蒸汽噴射器在600MW機組真空系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能中的研究及應(yīng)用

趙志中 付開慧

摘 要：文章對華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司600MW亞臨界汽輪發(fā)電機組的真空系統(tǒng)進行了優(yōu)化節(jié)能改造。解決了機組在夏季工況下機組真空偏低和真空泵葉輪汽蝕嚴重的問題，改造后機組真空提高0.3KPa（冬季），大幅降低了真空的檢修維護成本，起到了很好的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：真空泵；蒸汽噴射器；真空

前言

華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司 #1機組，真空泵是上海鶴見泵廠生產(chǎn)的EMVA200，每臺機組配3臺泵，通常2用1備。真空泵冷卻水源來自用循環(huán)冷卻塔，每年至少有三個月真空泵工作水溫高于30℃。水環(huán)真空泵的工作液般采用循環(huán)水冷卻，但循環(huán)水溫度受到氣候條件影響，溫度變化較大，特別是夏天，循環(huán)水溫度可能達到三十多度以上，再加上一定的傳熱溫差，工作液溫度有可能達到四十多度，嚴重影響了機組的經(jīng)濟性和安全運行。鑒于此，我們應(yīng)用了Presen STE 蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)，可以使凝汽器一直保持在相應(yīng)工況下的設(shè)計最低背壓，即凝汽器的真空保持在最高狀態(tài)，從而達到節(jié)能效果，而不受真空泵工作液溫度過高問題導(dǎo)致的抽吸能力下降的限制，同時還能很好的解決真空泵的噪音和葉輪斷裂問題。

1 抽真空系統(tǒng)運行現(xiàn)狀及改造必要性

1.1 影響水環(huán)真空泵工作性能的因素

華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司#1機組凝汽器抽氣使用的真空泵屬于水環(huán)真空泵，水環(huán)真空泵的性能與所抽吸氣體的狀態(tài)（壓力、溫度）和工作液的溫度有關(guān)。

1.1.1 抽氣壓力影響

抽氣壓力是以水環(huán)泵的吸入口壓力——即以凝汽器壓力為基礎(chǔ)的，并且隨著凝汽器壓力的變化而變化的（凝汽器抽氣口壓力一般在3.39kPa到12kPa范圍變化）。

在一定條件下的抽氣量Vs、泵軸功率Pp、等溫總效率ηp與抽氣壓力Px之間的關(guān)系曲線即為水環(huán)真空泵的特性曲線，見圖1。從圖中可以看出，真空泵抽氣量、軸功率和等溫總效率隨著抽氣壓力的變化趨勢。

1.1.2 抽氣溫度影響

對應(yīng)抽氣壓力、抽氣溫度在25℃到49℃范圍內(nèi)變化（不考慮抽氣過冷度），圖2是不同抽氣溫度下真空泵的特性曲線。

從圖2中可以看出，抽氣溫度越低，抽氣量越大，但是根據(jù)凝汽器運行工況，一般情況下抽氣溫度都會高于設(shè)計抽氣體溫度（20℃），但是因為抽氣壓力一般在10kPa以下，因此從圖中看出，抽氣溫度對抽氣量影響不太明顯。

1.1.3 工作水溫度影響

從圖3中可以看出，工作液溫度對真空泵性能影響較大，特別是在抽氣壓力比較低的情況下影響更加明顯，而電廠中真空泵的抽氣壓力剛好在此范圍之內(nèi)。因此提高真空泵工作性能從改變工作液溫度著手切實可行，且效果明顯。

1.2 水環(huán)式真空泵系統(tǒng)存在的問題及改造必要性

隨著工作時間的延長，由于做功和水蒸氣釋放氣化潛熱會造成工作液溫度不斷升高，而工作液溫度的升高會造成真空泵抽氣能力下降，凝汽器真空變差，影響機組經(jīng)濟性，同時還會引起真空泵汽蝕，影響安全運行。

工作液的設(shè)計溫度是15℃，實際運行中均高于這一溫度，目前真空泵工作液通常由循環(huán)水冷卻，但是循環(huán)冷卻水溫受氣候影響，特別是夏天隨著循環(huán)水溫度升高，真空泵工作液溫度將遠高于設(shè)計值。工作液溫度升高會造成以下后果：

1.2.1 破壞真空，降低機組經(jīng)濟性

隨著工作液溫度升高，對應(yīng)的飽和壓力不斷升高，比如30℃的汽化壓力為4.241kpa，40℃的汽化壓力為7.35kpa，當(dāng)水環(huán)真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫對應(yīng)的飽和壓力時，將使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工質(zhì)汽化產(chǎn)生的氣體擠占真空泵抽氣量造成真空泵出力嚴重不足，不凝性氣體將造成傳熱惡化并在凝汽器內(nèi)積聚破壞凝汽器真空，水蒸氣中質(zhì)量含量占1%的空氣能使表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%，從而降低機組經(jīng)濟性。由熱力學(xué)知識可知，凝汽器真空變差，則機組熱經(jīng)濟性會顯著下降。

