真空系統加裝蒸汽噴射器的應用探討

朱太春，張偉

(神華國華永州發電有限責任公司，湖南 永州425000)

凝汽器是火力發電廠的重要輔機設備，其真空的好壞，對發電廠的安全、經濟、高效運行有著直接影響〔1〕。大容量凝汽式發電機組在凝汽器背壓高于設計值時，背壓每升高1 kPa，機組熱耗增加0.5%～1%不等。影響凝汽器真空因素較多，其中漏入凝汽器空氣未能及時抽走是主要因素之一。漏入凝汽器的空氣如果不能及時抽走，會在在凝汽器管束表面形成一層氣膜，嚴重降低傳熱性能，小到0.05%的空氣含量就可使蒸汽的凝結放熱系數降低80%以上。提升凝汽器抽氣能力及效率是維持凝汽器高真空的重要手段。

1 水環真空泵工作原理及運行現狀

目前國內600 MW 以上火電機組真空泵基本上使用的是水環式真空泵。國內近期投產機組主要選擇性能較優異的雙級泵，雙級泵具有最低背壓低，抗汽蝕能力強、運行功耗低等特點。

1.1 水環真空泵存在的主要問題

通過對多臺機組水環真空泵進行狀況調查，存在的共性問題有:

1)夏季工況下抽氣能力普遍下降。其它季節相比，夏季工況時，真空達不到預期真空，直接影響到機組帶負荷能力。

2)真空泵噪音大。處于真空泵附近的噪音明顯超標，造成廠區工作噪聲不達標。

3)真空泵葉輪裂紋。對真空泵進行解體檢查，真空泵葉輪上有裂紋，需要對裂紋進行補焊處理，運行中裂紋存在降低了設備可靠性以及增加了運維成本。

1.2 水環泵存在問題分析

水環泵是采用水作為工作介質〔5〕，葉輪偏心安裝，通過內部容積的改變來達到吸氣、排氣的效果。工作水由于受到壓縮、摩擦以及受到氣體所帶的蒸汽的冷凝熱而溫度上升。工作水需要通過循環水進行冷卻，當出現循環水溫過高、換熱器結垢或冷卻水量減少等異常工況時會導致工作水溫上升。水環泵的極限抽吸壓力受制于水溫，當抽吸壓力等于工作水的飽和蒸汽壓力時，部分工作水汽化而產生汽泡，汽泡破裂時產生噪聲并會沖擊葉輪而出現汽蝕現象。此時，汽化的汽體充滿內部的容積而不再有抽吸其它氣體的能力。

1.3 現場解決辦法

1.3.1 工作液體定期置換

夏季工況，為降低真空泵工作水溫度，需要定期對真空泵進行補排水來降低工作水的溫度，降低汽化發生。

1.3.2 技術改造

技術改造手段主要有2 種思路，一種改造思路是將空調水通入真空泵熱交換器來降低工作水溫度，另一種思路是在真空泵前一級加裝噴射裝置，達到提升抽吸能力，改善真空泵工作環境。

2 蒸汽噴射器介紹

2.1 蒸汽噴射器工作原理

噴射器是完成能量轉換的一種裝置，它是由一定能量(壓力和流量)的工作流體，將靜壓能轉換為動能，經過噴嘴射出形成高速射流。由于射流和空氣之間產生卷吸作用和紊動擴散作用，把吸入室的氣體帶走，使該處產生局部真空狀態，在外界大氣壓力的作用下，使被吸流體進入泵室，隨同高壓高速流體被帶入喉管，與之混合，并進行能量交換，在喉管內，由于氣體分子的紊動作用，工作流體將一部分動能及熱能傳給被吸流體，使被吸流體的動能和熱能得以加強，工作流體的速度隨之減緩，而被吸流體速度逐步加快，在喉管末端，兩股流體速度逐漸趨于一致，混合進入擴散室，然后流速逐步降低，壓力上升。

