氣冷羅茨高效真空泵組應(yīng)用在汽輪發(fā)電機組真空系統(tǒng)中的節(jié)能分析

甘平湘

(湖南大唐先一能源管理有限公司，湖南長沙410007)

氣冷羅茨高效真空泵組應(yīng)用在汽輪發(fā)電機組真空系統(tǒng)中的節(jié)能分析

甘平湘

(湖南大唐先一能源管理有限公司，湖南長沙410007)

結(jié)合電廠真空系統(tǒng)改造實例，通過理論計算與數(shù)據(jù)圖表分析，探討不同工況下氣冷羅茨高效真空泵相較于水環(huán)式真空泵的節(jié)能效果和應(yīng)用條件。

真空系統(tǒng)；氣冷羅茨高效真空泵；水環(huán)真空泵；計算；節(jié)能效果

近年來，隨著國家對燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作的積極推動，特別是 《煤電節(jié)能減排升級與行動計劃 (2014—2020年)》的出臺，各火電廠對節(jié)能改造的重視程度達到了一個新的高度。在汽輪機熱端節(jié)能增效改造工作日益深入的同時，汽輪機冷端，特別凝汽器真空系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化也逐步得到各電廠的重視，出現(xiàn)了許多新的節(jié)能改造方案與設(shè)備。其中一種氣冷羅茨高效真空泵技術(shù)逐漸得到推廣與應(yīng)用，并取得良好的節(jié)能效果。結(jié)合電廠實際，采用理論計算與圖表對比方法，對該氣冷羅茨高效真空泵技術(shù)節(jié)能效果進行分析。

某300 MW汽輪機型號為N300-16.7/537/537。凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用開式循環(huán)，冷卻水源為江河水。凝汽器真空系統(tǒng)配置兩臺2BE1－353系列，單級葉輪、雙吸入口、雙排出口、頂排式水環(huán)真空泵，運行方式為 “一運一備”。該型真空泵最低吸入絕對壓力3.3 kPa、額定出力5 200 m3/h(工作液15℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。額定轉(zhuǎn)速590 r/min，電機功率160 kW。真空泵冷卻水取自凝汽器循環(huán)水進水，年平均循環(huán)水溫為20℃，夏季最高循環(huán)水溫≤33℃。經(jīng)真空嚴(yán)密性試驗，機組真空下降率為100 Pa/min左右。

該型真空泵運行中存在的主要問題是泵葉輪易出現(xiàn)汽蝕，運行噪音大，電耗高。現(xiàn)采用在原抽真空母管上并接一套可變頻調(diào)節(jié)2FW2-2160-202型氣冷羅茨高效真空泵組的方案進行改造。該型真空泵最低吸入絕對壓力0.3 kPa、額定抽氣量2 160 m3/h、電機功率44 kW。

改造的目的是在機組正常運行，真空系統(tǒng)無明顯缺陷的條件下，將原真空泵倒換至氣冷羅茨高效真空泵組運行，達到維持原有真空，降低電耗，避免氣蝕和降低現(xiàn)場噪音的目的。改造優(yōu)化如圖1所示。

圖1 真空系統(tǒng)改造優(yōu)化示意圖

文中通過理論計算和數(shù)據(jù)圖表分析，校核氣冷羅茨高效真空泵組抽氣量，考察方案實施后不同工況下，投運氣冷羅茨高效真空泵的實際節(jié)能效果，為該節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用和推廣進行一些有益的探討。

1 氣冷羅茨高效真空泵組抽氣量校核

1.1 氣冷羅茨真空泵抽氣性能特點

2FW2-2160-202型氣冷羅茨高效真空泵組，采用容積式抽吸原理，具有抽氣效率高，抽氣能力不受冷卻水溫影響的特點。以氣冷羅茨真空泵為主泵，水環(huán)泵為前級泵的串聯(lián)方式，克服了單臺水環(huán)真空泵極限壓力高、在一定壓力下抽氣速率低及受冷卻水溫影響大等缺點，同時保留了氣冷羅茨泵能迅速工作、有較大抽氣量的優(yōu)勢。大幅提升泵組的極限真空度，提高泵組抽吸效率，降低耗功。其性能曲線如圖2所示。

