高效氣冷羅茨真空泵組在汽輪發電機組的節能應用

洪小江，曾名劭

（1.贛浙國華信豐發電有限責任公司，江西 信豐 341600；2.江西贛能股份有限公司豐城二期發電廠，江西 豐城 331100）

0 引言

《煤電節能減排升級與行動計劃（2014-2020年）》出臺后，各燃煤發電企業在節能降耗方面不斷從運行管理和設備節能改造上挖掘潛力。如何降低火力發電廠最大的熱損失項，汽輪機冷源熱損失及廠用電是各火電廠節能降耗的重要抓手。但是由于水資源費改革不斷深入，征收標準逐步提高，超定額取水收取階梯水資源費制度的落實，限制了采用貫流式冷卻的火力發電廠冷源損失優化的途徑，從真空泵著手優化凝汽式汽輪發電機組冷源損失，有較好的經濟性。

1 設備概況

某發電廠2×700 MW 超臨汽輪發電機組由上海汽輪機有限公司設計制造，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式汽輪機。凝汽器為上海動力設備有限公司生產的N-40000 型單流程、雙背壓、雙殼體表面式凝汽器，設計背壓為4.9/11.8 kPa。凝汽器冷卻水取自距江水，冷卻汽輪機排汽后回到取水口下游江中。3 臺水環式真空泵為上海鶴見真空工程有限公司制造的200 EVMA兩級水環真空泵，配套電機額定功率110 kW。

2 改造前的系統

原有凝汽器真空泵組配置有3 臺50%容量的水環式真空泵，正常運行時，2 臺運行，分別接于高低背壓凝汽器，1 臺備用。機組啟動時，3 臺真空泵同時運行，可滿足30 min 內達到機組啟動所要求的真空值。原有凝汽器真空系統如圖1所示。

圖1 原有凝汽器真空系統

3 改造背景

3.1 水環式真空泵存在的主要問題

1）水環式真空泵組為滿足機組啟動時快速建立真空時間小于30 min，在真空泵及其配套電機選型上采用了比較大裕量，導致機組在正常運行時能耗較大。

2）水環式真空泵性能、出力直接受冷卻水的影響，其最高真空值為工作水溫對應的蒸汽飽和壓力。夏季工況下，冷卻水溫高，真空泵性能、出力急劇下降，凝汽器真空下降，機組經濟性降低。

3）水環式真空泵運行中泵體內容易發生汽蝕，內部機械裂紋、斷裂的問題較多，可靠性降低。

4）水環式真空泵工作原理是利用泵內腔體容積的變化來實現吸氣、壓縮、和排氣的，其效率一般比較低，僅為30%左右。

3.2 改造方案選擇

改造方案在保留原有3 臺真空泵及系統的情況下，新增2臺羅茨－水環高效真空泵組，分別與高、低壓凝汽器殼體連接。運行時蒸汽和不凝結氣體先進入羅茨泵，加壓后經冷卻器冷凝再進入下級水環泵，由于提高了水環泵的入口壓力，可保證水環泵高效穩定運行。改造后，機組凝汽器真空系統共有5 臺真空泵組，高、低壓抽真空系統各自獨立。在機組啟動建立真空時，先啟動原水環式真空泵快速抽真空，在正常運行期間，使用氣冷羅茨-水環真空機組維持真空，通過以小代大的方式，從而達到高效節能的目的。運行方式為2運3備，設備間有可靠的邏輯聯鎖控制系統，運行可靠性較高。機組真空系統發生嚴重泄漏或氣冷羅茨-水環真空泵不能維持凝汽器真空時，將原有水環式真空泵其中一臺或兩臺投入運行，以滿足機組凝汽器真空要求。改造后凝汽器真空系統如圖2所示。

圖2 改造后凝汽器真空系統

3.3 經濟性初步分析

某廠技改前每臺機組配置有3 臺水環真空泵，電機功率為110 kW，額定電流為226 A，采取2用1備的運行方式，正常運行時每臺真空泵電流在170 A 左右。通過可研分析，如增加兩臺羅茨－水環高效真空泵組替代運行中原有水環式真空泵運行，每臺高效真空泵組在凝汽器真空嚴密性下降率≤200 Pa/min 的條件下能維持原有凝汽器真空值，每臺氣冷羅茨-水環真空泵組實際運行電流約為50 A，較原有水環真空泵下降120 A 左右，節能降耗明顯。因此，從降低廠用電率、提高機組運行及設備可靠性等方面考慮，對凝汽器抽真空系統進行改造是很有必要的[1-3]。

4 氣冷羅茨水環真空泵組特點及應用方案

4.1 氣冷羅茨-水環真空泵組特點

氣冷羅茨-水環真空泵組主要由氣冷羅茨真空泵、水環真空泵、氣體冷凝器、氣水分離器、換熱器、儀表、電器元件等組成。

氣冷式羅茨真空泵工作原理與羅茨風機相似，采用梅花形轉子與兩個半圓形泵體，依靠轉子的擠壓而產生較高的流速與壓差，可在高壓差下長期穩定地工作且進出口差壓較大。氣冷式羅茨真空泵作為真空泵組的主泵，在較低的入口壓力時有較大的抽氣速率，但不能單獨使用，必須與前級真空泵串連，待被抽系統的壓力被前級泵抽到允許入口壓力時才開始工作。

