660MW超臨界機組加裝“雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵+智能控制”設備技術改造及效益分析

張 坤 劉 康 莊 磊 樊 毅

淮北發(fā)電廠 安徽 淮北 235000

0 前言

某火電機組為上海汽輪機廠生產的660MW超臨界機組，汽輪機型號為N660-24.2/566/566,型式為超臨界、一次中間再熱、單軸、凝汽式汽輪機。凝汽器為上海汽輪機汽輪機有限公司生產，型號：N-36000型，雙汽室、八水室、殼體和水室為全焊接結構。冷卻水量：73969 t/h，冷卻面積36000m2。機組的真空系統(tǒng)配置三臺湖北同方高科泵業(yè)有限公司生產的單級水環(huán)式真空泵，型號：2BW4 353-OEL4，額定功率為132kw/h。機組啟動時，三臺真空泵同時投運迅速建立真空；正常運行時，真空系統(tǒng)運行方式為兩運一備，備用泵入口別通過聯(lián)絡門與 A、C真空泵入口相連作為兩臺運行真空泵的備用，備用B真空泵受低真空和運行泵跳閘聯(lián)鎖啟動。

該電廠1號機組抽真空系統(tǒng)加裝“雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵+智能控制” 設備技術改造后，投入羅茨液環(huán)系統(tǒng)運行，機組真空系統(tǒng)提高了約0.1～0.2 kPa，從而說明此項設備技術改造在火電機組中的應用，有效降低了發(fā)電煤耗和電耗。并且解決了原真空系統(tǒng)存在的問題，且系統(tǒng)維護簡單，運行安全可靠。

1 羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造背景及可行性

1.1 目前，國內大容量凝器式汽輪機發(fā)電機組凝汽器真空系統(tǒng)水環(huán)真空泵在設計選型時，主要考慮快速啟機的響應速度和最大的允許漏氣量作為選型原則，因此在機組正常運行時，水環(huán)真空泵有較大富余量，真空系統(tǒng)電耗大。而凝汽器羅茨液環(huán)系統(tǒng)羅茨泵和小功率雙級液環(huán)泵的有效組合，不僅解決了原水環(huán)真空泵真空系統(tǒng)存在的問題，并且極限真空度高，耗能降低，維護簡單，安全可靠。而隨著對機組泄漏的深入治理，真空嚴密性基本都達到優(yōu)良水平，一般都小于200Pa/min，有的機組真空嚴密性小于100Pa/min。

1.2 由于真空系統(tǒng)包含眾多設備及法蘭接口等，影響汽輪機凝汽器嚴密性的因素較多且復雜，隨著真空系統(tǒng)的嚴密性降低，凝汽器蒸汽噴射真空系統(tǒng)可維持較高的抽吸性能，能提升更高的真空度，降低機組熱耗，提高機組效率，有效降低發(fā)電煤耗。

1.3 凝汽器在正常設計背壓下工作時，由于水環(huán)真空泵抽吸特性，隨著真空泵入口壓力的減小，其抽吸能力急劇下降；而凝汽器蒸汽噴射真空系統(tǒng)的抽氣性能可基本保持不變，僅運行1臺小功率水環(huán)真空泵可大幅度降低電耗。

1.4 夏季隨著溫度的升高，水環(huán)真空泵的汽蝕加重，性能和出力急劇下降，導致凝汽器真空變差，造成機組經濟性降低。

2 原系統(tǒng)設備的存在的問題

2.1 凝汽器真空泵在設計選型時，為保證初建真空的時間，真空泵和配套電機余量均過大，造成正常運行時，真空系統(tǒng)電耗大。

2.2 由于機組投運多年，真空嚴密性難以達到新機組的水準，而僅僅使用真空泵無法解決真空嚴密性的問題。

2.3 水環(huán)真空泵性能、出力受制于工作液溫度的變化。夏季高溫時，水環(huán)真空泵性能、出力下降，必須同時開啟兩臺真空泵才能維持真空。造成機組經濟性降低。

2.4 水環(huán)真空泵設備的內部機械性能(如裂紋問題)受汽蝕現(xiàn)象影響大，造成真空泵出力不足，甚至會出現(xiàn)轉子斷裂等情況，設備維護費用增加，并且嚴重影響機組運行安全及穩(wěn)定性。

3 羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造項目的實施

3.1 羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造原理圖(如圖1)：

圖1 羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造原理圖

3.2 原理分析

3.2.1 真空泵抽氣性能與水溫關系 當大真空泵工作液溫度升高時，在同樣真空度下隨著水溫升高其抽氣能力變差。且越接近凝汽器實際真空值衰減越多。

3.2.2 真空泵抽氣性能與真空度關系 現(xiàn)用真空泵實際抽氣能力隨真空度提高而逐漸衰減，且真空度越高，其實際抽氣能力下降越多。綜上所述，真空泵實際抽氣能力2000 m3/h，已無法滿足實際需要。而羅茨液環(huán)機組其主要抽氣性能取決于羅茨真空泵，而不是受水溫影響較大的液環(huán)真空泵，所以即使在30℃工況下仍能夠保持較大的抽氣量。由此可見在100mbar到10mbar入口真空的范圍內，羅茨液環(huán)機組處于最高效率點。同時，采用變頻的羅茨液環(huán)機組，則其抽氣能力理論可達5000m3/h。