圖2 2FW2-2160-202型氣冷羅茨真空泵性能曲線

1.2 實際工況下需真空泵抽出的不凝結(jié)氣體 (蒸汽-空氣混合物)容積流量

已知機組真空嚴(yán)密性達到優(yōu)秀水平 (≤100 Pa/min)，對于大型濕冷汽輪發(fā)電機組空氣漏入率可采用下經(jīng)驗公式計算〔1〕:

式中 Gha為空氣漏入率；Q為凝汽器汽量，300 MW機組一般取590 t/h；a為與凝汽器殼數(shù)和附加排氣口數(shù)相關(guān)的系數(shù)，在此取2。

計算可得該機組的的空氣漏氣率Gha＝11.85 kg/h，另據(jù)機組真空嚴(yán)密性與漏氣流量之間的定量關(guān)系 (表1)〔2〕可查得:當(dāng)真空下降率≤133 Pa/min時，國產(chǎn)300 MW機組的漏氣率在11.8～13.3 kg/h范圍內(nèi)。

表1 機組真空嚴(yán)密性與漏氣流量之間的定量關(guān)系表

式中 VG為空氣的容積流量；mG為漏入的空氣質(zhì)量， 即空氣漏氣率Gha， mG＝Gha＝12 kg/h； RG為空氣的氣體常數(shù)，為287.05 J/kg K；Tmix為空氣—水蒸汽混合物的熱力學(xué)溫度，Tmix＝273＋tmixK，tmix取26℃；Pmix為工作壓力 4 240 Pa，即真空泵入口空氣—水蒸汽混合物的壓力。

為了方便計算，漏氣率取整為12 kg/h。

機組抽真空系統(tǒng)實際抽出的不凝結(jié)氣體 (蒸汽－空氣混合物)容積流量按如下方法計算:

已知循環(huán)水溫為20℃時，凝汽器背壓為4.24 kPa，對應(yīng)水的飽和溫度為30℃，凝汽器空冷區(qū)設(shè)計過冷度4℃，則實際吸氣溫度為26℃。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程 (為簡化計算，將空氣視為理想氣體) 有〔3〕:

式中 Vmix為空氣—水蒸汽混合物容積流量；PG為空氣分壓力；PD為 26℃時的飽和蒸汽壓為3.363 kPa。

經(jīng)計算可得不凝結(jié)氣體容積流量Vmix＝1 175 m3/h。

假設(shè)機組凝汽器空氣漏入率不變，采用上述計算方法，可得出機組不同凝汽器壓力下，需抽出的

計算可得夏季工況下凝汽器漏入的空氣容積流量VG＝242.9 m3/h

計算需真空泵抽出的空氣—水蒸汽混合物容積流量，根據(jù)飽和蒸汽分壓定律 (道爾頓定律)有〔3〕:不凝結(jié)氣體 (蒸汽－空氣混合物)容積流量。

1.3 校核計算結(jié)果分析

為了方便比較，將本機組不同凝汽器壓力下，需抽出的不凝結(jié)氣體容積流量計算結(jié)果與2FW2-2160-202型氣冷羅茨真空泵性能綜合如圖3所示。

圖3 氣冷羅茨真空泵性能與凝汽器不凝結(jié)氣體容積流量曲線

由圖3可知，該改造方案選用的2FW2-2160-202型氣冷羅茨真空泵，在給定條件下，其抽氣量始終大于各吸氣壓力下對應(yīng)凝汽器不凝結(jié)氣體量，滿足機組正常工況下維持機組真空的要求。

另外，由于該型泵組為變頻調(diào)節(jié)，羅茨真空泵的理論抽氣速率Vth與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系式:

式中 n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；R為轉(zhuǎn)子的半徑，mm；l為轉(zhuǎn)子的長度，mm；λ為容積利用系數(shù)。

由關(guān)系式表明，對于具體的一臺羅茨真空泵，轉(zhuǎn)子的長度、半徑和容積利用系數(shù)都是一個定值，在不考慮抽氣效率的情況下，抽氣速率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n 成正比， 即有 Vth′/Vth≈n′/n。