氣冷羅茨-水環真空泵組水環真空泵作為氣冷羅茨真空泵的前級泵，由水環真空泵先把入口壓力抽到氣冷羅茨真空泵允許的入口壓力，再啟動氣冷羅茨真空泵。氣冷羅茨真空泵啟動后，形成氣冷羅茨真空泵+水環真空泵串聯運行狀態，氣冷羅茨真空泵排出的氣體由水環真空泵抽走[4-5]。

4.2 氣冷羅茨-水環真空泵組啟停操作要求

為保障氣冷羅茨-水環真空泵組正常使用，提高機組運行的可靠性，對真空泵組啟動時做出以下規定：汽輪發電機組啟動正常后，負荷350 MW 以上，全面檢查真空系統無明顯漏空氣，將機組水環式真空泵倒至高效真空泵運行；DCS 遠方啟動高效真空泵組，水環真空泵啟動后，吸入壓力達到16 kPa時，氣冷羅茨真空泵連鎖啟動；入口蝶閥后壓力達到10 kPa 時，打開入口蝶閥，氣冷羅茨-水環真空泵組接入系統運行。退出運行時規定如下：停運時先關閉氣冷羅茨-水環真空泵組入口氣動蝶閥；停止高效羅茨真空泵組，檢查羅茨真空泵、水環真空泵相繼停運；手動打開高效真空泵組的破真空閥，無吸空氣后關閉；如長時間停止使用時或在冬季為防止凍裂冷卻水夾套，將泵夾套冷卻水的殘余冷卻水存水放盡。

4.3 熱工邏輯優化設置

為提高機組凝汽器真空系統運行的可靠性，熱工邏輯進行以下調整設置。

1）汽輪機凝汽器壓力小于10 kPa，允許啟動氣冷羅茨-水環真空泵組。

2）氣冷羅茨-水環真空泵組入口壓力大于16 kPa，氣冷羅茨-水環真空泵組允許啟動。

3）氣冷羅茨-水環真空泵氣水分離器液位低于60 mm，延時120 s聯停真空泵組。

4）氣冷羅茨泵入口壓力大于13 kPa聯停羅茨泵。

5）水環真空泵組A投入備用時，如E氣冷羅茨-水環真空泵組停止或B凝汽器壓力大于14 kPa，聯啟。

6）水環真空泵組C投入備用時，如D氣冷羅茨-水環真空泵組停止或A凝汽器壓力大于13 kPa，聯啟。

7）水環真空泵組B投入備用時，如E氣冷羅茨-水環真空泵組停止，10 s內如水環真空泵組A未運行，聯啟真空泵組B，同時聯開對應側凝汽器抽真空氣動閥。

8）水環真空泵組B 投入備用時，如D 氣冷羅茨-水環真空泵組停止，10 s 內如水環真空泵組C 未運行，聯啟真空泵組B，同時聯開對應側凝汽器抽真空氣動閥。

5 改造過程遇到的問題

第一臺機組改造時高效羅茨真空泵組入口抽真空管位置較低，導致機組運行一段時間后管道內有汽水冷卻存積，啟動原水環式真空泵時管道有明顯的振動異響，水環式真空泵短時無出力且運行電流不正常偏大，后通過增加聯通管及時將積水排出后得以解決。

6 高效羅茨真空泵組改造后節能分析

氣冷羅茨-水環真空泵組代原真空泵運行后，在真空嚴密性合格的情況下，機組真空不會降低，在部分工況下機組凝汽器真空值較同工況下更高。原真空泵平均實際運行電流約170 A左右，替代原真空泵運行的高效真空泵實際平均運行電流僅為50 A左右，電流直降120 A左右，節電率達73%，成功達到改造目的。

表1 5號機組改造后的節能情況

通過改造前后運行參數計算分析可知，高效氣冷-羅茨真空泵組投用后節電效果明顯，兩年多可收回成本。

7 結語

相比水環式真空泵，高效氣冷羅茨-水環真空泵在節能降耗上有顯著優勢。在實際運行中只要凝汽器嚴密性合格，真空不低于水環式真空泵，且抽氣性能受冷卻條件影響較小，對于采用直接從江河取用循環水的開式冷卻水系統更有明顯的優勢，在部分工況下抽真空能力更強。解決了水環真空泵效率低，容易汽蝕的問題，大幅度地提高了設備的可靠性，具有良好的經濟效益。技改后保留原有水環式真空泵作為備用，既滿足了開機時快速建立真空的要求，也可為氣冷羅茨-水環真空泵組故障或凝汽器真空異常時提供良好的備用，豐富了運行方式，也提高了汽輪機凝汽器真空系統運行安全性。