1.2.2 水環(huán)真空泵汽蝕

真空泵在運轉(zhuǎn)中，若局部區(qū)域工作液的絕對壓力降低到當(dāng)時溫度下的工作液氣化壓力時，工作液便在該處開始氣化，產(chǎn)生大量蒸汽形成氣泡，當(dāng)含有大量氣泡的液體向前經(jīng)過葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以致破裂。在真空泵中產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過流部件遭受到破壞的過程就是真空泵中的汽蝕過程。金屬表面出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，嚴重的會出現(xiàn)蜂窩狀損壞。如果真空泵葉輪在汽蝕部位有較大的殘余應(yīng)力，還會引起應(yīng)力釋放，產(chǎn)生裂紋，嚴重影響設(shè)備安全高效運行。

為了防止水環(huán)真空泵發(fā)生汽蝕，運行中通常要求真空泵的抽吸壓力必須比工作液溫對應(yīng)的飽和壓力至少高出0.85kpa。因此如果工作液溫度為30℃，對應(yīng)飽和壓力4.241kpa，則真空泵抽吸壓力不能低于5.091kpa，但是如果工作液溫度20℃，則真空泵抽吸壓力可降低至3.188kpa。

因此，無論從機組運行經(jīng)濟性還是安全性考慮，都需要對凝汽器的抽真空系統(tǒng)進行技術(shù)改造。

2 國內(nèi)外研究水平綜述

目前，針對真空系統(tǒng)的改造主要有以下幾種方式：方案1：在水環(huán)泵前加裝大氣噴射器，解決泵的振動、噪音、汽蝕和轉(zhuǎn)子斷裂等安全性問題，配合精確的設(shè)計計算，也可以達到一定的節(jié)能效果，在夏季工況預(yù)計可以提高機組真空0.2-0.3kPa左右；方案2：給真空泵冷卻水加裝冷卻裝置，即冷凍水系統(tǒng)，在夏季工況下一般可提高機組真空0.2-0.3kPa左右；方案3：結(jié)合方案1和方案2，將大氣噴射器和冷卻水系統(tǒng)聯(lián)鎖，根據(jù)真空系統(tǒng)的漏空氣量，進行聯(lián)鎖控制，在最低耗能的情況下，達到機組真空始終保持凝汽器最高真空狀態(tài)下的節(jié)能效果，同時解決真空泵的汽蝕和轉(zhuǎn)子斷裂等安全性問題；改造該系統(tǒng)后，在夏季工況下預(yù)計可以提高0.3-0.5kPa左右；方案4：加裝蒸汽噴射器，用0.3MPa以上的蒸汽作為動力源，抽吸真空系統(tǒng)內(nèi)的干空氣和水蒸氣，蒸汽噴射器后接一管列式冷凝器，把抽出氣體中的水蒸氣冷凝成水回收到凝結(jié)水系統(tǒng)，干空氣由真空泵抽出。這種方式，可以保證機組真空保持在凝汽器的最高真空狀態(tài)，同時解決真空泵汽蝕和轉(zhuǎn)子斷裂等安全性問題；改造該系統(tǒng)后，在夏季工況下可以提高0.3kPa及以上真空。

對比這四種方案，特點如下：方案1，可以很好地解決振動、噪音及汽蝕等安全問題，但是用大氣作為動力源有可能增加真空泵需抽吸的不凝氣體量，對于設(shè)計精度要求很高，且真空提高能力有限，是對真空泵缺陷的一種彌補改進措施；方案2，效果顯著，但因為真空泵長期處于高真空狀態(tài)，葉輪的應(yīng)力幾何倍數(shù)的增加將會導(dǎo)致葉輪的裂紋和斷裂等安全性問題，同方案1，也是對系統(tǒng)缺陷的一種彌補改進措施；方案3和4都比較完善，但是方案4只增加一級蒸汽噴射器使得系統(tǒng)更加簡潔、易維護，它本身就是一個抽真空系統(tǒng)，獨立于真空泵，不受真空泵性能的影響，而且抽吸能力根據(jù)系統(tǒng)給定的最惡劣情況設(shè)計，因而在設(shè)計值范圍內(nèi)對機組嚴密性不敏感，可以進一步減少真空系統(tǒng)維護工作量。真空泵在這個系統(tǒng)中的作用只是抽吸少量蒸汽噴射器剩余的不凝氣體，從根本上解決了由真空泵缺陷帶來的問題。與大氣噴射器相比，它只需要消耗幾百公斤的蒸汽（0.3MPa以上的壓力），但可以抽到更高的真空，以及解決真空泵因汽蝕產(chǎn)生的噪音和轉(zhuǎn)子斷裂問題。

