真空系統(tǒng)加裝蒸汽噴射器的應(yīng)用探討

朱太春，張偉

(神華國(guó)華永州發(fā)電有限責(zé)任公司，湖南 永州425000)

凝汽器是火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)設(shè)備，其真空的好壞，對(duì)發(fā)電廠的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行有著直接影響〔1〕。大容量凝汽式發(fā)電機(jī)組在凝汽器背壓高于設(shè)計(jì)值時(shí)，背壓每升高1 kPa，機(jī)組熱耗增加0.5%～1%不等。影響凝汽器真空因素較多，其中漏入凝汽器空氣未能及時(shí)抽走是主要因素之一。漏入凝汽器的空氣如果不能及時(shí)抽走，會(huì)在在凝汽器管束表面形成一層氣膜，嚴(yán)重降低傳熱性能，小到0.05%的空氣含量就可使蒸汽的凝結(jié)放熱系數(shù)降低80%以上。提升凝汽器抽氣能力及效率是維持凝汽器高真空的重要手段。

1 水環(huán)真空泵工作原理及運(yùn)行現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)600 MW 以上火電機(jī)組真空泵基本上使用的是水環(huán)式真空泵。國(guó)內(nèi)近期投產(chǎn)機(jī)組主要選擇性能較優(yōu)異的雙級(jí)泵，雙級(jí)泵具有最低背壓低，抗汽蝕能力強(qiáng)、運(yùn)行功耗低等特點(diǎn)。

1.1 水環(huán)真空泵存在的主要問(wèn)題

通過(guò)對(duì)多臺(tái)機(jī)組水環(huán)真空泵進(jìn)行狀況調(diào)查，存在的共性問(wèn)題有:

1)夏季工況下抽氣能力普遍下降。其它季節(jié)相比，夏季工況時(shí)，真空達(dá)不到預(yù)期真空，直接影響到機(jī)組帶負(fù)荷能力。

2)真空泵噪音大。處于真空泵附近的噪音明顯超標(biāo)，造成廠區(qū)工作噪聲不達(dá)標(biāo)。

3)真空泵葉輪裂紋。對(duì)真空泵進(jìn)行解體檢查，真空泵葉輪上有裂紋，需要對(duì)裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理，運(yùn)行中裂紋存在降低了設(shè)備可靠性以及增加了運(yùn)維成本。

1.2 水環(huán)泵存在問(wèn)題分析

水環(huán)泵是采用水作為工作介質(zhì)〔5〕，葉輪偏心安裝，通過(guò)內(nèi)部容積的改變來(lái)達(dá)到吸氣、排氣的效果。工作水由于受到壓縮、摩擦以及受到氣體所帶的蒸汽的冷凝熱而溫度上升。工作水需要通過(guò)循環(huán)水進(jìn)行冷卻，當(dāng)出現(xiàn)循環(huán)水溫過(guò)高、換熱器結(jié)垢或冷卻水量減少等異常工況時(shí)會(huì)導(dǎo)致工作水溫上升。水環(huán)泵的極限抽吸壓力受制于水溫，當(dāng)抽吸壓力等于工作水的飽和蒸汽壓力時(shí)，部分工作水汽化而產(chǎn)生汽泡，汽泡破裂時(shí)產(chǎn)生噪聲并會(huì)沖擊葉輪而出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。此時(shí)，汽化的汽體充滿內(nèi)部的容積而不再有抽吸其它氣體的能力。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)解決辦法

1.3.1 工作液體定期置換

夏季工況，為降低真空泵工作水溫度，需要定期對(duì)真空泵進(jìn)行補(bǔ)排水來(lái)降低工作水的溫度，降低汽化發(fā)生。

1.3.2 技術(shù)改造

技術(shù)改造手段主要有2 種思路，一種改造思路是將空調(diào)水通入真空泵熱交換器來(lái)降低工作水溫度，另一種思路是在真空泵前一級(jí)加裝噴射裝置，達(dá)到提升抽吸能力，改善真空泵工作環(huán)境。

2 蒸汽噴射器介紹

2.1 蒸汽噴射器工作原理

噴射器是完成能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，它是由一定能量(壓力和流量)的工作流體，將靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，經(jīng)過(guò)噴嘴射出形成高速射流。由于射流和空氣之間產(chǎn)生卷吸作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，把吸入室的氣體帶走，使該處產(chǎn)生局部真空狀態(tài)，在外界大氣壓力的作用下，使被吸流體進(jìn)入泵室，隨同高壓高速流體被帶入喉管，與之混合，并進(jìn)行能量交換，在喉管內(nèi)，由于氣體分子的紊動(dòng)作用，工作流體將一部分動(dòng)能及熱能傳給被吸流體，使被吸流體的動(dòng)能和熱能得以加強(qiáng)，工作流體的速度隨之減緩，而被吸流體速度逐步加快，在喉管末端，兩股流體速度逐漸趨于一致，混合進(jìn)入擴(kuò)散室，然后流速逐步降低，壓力上升。

