真空除氧器低位安装布置计算及经济性比较？
 

      真空除氧器低位安装布置计算及经济性比较？真空除氧器布置需结合主厂房布置综合考虑，其布置高度必须确保机组各种运行工况下，给水泵不发生汽蚀，而甩负荷工况为给水泵汽蚀的恶劣工况。在南海发电厂2x600MW热电联产工程设计投标中，通过真空除氧器暂态计算程序，精确计算甩负荷工况时给水泵的汽蚀情况，根据暂态计算结果及经济性比较，终确定真空除氧器低位布置于13.7m运转层，对降低造价、节省工程投资意义重大。
      南海发电一厂现有装机容量2x200MW，二期工程2x300MW燃煤供热机组正在进行建设，计划2009年建成投产。本工程在电厂二期工程预留的场地内建设两台600MW超临界抽凝式机组。一台600MW燃煤供热机组，计划2011年12月投产；二台600MW燃煤供热机组开工日期待定，两台600MW机组投产后全厂装机容量2200MW。
      目前国内600MW超临界机组真空除氧器基本都布置在除氧间，且在除氧间各层布置汽泵前置泵、低压加热器、高压加热器等设备。真空除氧器根据布置高度的不同分为高位布置和低位布置。很多工程考虑到给水泵运行的安全，真空除氧器通常采用高位布置。
      而真空除氧器低位布置具有很多的优越性，它既可减少主厂房土建费用，又可减少与真空除氧器相连管道如四段抽汽、低压给水、高加疏水等管道长度，节约管材投资，但是真空除氧器低位布置会影响给水泵汽蚀情况，需进行真空除氧器暂态计算以确保甩负荷工况下给水泵不发生汽蚀。
      为体现“安全可靠、经济实用”，“两高一低”的建设方针，贯彻“资源大化，效益大化”的设计指导思想，我们突破主厂房传统布置思路，按照建设节约型电厂的指导思想，根据真空除氧器暂态计算结果对南海工程真空除氧器的布置高度进行优化。
国内外真空除氧器布置标高概况
      关于真空除氧器布置标高的确定，《火力发电厂设计技术规程》中明确规定：真空除氧器给水箱的安装标高，应保证在汽轮机甩负荷瞬态工况下，给水泵或前置泵的进口不发生汽化。国内部分超临界机组根据规程要求，综合考虑设备、管道及检修空间等因素，确定真空除氧器布置标高情况见表1。
      在电厂3x660MW机组施工图设计中，广东省电力设计研究院作为工程顾问，与项目总包单位公司进行合作设计。表2给出了公司设计的部分电厂真空除氧器布置情况。
表1国内部分超临界机组真空除氧器布置情况
电厂名称 沁北电厂一期 珠海发电厂 潮州三百门电厂 阜阳华润电厂
装机容量(MW) 2x600 2x600 2x600 2x600
除氧给水箱中心线标高(m) 29.0 28.94 28.50 27.5
前置泵中心线标高(m) 1.092 0.89 0.645 0.9
真空除氧器水箱正常水位容积(m3) 235 235 235 235
真空除氧器工作压力(MPa) 1.13 1.012 0.7 1.331
单台给水泵流量(t/h) 1178 1055 1026 1068
下降管管径(mm) 480 480 480 480
表2公司设计的部分机组真空除氧器布置情况
电厂名称 A.L.M
(MEXICO) MAJUBA
(SOUTHAFRICA) CEGB
(U.K) ShaJiaoC
(CHINA)
装机容量(MW) 4x350 6x660 1x900 3x660
真空除氧器给水箱中心线标高(m) 13.80 18.93 19.05 14.95
给水泵及前置泵中心线标高(m) 1.1 1.0 1.6 1.2
真空除氧器给水箱正常水位容积(m3) 100 280 233 183
真空除氧器工作压力(MPa) 1.232 0.44 0.79 1.17
单台给水泵流量(t/h) 598 1008 1441 1051
下降管管径(mm) 260.3 355.6 400 333.3
      从表2可以看出，国内600MW超临界机组真空除氧器布置标高与公司设计电厂的真空除氧器布置标高有较大差异，国内机组真空除氧器一般为高位布置，中心线标高约为27-29m，而公司设计电厂的真空除氧器为低位布置，中心线标高约为13-19m。与设计电厂相比，目前国内600MW超临界机组真空除氧器布置标高具有较大的裕量，并且由于目前国内1000MW超超临界机组真空除氧器中心标高也为27-29m左右，这也从侧面证明了600MW机组真空除氧器布置标高存在一定裕量。