從前期投資、經(jīng)濟性、運行維護費用和可靠性方面綜合考慮，本次可行性研究選擇了Korting STE透平蒸汽噴射器抽真空技術(shù)。

3 Korting STE透平蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)介紹

Korting STE透平蒸汽噴射器系統(tǒng)，吸氣側(cè)直接以凝汽器的最低背壓為設(shè)計點，考慮系統(tǒng)的最大可能的漏空氣量，動力側(cè)以0.3MPa以上壓力的蒸汽作為動力源，通過動力噴嘴以超音速射流，產(chǎn)生真空，來抽吸凝汽器里的不凝氣體，兩股氣體充分混合后，進入冷凝器，水蒸氣冷凝成水，回收到熱井或者冷凝器。冷凝器出口壓力設(shè)計為10～12kPa以上，該壓力的不凝結(jié)氣體進入末級抽氣系統(tǒng)。末級抽氣系統(tǒng)有兩種方式：蒸汽噴射器或真空泵。（見圖5）

汽輪機的廢蒸汽1在汽輪機冷凝器中冷凝，吸入側(cè)A由空氣、不凝氣和夾帶蒸汽被抽吸到兩級真空系統(tǒng)3中的第一級噴射器3.1，通過內(nèi)冷凝器3.3，二級噴射器3.2和后冷凝器3.4，不凝氣體在E處排到大氣中。A處的部分蒸汽和D處蒸汽在冷凝器冷凝，作為冷凝液從C處回到熱井及汽輪機冷凝器（冷凝液回收）。

透平冷凝液B被用做蒸汽噴射器系統(tǒng)的冷卻水，它通過級間和后冷凝器3.3和3.4帶走凝結(jié)后的吸入流體和動力流體的熱量，這樣的熱交換完成了透平冷凝液回流到蒸汽鍋爐的流體F的第一級預(yù)熱。蒸汽噴射系統(tǒng)在兩級噴射器3.1和3.2作用下產(chǎn)生真空。

D側(cè)為動力蒸汽側(cè)，通過動力噴嘴以超音速射流，產(chǎn)生真空，A為凝汽器來汽側(cè)，與D側(cè)的蒸汽混合后通過排出側(cè)E排出。

4 研究內(nèi)容和實施方案

4.1 Korting STE透平蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)改造技術(shù)方案概述

根據(jù)包頭公司#1組的真空系統(tǒng)及真空泵的運行情況，本次改造選擇在現(xiàn)有真空泵前面串聯(lián)一套Korting STE透平蒸汽噴射器系統(tǒng)，組成一套完備的凝汽器抽真空系統(tǒng)。

4.1.1 設(shè)計原則

（1）蒸汽噴射器的設(shè)計原則：根據(jù)凝汽器的最低背壓，考慮機組真空嚴密性，為蒸汽噴射器抽吸口的壓力設(shè)定，根據(jù)提供的動力蒸汽的壓力，選取合適的蒸汽噴射器的出口參數(shù)，最終決定了動力蒸汽的耗量。

（2）表面式冷凝器的設(shè)計，根據(jù)冷卻水的最高溫度，來進行換熱面積的計算，并根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)考慮余量，確保系統(tǒng)長時間運行的可靠性。

（3）控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程DCS系統(tǒng)控制和就地控制。

4.1.2 系統(tǒng)流程圖如圖6所示

圖6 改造后凝汽器抽真空系統(tǒng)流程圖

4.1.3 通過改造后，預(yù)計達到的效果

（1）確保凝汽器保持高真空狀態(tài)，不受機組嚴密性和真空泵性能的影響，保證經(jīng)濟節(jié)能運行；改造后，預(yù)計能提高凝汽器真空0.3kPa～0.5kPa。（2）解決真空泵因汽蝕生產(chǎn)的噪音大和葉輪裂紋甚至斷裂等安全問題，并且由于真空泵運行由原來的兩用一備變成一用兩備，可以降低真空泵的運行電流，達到減少廠用電的節(jié)能效果。

4.1.4 系統(tǒng)運行所需的蒸汽來源

0.3Mpa以上的壓力蒸汽，可從輔機聯(lián)箱里抽出，耗氣量在500～700kg/h左右。

4.2 Korting STE透平蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)改造主要設(shè)備

真空系統(tǒng)改造加裝的系統(tǒng)包含如下內(nèi)容：（1）Korting STE透平蒸汽噴射器；（2）Korting STE表面式冷凝器；（3）閥門、儀表、變送器等附件。