噴射器原理圖如圖1，噴射器的主要部件有:工作噴嘴，接受室，混合室，擴(kuò)散器。

圖1 噴射器簡(jiǎn)圖

2.2 蒸汽噴射器與水環(huán)真空泵工作特點(diǎn)

將噴射器應(yīng)用到火電廠凝汽器抽真空系統(tǒng)是一種比較成熟做法。目前這種配置在歐洲國(guó)家使用比較普遍，國(guó)內(nèi)如北侖2 號(hào)機(jī)阿爾斯通進(jìn)口機(jī)組、華電蒙能包頭公司、國(guó)華舟山電廠4 號(hào)機(jī)組、在建的臺(tái)山核電1750 MW 機(jī)組等電廠真空系統(tǒng)也是采用這種配置。蒸汽抽汽器+水環(huán)真空泵組合原理圖見(jiàn)圖2。

蒸汽抽汽器原理利用蒸汽作為工作氣流，蒸汽和凝汽器抽吸來(lái)的引射氣流混合進(jìn)入冷卻器，對(duì)水蒸汽進(jìn)行冷凝。這種噴射器+真空泵組合特點(diǎn)有:

圖2 蒸汽噴射加水環(huán)真空泵

1)提高了真空泵入口背壓，有效防止水環(huán)真空泵汽蝕，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性。根據(jù)某廠改造前后對(duì)比，發(fā)現(xiàn)就地1 號(hào)機(jī)組(改造后)和2 號(hào)機(jī)組(沒(méi)有改造)相比，1 號(hào)機(jī)組真空泵運(yùn)行汽蝕噪音明顯比2 號(hào)機(jī)組小。

2)降低真空泵組的極限背壓，理論上可以達(dá)到1 kPa 以下，有效的保證機(jī)組處于最佳背壓下運(yùn)行，降低機(jī)組熱耗。

3)相對(duì)于大氣噴射器系統(tǒng)，此系統(tǒng)提高真空泵入口背壓的同時(shí)不增加干空氣量，真空泵選型可以較常規(guī)泵降低一個(gè)等級(jí)，降低機(jī)組廠用電率。機(jī)組正常運(yùn)行僅需要運(yùn)行1 臺(tái)34%容量真空泵即可以維持凝汽器所需最低真空。

3 某廠安裝蒸汽抽汽器的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 某廠改造前后概況

某廠1 號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)是由哈爾濱汽輪機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的N600 －16.67/538/538 型汽輪機(jī)，該機(jī)組于2006年投產(chǎn)。改造前抽真空系統(tǒng)設(shè)置3 臺(tái)日本鶴見(jiàn)雙級(jí)真空泵EVMA200，電動(dòng)機(jī)功率110 kW，正常運(yùn)行時(shí)2 臺(tái)運(yùn)行1 臺(tái)備用。因真空泵夏天時(shí)工作水溫高，工作液出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，真空泵出力明顯不足。在2014年大修期間，將抽真空系統(tǒng)改造成3 臺(tái)50%容量真空泵+2 臺(tái)50%蒸汽抽汽器系統(tǒng)。改造后，正常1 臺(tái)50%真空泵+2 臺(tái)50%蒸汽抽汽器運(yùn)行，真空泵電耗整體下降，真空也相應(yīng)提高。

3.2 某廠按裝蒸汽抽汽器后的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)

表1 某廠2014年11月7日性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1 分析可以看出，蒸汽抽汽器投入前真空泵2 臺(tái)運(yùn)行投入后1 臺(tái)真空泵運(yùn)行，電流節(jié)約170 A 左右，高低壓真空分別提高0.41 kPa 和0.22 kPa，真空平均提高0.3 kPa 左右。按低壓缸排氣溫度對(duì)應(yīng)飽和壓力計(jì)算，高低壓側(cè)分別提高0.19 kPa 和0.37 kPa，平均提高0.28 kPa。

3.3 某廠按裝蒸汽抽汽器的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)

表2 某廠2014年11月8日性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表2 分析可以看出，蒸汽抽汽器投入前真空泵2 臺(tái)運(yùn)行投入后1 臺(tái)真空泵運(yùn)行，電流節(jié)約170 A 左右，高低壓真空分別提高0.3 kPa 和0.1 kPa，真空平均提高0.2 kPa 左右，按低壓缸排汽溫度對(duì)應(yīng)飽和壓力計(jì)算，高低壓側(cè)分別提高0.23 kPa 和0.33 kPa，平均提高0.28 kPa。

從某廠2 次性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，真空系統(tǒng)投入蒸汽噴射裝置后，機(jī)組真空都相應(yīng)提高，真空泵電耗明顯下降。

4 加裝蒸汽抽汽器安全性分析

1)配置蒸汽抽汽器后〔3〕，真空泵入口壓力提高到了約12 kPa 左右，使得真空泵工作在良好的工況區(qū)，不再出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象，不僅避免了葉輪裂紋斷裂問(wèn)題，而且降低了真空泵運(yùn)行的噪音，同時(shí)真空泵允許的工作水溫也可以更高。