      真空除氧器布置标高直接影响除氧层标高，进而影响主厂房建筑总体积、单位千瓦主厂房容积、单位千瓦造价、主厂房静态投资等指标。因此找出国内外差异的原因，进而参考国外先进的布置理念，合理地降低真空除氧器布置标高，对降低造价、节省投资意义重大。
      然而，真空除氧器无论采用高位布置还是低位布置，都应该保证甩负荷的危险情况下给水泵不汽蚀，因此有必要进行真空除氧器暂态计算。
真空除氧器暂态计算
汽蚀现象
      当泵入口某处水流的压力低于其温度对应的饱和压力时，水发生汽化，并且原来溶解于水中的气体也同时逸出，形成蒸汽、气体泡。这些充满着蒸汽和气体的空泡很快胀大，并随着水流向前运动。当空泡流到压力较高的地方时，充满着蒸汽和气体的空泡迅速凝缩、溃灭。空泡溃灭时，水以高速填补空泡的位置，在空泡中心形成微射流，射流速度高达100m/s,且水流彼此发生撞击，形成局部水击，这种现象称为汽蚀现象。
      泵在汽蚀工况下运转时，空泡破灭产生的高压力，频繁地打击在过流部件上，使材料受到疲劳，产生机械剥蚀。同时，逸出气体中的氧气，藉助空泡凝缩时放出的热量，对材料产生化学腐蚀。由于汽蚀现象的危害性，所以我们应保证任何工况下给水泵不发生汽蚀。
真空除氧器暂态计算
给水泵不发生汽蚀的条件
      给水泵不汽蚀的基本条件为泵入口汽蚀富裕压头NPSH大于零，即有效汽蚀余量NPSHa大于必需汽蚀余量NPSHr：NPSH=NPSHa-NPSHr=0其中NPSHa取决于真空除氧器运行压力、真空除氧器水箱水位与泵中心线高差及管道阻力等因素，而NPSHr取决于泵本身的特性，如结构、转速和流量，其值由给水泵制造厂提供。经整理，汽蚀富裕压头可由下式得到：
      NSPH=(H-h-NPSHr)-(-)令Δh=(H-h-NPSHr)ΔH=(-)则NPSH=Δh-ΔH其中H为真空除氧器水箱水位与给水泵中心线之间的高度差，m；h为下降管管道及附件的阻力，m；Pd为真空除氧器饱和水压力，Pa；ρd为真空除氧器饱和水密度，kg/m3；Pv为泵入口流体的饱和压力,Pa；ρv为泵入口流体密度,kg/m3；g为重力加速度,m/s2；Δh为稳态时泵的汽蚀富裕压头，m；ΔH为甩负荷时附加的汽蚀富裕压头下降值，m；在机组甩负荷时，真空除氧器内饱和水温度及压力不断下降，由于流体从真空除氧器出口到泵入口需要一定的流动时间，因此泵入口流体温度大于真空除氧器内饱和水的温度，此时：ΔH=0因此甩负荷工况时，由于附加汽蚀富裕压头下降值的存在，汽蚀富裕压头相对于稳态有所减小，即表示甩负荷工况会恶化给水泵汽蚀的条件，因此我们应进行真空除氧器暂态计算以确保甩负荷工况时给水泵不汽蚀。
真空除氧器暂态计算
根据南海2x600MW工程投标资料，真空除氧器暂态计算主要输入参数如下：
      (1)热力参数按VWO工况下热平衡图；
      (2)真空除氧器水箱正常水位容积为180m3；
      (3)各低压加热器数据参考同类型机组；
      (4)因汽泵前置泵设备尚未确定，参考潮州1，2号2x600MW机组工程设备情况，汽泵前置泵必需汽蚀余量(VWO工况下0%NPSHr)估取为3.5mH2O；
      为了分析和对比真空除氧器高低位布置给水泵汽蚀情况，本文分别计算了真空除氧器高位布置和低位布置方案，两个方案输入参数见表3。
表3真空除氧器暂态计算参数表项目 单位 低位布置 高位布置
计算总时间 s 300 300
低压给水管径 mm 426x10 426x10
除氧水箱计算水位至前置泵中心线高度差 m 16.20 24.50
滤网阻力 m 0.9 0.9
下降管局部阻力系数(不包括滤网阻力)   1.55 1.55
下降管等值粗糙度 m 0.0002 0.0002
下降管长度 m 23.1 32.6
甩负荷时单台给水泵流量 kg/s 263.9 263.9
甩负荷时除氧水箱内饱和水焓 kJ/kg 784.4 784.4
甩负荷时5号低加进入真空除氧器的凝结水焓 kJ/kg 676.9 676.9
凝汽器热井水焓 kJ/kg 158.8 158.8
下降管道内水重 kg 2612.2 3686.4
除氧水箱贮水重量与金属当量水重之和 kg 193713 193713