噴射器原理圖如圖1，噴射器的主要部件有:工作噴嘴，接受室，混合室，擴散器。

圖1 噴射器簡圖

2.2 蒸汽噴射器與水環真空泵工作特點

將噴射器應用到火電廠凝汽器抽真空系統是一種比較成熟做法。目前這種配置在歐洲國家使用比較普遍，國內如北侖2 號機阿爾斯通進口機組、華電蒙能包頭公司、國華舟山電廠4 號機組、在建的臺山核電1750 MW 機組等電廠真空系統也是采用這種配置。蒸汽抽汽器+水環真空泵組合原理圖見圖2。

蒸汽抽汽器原理利用蒸汽作為工作氣流，蒸汽和凝汽器抽吸來的引射氣流混合進入冷卻器，對水蒸汽進行冷凝。這種噴射器+真空泵組合特點有:

圖2 蒸汽噴射加水環真空泵

1)提高了真空泵入口背壓，有效防止水環真空泵汽蝕，提高設備運行的安全性。根據某廠改造前后對比，發現就地1 號機組(改造后)和2 號機組(沒有改造)相比，1 號機組真空泵運行汽蝕噪音明顯比2 號機組小。

2)降低真空泵組的極限背壓，理論上可以達到1 kPa 以下，有效的保證機組處于最佳背壓下運行，降低機組熱耗。

3)相對于大氣噴射器系統，此系統提高真空泵入口背壓的同時不增加干空氣量，真空泵選型可以較常規泵降低一個等級，降低機組廠用電率。機組正常運行僅需要運行1 臺34%容量真空泵即可以維持凝汽器所需最低真空。

3 某廠安裝蒸汽抽汽器的性能試驗數據

3.1 某廠改造前后概況

某廠1 號機組汽輪機是由哈爾濱汽輪機廠設計制造的N600 －16.67/538/538 型汽輪機，該機組于2006年投產。改造前抽真空系統設置3 臺日本鶴見雙級真空泵EVMA200，電動機功率110 kW，正常運行時2 臺運行1 臺備用。因真空泵夏天時工作水溫高，工作液出現汽化現象，真空泵出力明顯不足。在2014年大修期間，將抽真空系統改造成3 臺50%容量真空泵+2 臺50%蒸汽抽汽器系統。改造后，正常1 臺50%真空泵+2 臺50%蒸汽抽汽器運行，真空泵電耗整體下降，真空也相應提高。

3.2 某廠按裝蒸汽抽汽器后的性能試驗數據(表1)

表1 某廠2014年11月7日性能試驗數據

從表1 分析可以看出，蒸汽抽汽器投入前真空泵2 臺運行投入后1 臺真空泵運行，電流節約170 A 左右，高低壓真空分別提高0.41 kPa 和0.22 kPa，真空平均提高0.3 kPa 左右。按低壓缸排氣溫度對應飽和壓力計算，高低壓側分別提高0.19 kPa 和0.37 kPa，平均提高0.28 kPa。

3.3 某廠按裝蒸汽抽汽器的性能試驗數據(表2)

表2 某廠2014年11月8日性能試驗數據

從表2 分析可以看出，蒸汽抽汽器投入前真空泵2 臺運行投入后1 臺真空泵運行，電流節約170 A 左右，高低壓真空分別提高0.3 kPa 和0.1 kPa，真空平均提高0.2 kPa 左右，按低壓缸排汽溫度對應飽和壓力計算，高低壓側分別提高0.23 kPa 和0.33 kPa，平均提高0.28 kPa。

從某廠2 次性能實驗數據可以看出，真空系統投入蒸汽噴射裝置后，機組真空都相應提高，真空泵電耗明顯下降。

4 加裝蒸汽抽汽器安全性分析

1)配置蒸汽抽汽器后〔3〕，真空泵入口壓力提高到了約12 kPa 左右，使得真空泵工作在良好的工況區，不再出現汽蝕現象，不僅避免了葉輪裂紋斷裂問題，而且降低了真空泵運行的噪音，同時真空泵允許的工作水溫也可以更高。

