一种强排式前置混凝抽真空方法
技术领域
本发明涉及到能源、化工技术研究领域，更加具体地是一种强排式前置混凝抽真空方法。
背景技术
锅炉将水加热成高温蒸汽，蒸汽去汽轮发电机做功发电，做完功后的水蒸气通过凝汽器凝结为水；上述过程即为燃煤电站的典型汽水循环流程。
其中，蒸汽参数越高、凝汽器中压力越低则整个循环过程做功越多，效率越高。在锅炉参数一定时，如何维持凝汽器真空即成为了提高燃煤电站发电效率的关键。
在我国西北地区，由于受到所在地水源的限制，大部分燃煤电站均采用间接空冷或直接空冷方式运行。
对于直接或间接空冷电站而言，其凝汽器冷却效率较低，真空度低，凝汽器中含有大量不凝结气体。
上述问题将造成整体的功耗增加、水资源浪费和发电效率的降低，因此急需一种装置和方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种强排式前置混凝抽真空方法。
经研究发现：不凝结气体在管子表面形成气膜，阻碍蒸汽凝结，使汽侧蒸汽的放热系数随着含气比例的增加先急剧并大幅度地下降，后缓慢地下降。如图1所示：含不凝结气体的蒸汽其放热系数α随着不凝结气体占比εa的增加而逐渐下降。因此，如何抽出这些不凝结气体，并维持凝汽器真空在直接或间接空冷机组中存在较大挑战。
燃煤电站多用真空泵抽取不凝结气体。不凝结气体主要是泄露进凝汽器的空气，而其中也混合了大量的饱和蒸汽。饱和蒸汽占用了大量的抽气空间，从而导致多个工程真空泵出力不足、机组背压升高并最终影响到了汽轮机的发电效率。
基于此，发明人在凝汽器后加装真空泵前置混凝装置，这样虽可以预先冷凝一部分饱和蒸汽，提高抽真空系统抽出的干空气量。然而，前置混凝罐中为真空状态，混凝下来液体难以排出。若增设排污泵将其强排至污水坑存在三大缺点：1)大量的冷凝水无法回收，进一步增加了西北地区用水紧张的局面。2)增设的排污泵增加了整个系统的能耗。3)前置冷凝装置直连外部大气造成了凝汽器漏气风险，使其真空更难维持。
本发明方法通过合理的布局，克服了上述的缺点。
本发明的目的是通过如下技术方案来实施的：一种强排式前置混凝抽真空方法，它包括强排式前置混凝抽真空系统，所述的强排式前置混凝抽真空系统包括凝汽器、前置混凝器、真空泵组、排水泵、真空截止阀、U型弯管和凝结水结构；
所述的凝汽器顶部设置的第一气水出口通过管道与前置混凝器一侧设置的气水入口相连接，所述的前置混凝器顶部设置的第二气水出口通过管道与所述的真空泵组内设置的进气管一端相连接；
所述的进气管另一端与真空泵本体相连接，所述的真空泵本体一侧通过管道与气水分离器连接；所述的气水分离器的另一端通过管道与板式换热器相连接，所述的板式换热器中的回流水通过管道与真空泵本体一侧相贯通；
所述的气水分离器底部设置的工作液溢流口通过管道与所述的凝汽器底部设置的工作液回水口连接；所述的前置混凝器底部设置的混凝液出口通过管道与排水泵的入口相连接；
所述的排水泵出口通过管道与凝汽器上设置的混凝液回水口连接；
采用所述的强排式前置混凝抽真空系统的抽真空方法包括如下步骤；
①、第一步开启所有的真空截止阀并保持管路畅通；
②、首先启动所述的真空泵组电机；开始建立并维持凝汽器的真空的状态，同时所述的凝结水结构喷出凝结水从喷淋入口进入至所述的前置混凝器中并开始喷淋，同时启动排水泵；
③、所述的凝汽器排出的气水混合物从的所述的气水入口中进入前置混凝器与所述的凝结水结构开始混凝换热，换热后的气水混合物自所述的气水出口排至真空泵组，部分换热冷凝的混凝液回水从所述的混凝液出口通过所述的排水泵回流至所述的凝汽器；