5号低加至真空除氧器管道内凝结水重量及金属当量水重之和 kg 17540 18721
热井至真空除氧器凝结水重量及所有低压加热器金属当量水重之和 kg 78930 84244
汽泵前置泵必需汽蚀余量 m 3.5 3.5
计算结果和讨论
暂态过程汽蚀富裕压头下降值
      暂态过程汽蚀富裕压头下降值是一个关键的参数，图1给出了真空除氧器高低位布置暂态过程的汽蚀富裕压头下降值随时间的变化，从图中可以看出，暂态过程汽蚀富裕压头下降值在开始阶段为增大，中间某一时刻达到峰值，随后开始减小,其中汽蚀富裕压头下降值大时刻为暂态过程给水泵汽蚀的危险时刻，此时给水泵的有效汽蚀余量为小，汽蚀富裕压头也小。真空除氧器高位布置的大汽蚀富裕下降值大于低温布置的下降值，这是因为真空除氧器高位布置时，其下降管长度相对较长，滞后作用也强，因此真空除氧器高位布置的附加的汽蚀富裕压头下降值要大于真空除氧器低位布置的下降值。
表4真空除氧器高低位布置暂态计算结果比较
项目 单位 低位布置 高位布置
真空除氧器中心线标高与给水泵中心线标高之差 m 16.20 24.50
除氧间除氧层标高 m 13.7 22.0
汽泵前置泵必需汽蚀余量 m 3.5 3.5
稳态时有效汽蚀余量 m 14.80 23.08
稳态时汽蚀富裕压头 m 11.30 19.58
暂态过程中小汽蚀富裕压头发生时刻 s 147.50 156.0
汽蚀富裕压头小时刻附加的汽蚀富裕压头下降值 m 6.00 8.14
暂态过程中小汽蚀富裕压头 m 5.31 11.44
汽蚀富裕压头小时刻真空除氧器饱和水温度 ℃ 160.38 159.39
汽蚀富裕压头小时刻真空除氧器饱和水压力 MPa 0.6233 0.6079
汽蚀富裕压头小时刻给水泵入口流体温度 ℃ 163.51 163.68
汽蚀富裕压头小时刻泵入口流体温度对应的饱和压力 Mpa 0.6745 0.6774
暂态过程中给水泵是否发生汽蚀 - 否 否
暂态过程中给水泵汽蚀曲线
图2给水泵汽蚀曲线
      图2给出了暂态过程给水泵的有效汽蚀余量随时间的变化情况，从图中可以看出在甩负荷工况下任何时刻给水泵的有效汽蚀余量曲线都在给水泵的必需汽蚀余量之上，并且具有一定的裕量，即表示无论真空除氧器采用低位布置和高位布置，甩负荷工况时给水泵都不会发生汽蚀。对于真空除氧器低位布置在13.7m除氧层，暂态过程中小汽蚀富裕压头约为5m，而对于真空除氧器高位布置在22.0m除氧层，暂态过程中小汽蚀富裕压头为11.2m，值得说明的是本文真空除氧器暂态计算没有考虑泵入口滤网堵塞时对汽蚀富裕压头的影响，然而一般滤网发生50%堵塞时滤网阻力增大约3-4m，由于目前小汽蚀富裕压头裕量较大，即使考虑汽泵前置泵入口滤网发生50%堵塞，给水泵仍不会发生汽蚀。
计算结果对比
      表3给出了真空除氧器高位布置和低位布置计算结果的一些关键参数的比较。从表中也可验证，真空除氧器无论采用高位布置还是低位布置，暂态过程中给水泵都不发生汽蚀。
真空除氧器高低位布置经济性比较
      真空除氧器布置标高的不同，会直接影响真空除氧器层标高，进而影响主厂房土建投资，同时相应管道投资也不同，所以需要综合经济技术分析以选择优的布置方案。相对于真空除氧器布置于22.0m层，真空除氧器低位布置于13.7m节约投资如下：
(1)土建结构投资
      真空除氧器布置在13.7m运转层，相对于真空除氧器布置在22.0m除氧层，汽机房长度为149.2m，除氧间跨度为9m，主厂房容积相应减少：149.2×9.0×22149.2×9.0×13.7=11145.24m3土建造价暂按300元/m3计算，则节省费用：11145.24×300=334.4万元
(2)管道投资
      相对于真空除氧器高位布置，真空除氧器低位布置节约相关工艺管道如低压给水、四段抽汽、凝结水、高加疏水及给水再循环等管材投资约15万。
      综合土建结构费用及管道投资，真空除氧器低位布置共节约投资350万。因此本工程推荐除氧间低位布置在13.7m运转层。
      通过方案比较和经济性分析，在给水泵不发生汽蚀的前提下，推荐真空除氧器采用低位布置在13.7m运转层，相对于布置在22m除氧层，节约投资约350万元，有利于减少主厂房建筑总体积、单位千瓦主厂房容积、单位千瓦造价等关键指标。