2)蒸汽抽汽器為靜止設(shè)備，日常維護(hù)工作幾乎為零。

3)凝汽器背壓的降低，汽輪機(jī)末級(jí)葉片含濕量增加，存在葉片水沖刷風(fēng)險(xiǎn)。從大型汽輪機(jī)制造廠得知，葉片從設(shè)計(jì)和制造工藝上均進(jìn)行了防水沖刷保護(hù)(末級(jí)葉片焊司太立合金)，可以在較低背壓下運(yùn)行，對(duì)汽輪機(jī)安全性也無(wú)影響。

4)因真空泵選型等級(jí)降低，當(dāng)蒸汽抽汽器故障后真空泵抽干空氣能力將下降。為了保證機(jī)組的可靠性，可以選用3 臺(tái)34%容量真空泵，正常工況時(shí)維持1 臺(tái)運(yùn)行，蒸汽噴射器故障時(shí)，3 臺(tái)真空泵同時(shí)運(yùn)行。

5 加裝蒸汽抽汽器經(jīng)濟(jì)收益分析

5.1 加裝蒸汽抽汽器節(jié)省電耗收益

配置蒸汽抽汽器后，真空泵入口背壓升高同時(shí)干空氣量不增加，按照機(jī)組年運(yùn)行270 天，按照電機(jī)負(fù)載率80%計(jì)算，節(jié)約用電大約72.6 萬(wàn)kWh，將可以使真空泵電機(jī)功率下降60%以上，電價(jià)按0.49 元/kWh 計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用35.6 萬(wàn)元。

5.2 加裝蒸汽抽汽器節(jié)省煤耗收益

因某廠性能實(shí)驗(yàn)是11月份做的，而蒸汽抽汽器夏季運(yùn)行時(shí)對(duì)真空提高更具優(yōu)勢(shì)，但無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)濟(jì)收益暫按此次性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算。

根據(jù)某廠1 號(hào)機(jī)組改造后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，真空系統(tǒng)投入蒸汽噴射裝置后機(jī)組真空提高了0.28 kPa(性能試驗(yàn)中真空平均提高值)，機(jī)組真空每提高1 kPa 可以節(jié)約煤耗2 g/(kW·h)

按全年運(yùn)行6 500 h，機(jī)組平均負(fù)荷70%，標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)700 元/t 計(jì)算:

機(jī)組測(cè)量真空提高帶來(lái)的節(jié)能收益:

(1046 × 70% × 103)× 6500 ×(0.28 × 2 ×10－6)×700 =186.6 萬(wàn)元

5.3 加裝蒸汽抽汽器動(dòng)力蒸汽成本核算

高低壓側(cè)設(shè)置2 套蒸汽抽汽器，按蒸汽抽汽器汽源來(lái)至輔汽聯(lián)箱計(jì)算，凝結(jié)水消耗250 t，總蒸汽消耗0.9 t，根據(jù)哈汽廠熱平衡圖計(jì)算結(jié)果，采用四段抽汽作為供汽汽源可降低做功能力252 kW，按年運(yùn)行6 500 h，電價(jià)價(jià)按0.49 元/kWh 計(jì)算，動(dòng)力蒸汽成本為:252 ×6 500 ×0.49 =80.3 萬(wàn)元。

5.4 加裝高低壓側(cè)設(shè)置蒸汽抽汽器總收益

35.6+186.6 －80.3 =141.9 萬(wàn)元/年

6 初投資費(fèi)用

1)真空系統(tǒng)選用兩級(jí)蒸汽抽汽器+3 ×34%容量真空泵，總投資約369 萬(wàn)元，包含調(diào)試費(fèi)用。

2)抽真空系統(tǒng)中不設(shè)置蒸汽抽汽器，系統(tǒng)需設(shè)置3 ×110 kW 納士雙級(jí)真空泵，按每臺(tái)65 萬(wàn)元計(jì)算，約195 萬(wàn)元。

3)如果真空系統(tǒng)選用(蒸汽抽汽器+ 3 ×34%容量真空)，相當(dāng)于增加總投資174 萬(wàn)元，約一年6 個(gè)月即可收回投資成本。

7 結(jié)論

凝汽器抽氣系統(tǒng)通過(guò)安裝蒸汽噴射器，既提高了真空系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，又提高了運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，約1年6 個(gè)月可回收投資成本，并且有具體運(yùn)行實(shí)例，值得在火力發(fā)電廠運(yùn)用及推廣。

〔1〕王微，張曉波，等． 凝汽器真空泵加裝大氣噴射器技術(shù)改造〔J〕． 內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2004，22(5):101-102．

〔2〕鄧榮才． 水環(huán)式真空泵對(duì)凝汽器真空的制約與改善〔J〕． 大眾科技，2011，143(7):134-135．

〔3〕羅少榮． 水環(huán)式真空泵加裝大氣噴射器的改造〔J〕． 機(jī)電信息，2010，(18):7-8．

〔4〕陳玉堂． 水環(huán)式真空泵汽蝕原因分析及改造方案〔J〕． 中小企業(yè)管理與科技． 2009，(21):250-252．

〔5〕王學(xué)義． 工業(yè)汽輪機(jī)技術(shù)〔M〕． 北京:中國(guó)石化出版社． 2011．