2)蒸汽抽汽器為靜止設備，日常維護工作幾乎為零。

3)凝汽器背壓的降低，汽輪機末級葉片含濕量增加，存在葉片水沖刷風險。從大型汽輪機制造廠得知，葉片從設計和制造工藝上均進行了防水沖刷保護(末級葉片焊司太立合金)，可以在較低背壓下運行，對汽輪機安全性也無影響。

4)因真空泵選型等級降低，當蒸汽抽汽器故障后真空泵抽干空氣能力將下降。為了保證機組的可靠性，可以選用3 臺34%容量真空泵，正常工況時維持1 臺運行，蒸汽噴射器故障時，3 臺真空泵同時運行。

5 加裝蒸汽抽汽器經濟收益分析

5.1 加裝蒸汽抽汽器節省電耗收益

配置蒸汽抽汽器后，真空泵入口背壓升高同時干空氣量不增加，按照機組年運行270 天，按照電機負載率80%計算，節約用電大約72.6 萬kWh，將可以使真空泵電機功率下降60%以上，電價按0.49 元/kWh 計算，年節約費用35.6 萬元。

5.2 加裝蒸汽抽汽器節省煤耗收益

因某廠性能實驗是11月份做的，而蒸汽抽汽器夏季運行時對真空提高更具優勢，但無相關數據，經濟收益暫按此次性能試驗數據計算。

根據某廠1 號機組改造后實驗數據可以看出，真空系統投入蒸汽噴射裝置后機組真空提高了0.28 kPa(性能試驗中真空平均提高值)，機組真空每提高1 kPa 可以節約煤耗2 g/(kW·h)

按全年運行6 500 h，機組平均負荷70%，標煤單價700 元/t 計算:

機組測量真空提高帶來的節能收益:

(1046 × 70% × 103)× 6500 ×(0.28 × 2 ×10－6)×700 =186.6 萬元

5.3 加裝蒸汽抽汽器動力蒸汽成本核算

高低壓側設置2 套蒸汽抽汽器，按蒸汽抽汽器汽源來至輔汽聯箱計算，凝結水消耗250 t，總蒸汽消耗0.9 t，根據哈汽廠熱平衡圖計算結果，采用四段抽汽作為供汽汽源可降低做功能力252 kW，按年運行6 500 h，電價價按0.49 元/kWh 計算，動力蒸汽成本為:252 ×6 500 ×0.49 =80.3 萬元。

5.4 加裝高低壓側設置蒸汽抽汽器總收益

35.6+186.6 －80.3 =141.9 萬元/年

6 初投資費用

1)真空系統選用兩級蒸汽抽汽器+3 ×34%容量真空泵，總投資約369 萬元，包含調試費用。

2)抽真空系統中不設置蒸汽抽汽器，系統需設置3 ×110 kW 納士雙級真空泵，按每臺65 萬元計算，約195 萬元。

3)如果真空系統選用(蒸汽抽汽器+ 3 ×34%容量真空)，相當于增加總投資174 萬元，約一年6 個月即可收回投資成本。

7 結論

凝汽器抽氣系統通過安裝蒸汽噴射器，既提高了真空系統運行的安全性，又提高了運行經濟性，約1年6 個月可回收投資成本，并且有具體運行實例，值得在火力發電廠運用及推廣。

〔1〕王微，張曉波，等． 凝汽器真空泵加裝大氣噴射器技術改造〔J〕． 內蒙古電力技術，2004，22(5):101-102．

〔2〕鄧榮才． 水環式真空泵對凝汽器真空的制約與改善〔J〕． 大眾科技，2011，143(7):134-135．

〔3〕羅少榮． 水環式真空泵加裝大氣噴射器的改造〔J〕． 機電信息，2010，(18):7-8．

〔4〕陳玉堂． 水環式真空泵汽蝕原因分析及改造方案〔J〕． 中小企業管理與科技． 2009，(21):250-252．

〔5〕王學義． 工業汽輪機技術〔M〕． 北京:中國石化出版社． 2011．