羅茨水環真空泵組在雙背壓真空系統上的應用

李冬泉，邵世杰

（華能威海發電有限責任公司，山東 威海 264205）

0 引言

水環式真空泵由于結構簡單緊湊，占地面積小，在相同運行工況下，耗功僅為射水抽氣器的23%～33%，在火力發電廠中得到廣泛應用。引進型300 MW、600 MW 濕冷機組的常規抽真空設備一般配置2～3臺水環式真空泵，然而現役水環式真空偏差，越來越多的電廠開始對現有抽真空系統進行改造。文獻［1-2］針對300 MW 單背壓機組，實施了1 套羅茨水環真空泵的應用及節能效果分析。文獻［3-5］針對600 MW雙背壓機組，增加了2 套同規格的羅茨水環真空泵組，方案是在高、低背壓側凝汽器上安裝了1 套羅茨水環真空泵組，這一方案改造工程量大，占地面積大，針對新建機組比較適宜。文獻［6-7］對真空臭氣管路連接方式進行了改造。文獻［8］針對雙轉子互換供熱機組將射水泵真空系統改造成羅茨水環真空泵。文獻［9］是將600 MW機組水環真空泵改造成蒸汽噴射器。文獻［10］是為了改善夏季水環真空泵抽吸能力不足的問題，提出在真空泵工作水系統上增加一套制冷裝置。針對現役雙背壓600 MW 級以上的超超臨界機組，提出增設羅茨水環真空泵組的改造方案。

1 機組水環真空泵系統存在的問題

某機組汽輪機為660 MW 超超臨界一次中間再熱雙背壓純凝汽式汽輪機，凝汽器為N-36000 型雙背壓凝汽器，配套3 臺50%容量的水環式真空泵組系統。啟動時，3臺水環式真空泵運行；正常運行時，兩用一備。機組運行時，在高壓和低壓凝汽器汽室側聚集的不凝結性氣體通過水環式真空泵抽出排至大氣。存在的主要問題有：

1）水環式真空泵設計容量明顯偏大，運行功率過高。機組真空泵按照真空嚴密性400 Pa/min 選型，但實際運行期間的真空嚴密性僅有100 Pa/min左右，真空系統的空氣泄漏量僅為設計水平的25%。

2）水環式真空泵抽氣性能在夏季顯著降低。夏季工作水隨著環境溫度的升高，當對應的工作水達到35 ℃以上，抽氣能力急劇下降80%以上。另外工作水汽化產生大量蒸汽形成氣泡，會引起水環式真空泵汽蝕和較大的噪音。

3）2臺水環式真空泵并聯運行（每臺真空泵電機電流運行電流均在200 A 左右），導致真空泵耗電率偏大。

4）水環式真空泵效率一般為30%～50%，能耗高。

2 羅茨水環真空泵組的改造方案

2.1 羅茨水環真空泵組的組成

為降低抽真空系統能耗，并解決現有抽空系統存在問題，提出增設1 套羅茨水環真空泵組的改造方案，如圖1 所示。改造方案是在原抽真空系統中并列安裝1套高效氣冷試羅茨水環抽真空泵組D，原有的3臺真空泵（A、B、C）編號不變，位置和連接也不動，只是在C 泵空位一側再增加一臺羅茨水環真空泵組D。

圖1 雙背壓超超臨界機組改造后的抽真空系統

1）羅茨泵：羅茨泵作為真空泵組D 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，一直等到羅茨泵被前級泵抽到允許入口壓力時才能開始工作，否則羅茨泵容易過熱。由于雙級或多級羅茨泵，存在泵體發熱的問題，運行穩定性不如單級泵，而雙級或多級羅茨泵與單級泵相比，整套系統運行功率基本相同。因此，電廠羅茨泵一般采用氣冷式單級泵型式。

羅茨泵采用抽吸速率1 200 L/s 的氣冷羅茨泵，配套電機功率約為45 kW。在羅茨泵的排氣口下部安裝氣體冷凝器。羅茨泵與氣體冷凝器采用列管式，熱負荷45 kW，冷卻面積40 m2，管程材質為304不銹鋼，殼程材質為Q235B，冷卻水采用閉式水。

2）水環泵：水環泵作為真空泵組D 的前級泵，先將氣冷羅茨真空泵入口壓力抽到允許入口壓力（小于10 kPa），再啟動氣冷羅茨泵。氣冷羅茨泵啟動后，氣冷羅茨水環泵組D整體處于運行狀態。

前級泵的作用是降低羅茨泵的排出壓力，所以前級泵的進口是與羅茨泵的排氣口直接相連的。為了安裝連接方便、密封可靠和減少機械振動通過連接管路影響羅茨泵正常工作，通常在羅茨泵與前級泵之間的連接管路上需連接一段彈性管，彈性管一般采用金屬波紋管。