④、所述的气水混合物自进气管进入从真空泵本体被抽吸后再排入至所述的气水分离器中，分离后的气体自所述的排气口排放至大气，工作液回水依靠凝汽器内真空吸力从所述的工作液溢流口回流至所述的凝汽器。
在上述技术方案中：在临近所述凝汽器的一侧的所述的混凝液出口与所述的混凝液回水口之间的管道上设置有真空截止阀和U型弯管；所述的工作液溢流口与所述的回水口之间的管道上设置有真空截止阀和U型弯管。
在上述技术方案中：与每个所述的第一气水出口相连接的管道的出口处均设置有真空截止阀。
在上述技术方案中：所述的凝汽器包括顶部设置的若干个第一气水出口、底部设置的混凝液回水口和工作液回水口；
所述的前置混凝器的一侧下部设置有气水入口，另一侧上部设置有凝结水喷淋入口，所述的凝结水喷淋入口与外接的凝结水系统相连通；所述的前置混凝器顶部设置有第二气水出口，底部设置有混凝液出口；
所述的真空泵组上设置有进气管、真空泵本体、板式换热器、气水分离器和电机；所述的电机的输出端与所述的真空泵本体连接；
所述的气水分离器的顶部设置有排气口，所述的排气口与大气相通，所述的气水分离器底部设置有工作液溢流口。
在上述技术方案中：所述的凝汽器安装在所述的主厂房的深坑处，所述的前置混凝器、真空泵组和排水泵均安装所述的主厂房的0米层。
在上述技术方案中：所述气水混合物与凝结水在前置混凝器中换热后其温度可降低5-10℃、含水量减少、提升了后续真空泵的抽干空气效能。
在上述技术方案中：前置混凝器中换热后的液体，通过排水泵增压的方式回流至所述的凝汽器。
在上述技术方案中：回流至凝汽器的混凝液回水以及工作液回水的相关管道在靠近凝汽器端均设置有真空截止阀以及U型弯管。
本发明具有如下优点：1、本发明中的气水混合物与凝结水在前置混凝器中换热后其温度降低、含水量减少、提升了后续真空泵的抽干空气效能。
2、本发明中的前置混凝器中换热后的液体，通过排水泵强制排水的方式回流至所述的凝汽器，克服了沿途管道阻力，实现了资源再利用。
3、本发明中工作液回水同样回注至凝汽器进一步节约工作用水。
4、本发明中回流至凝汽器的混凝液回水以及工作液回水的相关管道在靠近凝汽器端均设置有U型弯管，其水封作用可防止空气漏入至凝汽器。
5、本发明经过综合计算结果表明较常规间接或直接空冷机组的相关系统在节省功耗、提高发电效率、节约整体运行成本等方面均有较大改善，取得了商业上的成功。
附图说明
图1为不凝结气体含量对气汽混合物放热系数的影响示意图。
图2为本发明强排式前置混凝抽真空系统示意图。
图3为本发明中真空泵组的系统布置图。
图4为现有常规抽真空系统示意图。
图中：凝汽器1、第一气水出口1.1、混凝液回水口1.2、工作液回水口1.3，前置混凝器2、气水入口2.1、凝结水喷淋入口2.2、第二气水出口2.3、混凝液出口2.4，真空泵组3、进气管3.1、真空泵本体3.2、换热器3.3、气水分离器3.4、电机3.5，排水泵4，真空截止阀5、U型弯管6、凝结水7，气水混合物8、混凝液回水8.1、气体8.2、工作液回水8.3。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
参照图2-3所示：一种强排式前置混凝抽真空方法，它包括凝汽器1、前置混凝器2、真空泵组3、排水泵4、真空截止阀5、U型弯管6和凝结水7；
所述的凝汽器1顶部设置的第一气水出口1.1通过管道与前置混凝器2一侧设置的气水入口2.1相连接，所述的前置混凝器2顶部设置的第二气水出口2.3通过管道与所述的真空泵组3内设置的进气管3.1一端相连接；
所述的进气管3.1另一端与真空泵本体3.2相连接，所述的真空泵本体3.2一侧通过管道与气水分离器3.4连接；
