：针对水冷凝汽器在夏季高温条件下遇到的问题，电厂一般的会采取的措施是：

（1）在环境温度高且真空低时，适当降低机组负荷，从而减少系统进汽量。

（2）增强换热：超声波除垢，节能芯产生扰动减少结垢。

（3）提高循环水泵转速或多启动1台循环水泵，增加循环水进水量。

（4）增加冷却水塔旋流节水装置，以降低循环水温度。

（5）基于真空泵性能的新技术主要有五种类型：真空泵工作液制冷装置、真空泵入口加装大气喷射器、使用高效率真空泵组节能真空装置、冷却抽气口处混合气体、射汽抽气器节电等。

但是，这些措施仍然不能很好的解决夏季高背压运行的问题，并且有时候电厂不得不降低负荷来提高真空度。

3.研究路线

（1）凝汽器真空形成分析

选择1个以上湿冷机组具有代表性的火电厂进行调研，凝汽器真空是靠汽轮机低压缸排汽在凝汽器内凝结后体积缩小而形成的，此后是靠真空泵把漏入凝汽器的空气和排汽中不能凝结的气体抽吸升压排出大气而维持。凝汽器在设计制造时，不管是夏天（高负荷）还是冬天（低负荷）都要考虑低压缸排汽在凝汽器内完全凝结，同时，设计制造的真空泵在额定负荷时完全能维持凝汽器的设计真空。既然夏天（高负荷）和冬天（低负荷）低压缸排汽在凝汽器内都能完全凝结，那为什么汽轮发电机凝汽器的真空冬天（低负荷）总比夏天（高负荷）好呢?

影响凝汽器真空因素很多，有漏入空气量、换热管布置状态、传导热阻、换热方式（凝结换热、对流、传导）等。据研究，其中凝汽器中的空气分压是除循环水水量和水温之外影响真空的第三大影响因素。

实际上，效能再好的真空泵也不能将凝汽器内的气体完全抽吸升压排出，凝汽器的真空只能无限接近水环真空泵的极限真空，永远不能达到理论真空，这说明凝汽器内总是有一部分气体存在，这部分气体受环境温度的影响特别大。根据气体状态方程式，冬天凝汽器冷却水温度较低，使得凝汽器汽侧存留的气体温度也低，其体积缩小，凝汽器容积又不变，于是凝汽器真空相对就好，反之凝汽器真空相对就差。

同理，低负荷时由于低压缸排汽量减少，凝汽器冷却水量不变，凝汽器冷却水出水温度就会下降，使得凝汽器汽侧存留的气体温度也下降，其体积缩小，凝汽器容积又不变，于是凝汽器真空相对就好，反之凝汽器真空相对就差。

同样，高负荷时凝汽器排汽温度升高，于是凝汽器内留存的气体容积就会受热膨胀，占去了凝汽器部分空间，最终使得凝汽器真空有所下降。真空泵的抽吸能力也受到影响，即当凝汽器排汽温度升高，真空泵的入口气温也会升高，真空泵的入口真空也下降，最终凝汽器的真空会维持在一个新的较低水平，这就是高负荷比低负荷真空低的真实原因所在。

根据凝汽器真空成因及运行中出现问题的调研报告，进行详细分析抽真空系统参数和环境温度等实际运行情况，重点应用建模和流体力学、热力学相关理论为指导，对真空系统进行整体优化设计。

（2）建立抽气混合物比体积和质量比的模型，定制研发设计核心设备

确定抽气混合物的含汽量，需要计算抽气混合物中的蒸汽，建立抽气混合物比体积和质量比的模型。设计开发重点在伯努利原理基础上的创新应用，研制出具有先进流体运动力学的稳态和热力学充分均匀性能的设备，要求具有较好的流动性、较高的均匀性，设计开发稳态均匀流动及充分换热的制备工艺。

（3）研发设计基于粒子群优化算法模型预测技术的精准智能优化控制

在抽真空系统气汽混合物质量流量变化对机组真空影响的定量模型基础上，通过粒子群优化算法，可以对气水的扰动信号与气汽混合物比体积流量的影响进行建模，在先进计算机技术的基础上将算法调节控制技术、可视化动态建模技术、在线高精度监测技术等有机结合，实现对气汽混合物质量流量的精准优化控制。模型预测控制技术已经在众多化工工程得到应用，而且取得了很好的经济效益。

（4）制备样机，进行示范应用检验

课题组重点设计开发新型先进旋转射流设备，通过新型先进旋转射流设备改变气汽混合物成分，从而使抽真空设备能够更多地抽吸不凝结气体，实现提高机组发电效率、节煤、节电等综合提效作用。

（5）选择150MW湿冷机组安装运行，以此进行示范应用检验

检验基本要求，根据燃煤电厂运行情况，根据每月汇总数据生成月度报表，可以计算出相应工况的真空度提高及节电等效果。运行一年后请相关部门出具权威鉴定报告。

（6）进一步改进技术和制备检验工艺，适应现场实际进行针对性设计

设计并完善整套装置，针对火电厂机组凝汽器真空运行情况进行继续分析，不断完善新型基于零耗能的真空多效节能装置。

3.研究内容

建立抽气混合物的比体积及质量比的模型。运用CFD技术，进行流场数值模拟计算，分析流场分布对零功耗真空多效技术装置的影响，从而改善和优化装置内的流体分布，达到最佳混合效果。

（1）VOF模型

VOF模型（Volume of Fluid）通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。

它的限制是必须使用分离求解器，只有一种物相可以是可压缩流体，不能计算流动方向的周期性流动、组元混合与反应流动和无粘流动，不能与大涡模拟（LES）同时进行计算，不能采用二阶隐式时间推进格式，不能使用壁面的薄壳传导模型。

（2）射流流动的数学模型——连续性方程

描述流体运动的基本方程有连续性方程和运动方程，不可压缩流体的连续性方程在空间直角坐标系中的表达式为：

（3）射流流动的数学模型——N-S方程

描述黏性流体运动的运动方程式Navier-Stokes方程，简称N-S方程。对不可压缩黏性流体的N-S方程，其在空间直角坐标系中的表达式为：

（4）射流流动的数学模型——k-ɛ方程

由于射流流场处于高湍流状态，因此采用了标准的k-ɛ方程模型。标准k-ɛ模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。k方程是个精确方程，ɛ方程是个由半经验公式导出的方程。在关于湍动能k方程的基础上，再引入一个关于湍动耗散率ɛ的方程，便形成了k-ɛ两方程模型，即为标准k-ɛ模型。该模型由Launder和Spalding于1972年提出。在模型中，湍动能k的输运方程可写为：

从左至右，方程中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项、产生项、耗散项。由Kolmogorov-Prandtl表达式，有：

3.应用

2022年，霍煤鸿骏铝电有限责任公司电力分公司A厂5号机组利用补水射流卷吸提高湿冷机组真空的技术应用项目开始施工，其中零功耗直接混合降低气汽混合物温度技术装置即为射流卷吸原理在火电机组冷端换热的实际应用。本项目在我国节能减排的大形势下具备很大推广价值。在安全方面，对电厂真空系统设备的安全生产无安全隐患；在节能方面，通过提高机组真空，同时实现提高机组发电效率、节煤、节电等综合提效作用。