前級泵采用抽吸速率1 680 m3/h的水環泵，配套電機功率為45 kW。

3）氣體冷凝器：與氣冷羅茨泵連成一體，用于冷卻羅茨泵排出的氣體，同時也冷凝部分從羅茨泵內排出的水蒸氣。

4）氣水分離器：對水環泵排出的氣、水進行分離，氣體由排氣口排出，水由回流管路經液體換熱器冷卻后回流到水環泵中循環使用。

5）液體換熱器：對水環泵中的循環工作水進行冷卻，保證工作水可以在較低溫度下循環使用。液體換熱器的冷卻水采用0.3～0.9 MPa的閉式水。

6）重要閥門和管道：羅茨水環真空泵組與凝汽器之間的管路系統上設置進氣手動門一只，作隔離用。羅茨泵入口設氣動氣控門一只，在泵組故障或泵組停機時能快速關閉，防止空氣漏入凝汽器內，且不影響其他真空泵的運行。羅茨真空泵入口側接口規格：DN 250。

羅茨泵與水環泵之間安裝逆止閥，羅茨泵的油箱和水環泵的抽氣腔是不完全隔絕的，為了防止水環泵停運后泵內的循環水進入羅茨泵的油箱，必須安裝此閥。

羅茨水環真空泵組D抽真空工藝流程見圖2。新增加羅茨水環真空泵組D 有關設備包括：羅茨泵、水環泵、氣體冷凝器、液體換熱器、氣水分離器、手動隔離門、進口氣控門和其他連接管道和閥門。

圖2 羅茨水環真空泵組D抽真空工藝流程

改造后的設備參數見表1。

表1 羅茨水環真空泵泵組D設計參數

2.2 羅茨真空泵組的控制與運行

由于羅茨水環真空泵組D 投入運行前，對入口壓力有一定要求，因此羅茨水環真空泵組D 不能在機組建立真空時投入運行。在機組啟動時，應將原有的A、B、C水環真空泵中的任意兩臺（如A、B）按原有運行方式先投入運行，用以建立真空：首先確認A、B、C、D手動隔離門全部開啟，進口氣控門關閉，真空泵液體換熱器、羅茨真空泵氣體冷凝器的閉式水進、回水門開啟。然后啟動兩臺水環真空泵（如A、B），當水環真空泵進口氣控門前后壓差≥3.0 kPa 時，自動開啟進口氣控門A、B；當凝汽器真空≥90 kPa時，停止A、B水環真空泵運行并投備用。

機組正常運行時，即機組負荷達到60%，且凝汽器真空正常時，啟動羅茨水環真空泵組D 中的水環泵運行；當羅茨泵入口壓力＜10 kPa 時，羅茨泵聯啟；當羅茨泵進口氣控門的前后壓差＜3.0 kPa時，泵組進口氣控門聯開，保持羅茨真空泵組D 正常運行，3 臺水環真空泵（A、B、C）備用。

當水環泵故障或羅茨泵入口壓力＞20 kPa時，羅茨泵跳閘；當羅茨泵已停止且泵組D 進口氣控門已關閉，且真空破壞閥已打開，延時30 s 聯鎖停止水環泵。

3 抽真空系統改造后節能效果分析

當羅茨水環真空泵組D 運行時，由于水環泵吸入的氣體基本都是數量很少的不凝結氣體，因此水環泵的電功率可以較小，大大降低了能耗，相對于原機配置的抽真空設備節能達80%。

抽真空系統改造前后，運行數據見表2。改造前原A、B 兩臺水環式真空泵電流為407.7 A 左右，水環式真空泵組耗電功率為214.7 kW，改造后真空泵組D 的電流降低了297.6 A，電功率為55.1 kW，節約功率為159.6 kW，年節省電量51.9萬元。

表2 抽真空系統改造前后運行數據

羅茨水環真空泵組D 投運正常，負荷在340～660 MW 時，凝汽器真空值平均98 kPa，比改造前兩臺水環式真空泵運行真空高0.5 kPa以上；按照平均負荷480 MW，真空度提高1 kPa，煤耗率下降2.0 g/kWh，標準煤價格800 元/t計算，提高真空值增加的節煤收益為249.6萬元。

4 結語

羅茨水環真空泵組方案是在660 MW 超超臨界雙背壓機組上實施改造的，同樣也適應于300 MW機組，只是把羅茨水環真空泵組D 容量減少1 倍即可，如羅茨泵采用抽吸速率600 L/s 的氣冷羅茨泵。水環泵作為泵組的前級泵，水環泵入口抽吸壓力提高一倍以上（4 kPa→10 kPa），不但提高了水環泵抗汽蝕能力，而且降低了氣泡引起的噪音。

新增加的1 套高效羅茨水環真空泵組D 投入運行，用以維持機組運行中的真空；原有A、B兩臺水環式真空泵作備用，原有的另1 臺泵也不需要拆除，可作為備用泵的備用，抽真空系統在改造后可靠性大大提高了。高效羅茨水環真空泵組D 和原水環式真空泵占地面積基本相當，如果現場位置不夠，也可以將水環式真空泵C 拆除，在C 泵位置安裝高效羅茨水環真空泵組D。即使這樣，由于仍有A、B 兩臺水環式真空泵作備用，因此抽真空系統可靠性比改造前提高了1倍。

在雙背壓機組上增加1 套高效羅茨水環真空泵組D，節能效果比增加2套高效羅茨水環真空泵組稍微差一些，但節約了投資和占地面積，此項改造合計投資150萬元，投資回收期僅僅0.5年。