所述的气水分离器3.4底部设置的工作液溢流口3.4.2通过管道与所述的凝汽器1底部设置的工作液回水口1.3连接；所述的前置混凝器2底部设置的混凝液出口2.4通过管道与排水泵4的入口相连接；
所述的排水泵4出口通过管道与凝汽器1上设置的混凝液回水口1.2连接。
在靠近所述凝汽器1的一侧，所述的混凝液出口2.4与所述的混凝液回水口1.2之间的管道上设置有真空截止阀5和U型弯管6；所述的工作液溢流口3.4.2与所述的工作液回水口1.3之间的管道上也设置有真空截止阀5和U型弯管6。真空截止阀5和U型弯管6的设置可全面杜绝凝汽器混凝液回水口1.2以及工作液回水口1.3的气体泄漏。
与每个所述的第一气水出口1.1相连接的管道的出口处均设置有真空截止阀5。真空截止阀5可避免第一气水出口1.1的气体泄漏。
所述的凝汽器1包括顶部设置的气水出口1.1、底部设置的混凝液回水口1.2和工作液回水口1.3；
所述的前置混凝器2的一侧下部设置有气水入口2.1，另一侧上部设置有凝结水喷淋入口2.2，所述的凝结水喷淋入口2.2与外接的凝结水结构7相连通；所述的前置混凝器2顶部设置有第二气水出口2.3，底部设置有混凝液出口2.4；
所述的真空泵组3上设置有进气管3.1、真空泵本体3.2、板式换热器3.3、气水分离器3.4和电机3.5；所述的电机3.5的输出端与所述的真空泵本体3.2连接；
所述的气水分离器3.4的顶部设置有排气口3.4.1，所述的排气口3.4.1与大气相通，所述的气水分离器3.4底部设置有工作液溢流口3.4.2。
所述的凝汽器1、前置混凝器2和真空泵组3为了更好的回收工作液以及冷却液等系统水源，从而提升运行效率，节省运行成本。
所述的凝汽器1安装在所述的主厂房的深坑处，所述的前置混凝器2、真空泵组3和排水泵4均安装所述的主厂房的0米层。凝汽器1、前置混凝器2、真空泵组3和排水泵4可分多段安装，所以整体设备便于运输、吊装以及检修维护。
采用所述的强排式前置混凝抽真空系统的抽真空方法包括如下步骤；
①、第一步开启所有的真空截止阀5并保持管路畅通；
②、首先启动所述的真空泵组电机3.5；开始建立并维持凝汽器1的真空的状态，同时所述的凝结水结构7喷出凝结水从喷淋入口2.2进入至所述的前置混凝器2中并开始喷淋，同时启动排水泵4；
③、所述的凝汽器1排出的气水混合物8从的所述的气水入口2.1中进入前置混凝器2与所述的凝结水结构7开始混凝换热，换热后的气水混合物8自所述的气水出口2.3排至真空泵组3，部分换热冷凝的混凝液回水8.1从所述的混凝液出口2.4通过所述的排水泵4回流至所述的凝汽器1；
④、所述的气水混合物8自进气管3.1进入从真空泵本体3.2被抽吸后再排入至所述的气水分离器3.4中，分离后的气体8.2自所述的排气口3.4.1排放至大气，工作液回水8.3依靠凝汽器1内真空吸力从所述的工作液溢流口3.4.2回流至所述的凝汽器1；
参照图2所示：所述气水混合物8与凝结水7在前置混凝器2中换热后其温度降低、含水量减少、提升了后续真空泵的抽干空气效能。
参照图2所示：前置混凝器2中换热后的液体，通过排水泵4强制排水的方式回流至所述的凝汽器1，实现了资源再利用。
参照图2所示：所述的工作液回水8.3同样回注至凝汽器1进一步节约工作用水。
参照图2所示：回流至凝汽器1的混凝液回水8.1以及工作液回水8.3的相关管道在靠近凝汽器端均设置有U型弯管6，其水封作用可防止空气漏入至凝汽器1。
参照图4所示：常规抽真空系统多采取凝汽器出口与真空泵之间管道直连的方式。凝汽器1排出的气水混合物8没有经过任何处理便排入了真空泵组3，其温度高、含湿量大，真空泵常年超负荷运转，工作液温度偏高、系统真空无法保证。与此同时，气水混合物8经气水分离器3.4气液分离后，其多余工作液回水8.3从溢流口直接排放至污水池，导致了大量的水资源浪费。
