抽真空系統節能改造技術研究及應用

文_楊一盈 郭江龍 郭岸松

1 河北冀研能源科學技術研究院有限公司 2 秦皇島秦熱發電有限責任公司 3 河北省火力發電清潔高效熱電聯產技術創新中心

火力發電主要的動力能量來源是汽輪機。在汽輪機工作過程中，凝氣器是將蒸汽凝結，汽輪機排出的汽經過與冷卻管換熱，凝結成水，且需要凝汽器具有一定的真空度；對于汽輪機的發電機組來說，真空度（或壓力）是最大的可控損失，因此真空泵對于凝汽器的真空效果和抽氣系統的能耗有著較為重要的影響。本文通過查閱相關文獻，了解水環真空泵應用現狀，研究抽真空系統改造技術工藝，以低成本改造、滿足機組運行需求為基礎，以節能減排為準則，采用干式螺桿泵抽真空系統改造技術，緩解水環真空系統的凝汽器存在的率過大、抽真空效果易受工作液溫度影響、端差大、凝結水溶氧超標、噪音大、維護成本高等問題。

1 抽真空系統改造技術原理

1.1 水環泵真空系統應用現狀

目前，大型火力發電廠的凝汽器抽真空系統一般裝有2～3臺較大功率的水環式真空泵組，其中300MW機組一般裝設2臺，一運一備；600MW以上機組一般裝設3臺，二運一備。電廠在選擇真空泵類型及設計時，主要以“快速啟機的響應速度和最大的允許漏氣量”為選型原則，滿足機組運行啟動要求（一般要求30min左右）；機組真空度達到要求后，一至兩臺運行維持機組真空需求，一臺備用。水環真空泵具有泵的轉數高、可與電動機直聯，無須減速裝置、速率快等優勢。

1.2 抽真空系統改造的必要性

隨著運維技術的提高，電廠的凝氣器正常運行中，凝汽器真空系統的真空泄漏量普遍小于設計時的400Pa/min，機組運行維持真空時，存在真空泵功率過大的問題；另外，水環真空泵的抽真空效果受工作液溫度影響，在水環泵運行過程中，其局部的壓力降低到實際工作液溫度對應的飽和蒸汽壓力以下的情況時，工作液的狀態就會發生改變，產生汽化，生成氣泡，并隨著工作液移動至出口的高壓區。在出口的高壓區處，產生的氣泡會破裂，蒸汽重新凝結，產生空穴，造成四周的工作液快速流入，形成高頻的水錘，對葉片造成沖擊，出現汽蝕現象。綜上所述，水環真空泵的抽真空系統轉子易汽蝕損壞，維護費用高；極限抽吸能力受工作水溫限制，端差大；真空效果差、凝結水溶氧超標。

1.3 技術原理

該技術是在凝汽器原抽真空設備基礎上并聯一套干式螺桿泵抽真空系統，利用干式螺桿真空泵特點、轉子與泵體較小間隙設計、無摩擦，多程變螺距設計、功耗低，工作腔無需潤滑油或密封水、極限真空度可達2Pa（一般水環真空泵的真空度為3～4kPa）；在發電機組啟動期間利用原有真空泵組迅速建立機組真空，在機組正常運行時，利用凝汽器真空系統低漏入較少不凝氣體運行特性，以較低能耗維持機組的真空度。干式螺桿真空泵結構原理示意圖見圖1。

圖1 干式螺桿真空泵結構原理示意圖

2 改造技術工藝流程

2.1 系統概況

抽真空系統節能升級改造技術的主設備采用干式螺桿真空機組，工作腔無需潤滑油或工作水，軸端采用無泄漏無磨損復合密封，變頻調速，抽氣速率可調，負荷適用范圍較廣。該系統采用模塊化設計，具有完善的自動控制系統和保護邏輯、簡單易維護，且占地面積小。

2.2 工藝流程

發電廠凝汽器干式螺桿真空機組節能升級改造技術系統如圖2所示，主要包括發電廠凝汽器、進氣管路以及發電廠原水環真空泵組。進氣管路的輸出端連接發電廠原真空泵組和與其并聯的干式高效真空機組；通過管道連接的進氣手動閥；干式變螺距螺桿泵機組的受控端連接控制裝置并與發電機組DCS控制系統連接。

圖2 凝汽器抽真空機組系統流程圖

進汽手動閥和干式高效真空機組之間的管路中設有進氣速關氣動閥，進氣速關氣動閥的受控端連接控制裝置的輸出端。干式變螺距螺桿泵機組上設置有冷卻水管路，用來冷卻軸承溫度。

2.3 關鍵技術

2.3.1 基于機組真空泄漏量模型算法定制系統抽氣速率技術

由于電廠凝汽器真空系統嚴密性的逐步提高，根據機組運行狀態下真空嚴密性的實際狀況，采用機組真空泄漏量模型算法確定抽真空設備的抽氣速率，定制化設計抽真空系統的功率，并采用變頻調速設計，大幅度降低系統配置功率，更節能。

2.3.2 無泄漏無磨損軸端復合密封技術

利用干式螺桿真空泵的特點，在軸端采用無泄漏無磨損復合密封，軸承潤滑油不易乳化，使用壽命長。

2.3.3 積木式模塊化集成設計技術

采用積木式模塊化集成設計技術，占地面積小于4m2，適合經優化空間設計后的各種發電機組現場空間，減少設備占地面積，簡化設備接口，降低維護費用。設計有完善的保護邏輯和自動控制系統，系統簡單易維護。