5 改造后試驗結(jié)論及效益分析

5.1 蒸汽噴射改造后試驗對比

#1機組大修期間在凝汽器抽真空系統(tǒng)中安裝蒸汽噴射器系統(tǒng)，解決真空泵夏季高溫因汽蝕生產(chǎn)的噪音大和葉輪裂紋等安全問題以及出力不足的問題，在一定范圍內(nèi)提高凝汽器真空；真空泵運行由原來的兩用一備變成一用兩備，達到減少廠用電的節(jié)能效果。試驗期間對蒸汽噴射器系統(tǒng)進行了切除，就切除后與投入時真空情況進行對比，見表1。

步驟1：試驗開始前，蒸汽噴射裝置正常運行，9：55分開始切除蒸汽噴射裝置，10：19分開始再次投入蒸汽噴射裝置。

步驟2：試驗前后真空泵冷卻水始終為10攝氏度，試驗要求為30攝氏度，電廠考慮安全因素，未升高冷卻水溫度。

步驟3：試驗中，蒸汽噴設(shè)裝置的切除方式是蒸汽噴射器裝置不停，照常進汽和冷凝，然后關(guān)閉凝汽器至蒸汽噴射器吸氣入口的汽動隔離門和打開高低壓凝汽器的串聯(lián)門。

通過表1數(shù)據(jù)看出，在真空冷卻裝置切除時，高壓真空為-86.33kPa，低壓真空為-86.86kPa，真空逐漸下降，到20分鐘左右真空達到穩(wěn)定值，此時高壓側(cè)為-86.07kPa，低壓側(cè)為-86.55kPa；由此可以看出在投入與切除真空冷卻裝置前后，高壓側(cè)降低0.34kPa，低壓側(cè)降低0.31kPa，平均影響為0.325kPa。

5.2 改造效果分析

（1）改造前后凝汽器主要性能指標如表2所示。

表2 600MW工況下大修前后凝汽器主要性能指標對比

（2）由表2可知，凝汽器大修改造后，修正到設(shè)計條件下，低背壓凝汽器壓力降低了0.669kPa，高背壓凝汽器壓力降低了0.107kPa，達到預(yù)期效果。

5.3 效益分析

按包頭公司#1機真空嚴密性200Pa/min的情況及真空泵運行狀況數(shù)據(jù)計算，加裝Korting STE透平蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)平均提高機組真空0.5kPa，機組真空每提高1kPa節(jié)約煤耗2.5g/（KW·H），標煤單價640元/噸，真空泵工作液溫25℃以上運行時間4個月（2880h）計算。

1臺600MW機組每年燃煤節(jié)約費用：

（600×103）×2880×（0.5×2.5×10-6）×640=138.24萬元

系統(tǒng)改造后正常運行時真空泵由原來的兩用一備，變?yōu)橐挥脙蓚?，可退出一臺真空泵運行。每臺泵停用一小時節(jié)省約80度電，廠用電單價按0.3元/千瓦時計算。

1臺600MW機組每年廠用電節(jié)約費用：

80×24×365×0.3=21.02萬元

則該系統(tǒng)改造后的每年經(jīng)濟收益為：138.24+21.02=159.26萬元/年。

注：改造后由于真空泵不再出現(xiàn)汽蝕、葉輪裂紋、斷裂等安全問題而節(jié)省的維護、更換費用沒有計算在內(nèi)。

6 結(jié)束語

本次將蒸汽噴射器在600MW機組真空系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能改造上應(yīng)用，解決的問題及取得的節(jié)能成效突出表現(xiàn)在以下幾方面：（1）真空系統(tǒng)的優(yōu)化改造解決了真空泵夏季工況運行由于真空泵冷卻液溫度過高造成真空泵出力降低的問題。（2）真空系統(tǒng)的優(yōu)化改造解決了真空泵由于工作液溫度過高造成真空泵汽蝕損壞葉輪等部件，大幅降低了檢修費用。（3）真空系統(tǒng)的優(yōu)化改造使機組真空全年都有所提高，提高機組經(jīng)濟性。（4）真空系統(tǒng)的優(yōu)化改造改變了原有的運行方式，實現(xiàn)真空泵1運2備，對廠用電率的降低起到一定的作用。

綜上所述，真空系統(tǒng)加裝蒸氣噴射器改造在節(jié)能方面起到很好的作用，同時對機組的安全穩(wěn)定運行起到了保證性作用，此技術(shù)改造目前未暴漏出具體問題，具有很強的推廣價值。

參考文獻

[1]華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司.#1機組整體優(yōu)化后性能鑒定試驗報告（汽機部分）.

[2]華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司.#1機組真空系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能研究及應(yīng)用.

作者簡介：趙志中（1970-），男，籍貫：山西，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)熱能動力專業(yè)，學(xué)歷：研究生，現(xiàn)職稱：高級工程師，華電內(nèi)蒙古能源有限公司包頭發(fā)電分公司總工程師。