下面以一组典型的间接空冷机组实际运行参数为例，计算采用了本发明的强排前置混凝抽真空系统后对机组凝汽器抽气量、凝结水用量的影响。该机组的具体参数如表1所示：
表1某间接空冷机组部分运行参数
该干空气量为参照HEI标准根据凝汽器凝汽量选取经验值得到，取m2＝61.24Kg/m3，抽气过冷度△t根据HEI标准取4.16℃。
根据如下步骤计算不同工况下蒸汽和不凝结性气体混合物中蒸汽和干空气的分压以及汽气混合物的总体积：
(1)假定汽气混合物总压为P0(kPa)，蒸汽分压为P1(kPa)，干空气分压为P2(kPa)，而P1即为凝汽器运行压力下对应的蒸汽饱和温度减去过冷度所对应的饱和压力，且根据道尔顿分压定律有P0＝P1+P2。
(2)假定凝汽器运行压力P0下对应的饱和蒸汽温度为T0(℃)，则凝汽器实际运行温度Tr＝T0-△t(℃)
(3)P1为Tr对应下的饱和蒸汽压，而P0即为凝汽器的运行压力，因此可求得干空气分压P2。根据公式1、2，可得到蒸汽及干空气混合物体积。
P2×v2＝Rg×Tr (1)
m2×v2＝V (2)
(4)假定蒸汽质量为m1，饱和蒸汽对应P1下的蒸汽比容V1可根据饱和蒸汽表查出公式3可求得蒸汽质量m1。
m1×v1＝m2×v2 (3)
根据上述计算方法，计算出设计工况，THA工况以及夏季工况对应下的抽气中干空气和蒸汽的含量以及抽气的体积，计算结果如表2所示。
表2计算结果
以上述间接空冷机组为例，对于常规冷凝真空系统，所选真空泵抽气容积为3681m3/h，抽干空气量为61.24kg/h，迭代计算可以得：当P0＝10.3kPa时，△t＝3.03088℃。当P0＝26.9kPa时，△t＝1.36135℃。
凝结水按照流量Dw＝10000kg/h，冷却水温度Tw＝20℃考虑，则当P0＝7.3KPa时，抽气质量流量q0＝212.12kg/h，抽气所带蒸汽质量流量q1＝150.88kg/h,与凝结水换热后，根据牛顿冷却定理分析计算，抽气温度由t1＝35.62℃下降为t2＝33.41℃，对应的饱和蒸汽压力为5.153kPa,则混合冷凝后由蒸汽凝结为水的质量流量q2＝123.44kg/h,故前置蒸汽冷却器冷却后的冷却水质量流量q3＝10123.44kg/h。按年运行5400小时数计算，则此部分冷却水年运行费用约为49.2万元。如果增设排污泵，按扬程20m选取，功率1.5kW，则运行功耗增加8100kJ，含排污泵在内的成本费用约15万元。工作液回水流量q4＝22626kg/h，年运行费用约为109.9万元。故当P0＝7.3KPa时，凝汽器抽真空系统用水运行费用约174.1万元，增设排污泵后的功耗增加8100kJ。同理，按相同方法计算得到，当P0＝10.3kPa时，凝汽器抽真空系统用水运行费用约245.6万元，增设排污泵后的功耗增加11421kJ；当P0＝26.9kPa时，凝汽器抽真空系统用水运行费用约641.5万元，增设排污泵后的功耗增加42086kJ。
而在采用了本发明强排式前置混凝抽真空系统之后，在前置冷却器2内的凝结水与冷却水混合后强排至凝汽器1中形成回收循环利用，工作液回水8.3回流至凝汽器1中形成循环利用，这两部分冷却水量的循环利用节省了大量额外用水，较好应对了西北地区用水紧张的局面。故本发明相较常规机组节省费用及功耗如表3所示。
表3本发明相较常规机组抽真空系统运行费用及功耗
计算结果表明，本发明公开的一种强排流式前置混凝抽真空系统，较常规间接空冷机组的相关系统在节省功耗、运行成本等方面均有较大改善。
上述未详细说明的部分均为现有技术。