3 改造技術應用

3.1 應用單位概況

在某電廠的5號、6號機組進行示范建設，該電廠的汽輪機為國產引進型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、濕冷抽氣凝汽試汽輪機。兩臺機組分別配置2臺納西姆工業（中國）有限公司生產的ELMO-F2BE1353-OMY4型水環式真空泵，機組運行時一用一備，真空泵電機額度功率160kW，正常運行時，電流約為220A，運行功率約為145kW。

某電廠的5號、6號機組配備的干式真空泵組具體設計參數見表1。

表1 干式螺桿真空泵設計參數

3.2 試驗工況

試驗工況在電負荷220MW、熱負荷390t/h，電負荷270MW、熱負荷400t/h下，進行水環式真空泵運行和干式螺桿真空泵系統運行下的試驗，具體工況有兩種。其中工況1是在原水環真空泵系統運行狀態下試驗，工況2是在干式螺桿真空泵系統運行狀態下試驗。試驗中，主機負荷，循環水泵運行方式與工況1相同；干式真空泵系統按照改造后運行狀態進行試驗。

3.3 試驗方法

根據熱平衡設計圖的規定，運行人員對機組的熱力系統運行方式進行調整，使其符合設計要求，解列自動發電控制（簡稱“AGC”）。在機組正常運行時，停止鍋爐吹灰操作，維持機組補水的穩定。在維持機組穩定運行的前提下，通過對機組的運行參數進行調整，使相關參數盡可能達到設計值，上下幅度符合試驗規程。

工況1：在水環式真空泵運行狀態下，在試驗運行負荷下，主要參數處于穩定狀態；機組切除AGC，運行方式切換為機跟爐的方式或是機爐基本運行的方式，維持鍋爐側的各項參數穩定且不再變化，參數主要包括煤量、風量、主汽壓力/溫度及再熱壓力/溫度、過堿流量、再堿流量等，其中的爐側風量及煤量調節為手動調節狀態，汽機電負荷、熱負荷保持穩定；開啟水環式真空泵，停運干式螺桿真空泵機組，隔離干式螺桿真空系統與正常運行系統（如關閉凝結水聯絡閥門、抽空氣管聯絡閥門）；主要運行參數處于穩定狀態后，運行1h后，記錄試驗所需的各項參數。

工況2：在干式真空泵系統運行狀態，試驗運行負荷下，主要參數處于穩定狀態；機組切除AGC，運行方式切換為機跟爐的方式或是機爐基本運行的方式，維持鍋爐側的各項參數穩定，參數主要包括煤量、風量、主汽壓力/溫度及再熱壓力/溫度、過堿流量、再堿流量等，同時在試驗過程中盡量控制鍋爐燃燒量和給水流量的變化浮動，不要出現較大波動；開啟干式螺桿真空系統，停運水環式真空泵；調整鍋爐燃燒，主機的電負荷、熱負荷盡量維持一致；主要運行參數處于穩定狀態后，運行1h后，記錄試驗所需的各項參數。

先水環式真空泵運行，再干式螺桿真空泵運行，試驗參數除流量和功率每2min記錄一次外，其它均應每5min記錄一次；IMP數據采集系統采集頻率通常設定為30s；若數據取自DCS系統，應將采集頻率設定為2min。

3.3 試驗效果

5號機組電負荷220MW、熱負荷390t/h條件下，投入1號水環式真空泵，退出干式真空泵組，水環式真空泵電流217.82A，排氣壓力3.47kPa，凝結水溶氧47.34ug/L；退出1號水環式真空泵，投入高效真空泵組，高效真空泵組變頻器前電流39.7A，凝汽器真空1.60kPa，凝結水溶氧2.42ug/L；同原水環式真空泵運行相比，高效真空泵組的電流降低了81.77%；背壓降低1.87kPa。

6號機組電負荷270MW、熱負荷400t/h條件下，投入1號水環式真空泵，退出干式真空泵組，水環式真空泵電流223.33A，凝汽器真空4.32kPa，凝結水溶氧12.61ug/L；退出1號水環式真空泵，投入高效真空泵組，高效真空泵組變頻器前電流31.9A，凝汽器真空2.18kPa，凝結水溶氧2.93ug/L；同原水環式真空泵運行相比，高效真空泵組的電流降低了85.72%；背壓降低2.14kPa。

4 結論

從某電廠5號、6號機水環真空泵、干式螺桿真空泵切換運行，凝汽器端差、機組真空和凝結水溶氧參數變化分析，干式螺桿真空泵的極限真空度高，節能效效果好，可有效解決因水泵式真空泵極限真空限制、漏入真空系統的不凝氣體無法完全抽出而造成的凝汽器端差大、真空差、凝結水溶氧高問題，在電廠凝汽器抽真空改造應用中具有廣闊推廣價值。

該技術可以提高采暖季凝汽器真空度，隨著低壓缸排汽壓力的降低，有效改善低壓缸末級、次末級葉片鼓風狀況。特別是對于采用“切除低壓缸進汽靈活性改造”的供熱機組，可以降低供熱機組低壓缸冷卻蒸汽流量，增加供熱抽氣流量，進一步提升機組供熱和調峰能力。