3.2.3 該廠通過對1號機組抽真空系統(tǒng)加裝“雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵+智能控制”設備技術改造，羅茨液環(huán)系統(tǒng)羅茨泵和小功率雙級液環(huán)泵組合與大型液環(huán)泵進行轉換“接力”，機組啟動需要強大的抽氣能力時，仍然使用現(xiàn)行大液環(huán)泵(真空泵)系統(tǒng)，而在其它的絕大部分的時間里，切換至節(jié)能機組運行，以更少的耗電仍然獲得原有的吸氣能力，機組啟動時投入A、C真空泵運行時電流：324A，投入羅茨液環(huán)系統(tǒng)運行時電流：對應雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵電流約42A(如圖2)，節(jié)電能耗率由64%提高到87%。且能較好的維持凝汽器的真空度。雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵系統(tǒng)僅在影響凝汽器效率特別極端的因素，作用大到節(jié)能機組自身無法支持的情況下，通過監(jiān)控信號告知 DCS，要求啟動原有的大型液環(huán)泵，在恢復正常后，再自動切換回節(jié)能機組。這種聯(lián)動互備的改造符合節(jié)能減排的精細化營運原則。可以節(jié)約廠用電、提高真空度，達到機組節(jié)能降耗的目的。

圖2 改造后羅茨液環(huán)系統(tǒng)電流42A

4 羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造后的經濟性分析

4.1 羅茨液環(huán)系統(tǒng)運行可靠性

4.1.1 所選用羅茨液環(huán)節(jié)能機組其極限真空度比現(xiàn)用液環(huán)泵高2個數(shù)量級，因此可以保證真空度高于現(xiàn)有系統(tǒng)。同時保證抽氣量要求，避免拉不住真空度，導致大液環(huán)泵頻繁啟動，煤耗增加的風險！

4.1.2 不替代、不改變任何現(xiàn)有系統(tǒng)。任何時候，現(xiàn)有真空系統(tǒng)都是節(jié)能機組的備份系統(tǒng)。多了一套平行運行的系統(tǒng)，等于提高了現(xiàn)有真空系統(tǒng)的可靠性。

4.1.3 采用雙級變頻羅茨泵，不但可以雙重保險，而且變頻特性可以消除設備突然起停或系統(tǒng)波動的沖擊。

4.1.4 智能PLC變頻可以根據(jù)季節(jié)或電廠管理經驗調整，自動或編程調整運行速度，優(yōu)化節(jié)能和工藝維護。

4.1.5 系統(tǒng)采用雙級液環(huán)泵，與單級液環(huán)泵相比，不但效率高、真空度高，而且不容易發(fā)生氣蝕的風險。

4.1.6 系統(tǒng)由DCS指揮，可以通過溫度、壓力和水位傳感器自動感知系統(tǒng)運行情況，隨時反饋調整。

4.2 提高真空、降低煤耗 羅茨液環(huán)系統(tǒng)投入運行優(yōu)于原水環(huán)真空泵系統(tǒng)，不再受環(huán)境溫度影響，相較原凝汽器水環(huán)真空泵系統(tǒng)可至少提高真空度0.1～0.2 kPa(年平均值)。且當機組嚴密性變差時，羅茨液環(huán)系統(tǒng)對真空度還有更大的提高空間。

4.3 降低電耗 機組正常運行時，羅茨液環(huán)系統(tǒng)設備投運后運行穩(wěn)定，羅茨泵和小功率雙級液環(huán)泵組合，用電功率小，可大幅度降低電耗。

4.4 計算部分

1.一臺660MW機組節(jié)電：按照改造后“雙級雙葉羅茨泵+雙級液環(huán)泵+智能控制”單臺機組運行時能耗53kw/h，水環(huán)真空泵2臺運行時能耗2*148kw/h，汽輪發(fā)電機組運行4000h，每度電0.3844計算，節(jié)約電耗費用：(2*148-53)*4000*0.3844=373636.8元

2.一臺機組提高凝汽器真空：年均提高凝汽器真空 0.1～0.2kPa(每提高 1kPa 對應煤耗下降數(shù)：2.35 g/kwh)，按照提高凝汽器真空 0.1kPa，平均400MW負荷，運行4000h，標煤單價800元計算，節(jié)約煤耗費用：0.1*2.35*400000*4000*800*10-6=300800元

3.現(xiàn)用大液環(huán)泵系統(tǒng)僅在建立凝汽器真空的幾十分鐘內使用，其余幾千小時均作為備用。基本免維護。因此一臺機組可年節(jié)約大液環(huán)泵維護費用：1*8= 8萬元

4.改造后每年節(jié)約費用：373636.8+300800+80000=754436.8元

5 結束語

通過羅茨液環(huán)系統(tǒng)改造后性能試驗，對比該火電廠1號機組凝器羅茨液環(huán)系統(tǒng)投入/切除時，凝汽器真空度和真空泵電流等參數(shù)的變化，羅茨泵和小功率雙級液環(huán)泵切換至節(jié)能運行，以三分之一或更少的耗電仍然獲得原有的吸氣能力，維持汽凝器的真空度。系統(tǒng)實現(xiàn)無憂切換，改造后機組真空系統(tǒng)的安全可靠性得到提高。

從提高機組經濟性、降低煤耗和廠用電率、增加經濟收入等方面出發(fā)，我們認為羅茨液環(huán)系統(tǒng)在火電廠的應用，明顯優(yōu)于原水環(huán)真空泵抽吸真空系統(tǒng)，不再受環(huán)境溫度影響，比原凝汽器水環(huán)真空泵系統(tǒng)提高真空度0.2KPa(年平均值)。大幅度降低廠用電，設備可靠性增強、經濟性顯著。