故在機組真空嚴(yán)密性變差的工況下，可通過增加羅茨泵轉(zhuǎn)速來增大抽氣量，仍可維持機組真空。例如當(dāng)該300 MW機組因真空嚴(yán)密性變差，漏入真空系統(tǒng)的不凝結(jié)氣體容積流量達到2 300 m3/h，大于2FW2-2160-202型高效真空泵工頻轉(zhuǎn)速下2 160 m3/h的額定抽氣速率，此時可將羅茨泵電機頻率由50 Hz調(diào)整至55 Hz，即轉(zhuǎn)速增加1.1倍，則泵組的抽氣速率可達到2 380 m3/h，從而滿足維持機組真空的需要。

2 冷卻條件對水環(huán)真空泵抽氣能力的修正

水環(huán)真空泵的工作液溫度對水環(huán)真空泵的抽氣性能影響較大。水環(huán)真空泵的性能曲線均為在15℃的工作液溫度條件下測得，而水環(huán)真空泵的實際工作液溫度往往是偏離其設(shè)計工況的。故在計算分析時，必須采用式 (5)對水環(huán)真空泵的抽氣速率進行修正〔4〕。

式中 γ為修正系數(shù)；p1為真空泵吸氣壓力；pt為工作液溫度為t℃時對應(yīng)的飽和壓力；p15為工作液溫度為15℃時對應(yīng)的飽和壓力；V15為為工作液溫度為15℃時對應(yīng)的吸氣容積。

經(jīng)計算可得如下修正系數(shù)曲線〔5〕:

圖4 水環(huán)泵工作液溫對抽氣量的修正系數(shù)

真空泵工作液冷卻水取自凝汽器循環(huán)水進水，年平均循環(huán)水溫為20℃，夏季最高循環(huán)水溫≤33℃，綜合考慮水環(huán)泵工作液冷卻器一般設(shè)計端差和結(jié)垢情況，取實際平均端差為5℃，即工作液溫度分別為25℃、38℃。為了分析簡便，現(xiàn)僅將工作液溫15℃時的2BE1-353型真空泵抽氣性能按公式 (5)，(6)換算為兩種工作液溫時的性能，如圖5所示。

圖5 工作液溫度修正后2BE1-353型水環(huán)真空泵的實際抽氣量曲線

由圖5可知，水環(huán)真空泵工作液溫度對水環(huán)真空泵抽氣性能影響明顯。通過對曲線的分析，可發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:

1)隨著工作液溫度的提高，水環(huán)真空泵的實際抽氣性能曲線向抽氣量下降和吸氣壓力 (即凝汽器壓力)增大的方向移動。而正常工況下，濕冷式汽輪機組排汽背壓一般維持在0～12 kPa范圍內(nèi)，所以，隨著工作液溫的提高，原水環(huán)真空泵的有效工作區(qū)域是逐漸減小的。

2)隨著吸氣壓力的降低，水環(huán)真空泵組的抽氣量急劇下降。也就是說隨著吸氣壓力的降低，水環(huán)真空泵的工作液溫也要同步降低并考慮一定的過冷度，否則水環(huán)真空泵的實際抽氣量因工作液飽和汽化，而急劇下降，直到因凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的聚積導(dǎo)致背壓上升，水環(huán)泵恢復(fù)出力達到一個新的平衡；但水環(huán)泵工作液溫度下降受環(huán)境溫度的限制。

3)水環(huán)真空泵工作液溫度的高低決定了其極限吸入壓力的高低。工作液溫度越高，對應(yīng)的極限吸入壓力越高，其數(shù)值即為工作液溫度對應(yīng)的飽和壓力。這一結(jié)論從公式 (6)亦可得出。

3 方案實施后的節(jié)能分析

結(jié)合前面幾節(jié)的分析，可將氣冷羅茨泵性能曲線、2BE1-353型水環(huán)真空泵性能曲線、凝汽器不凝結(jié)氣體量曲線綜合如圖6所示。

圖6 方案實施后的效能分析

考慮到機組真空嚴(yán)密性水平優(yōu)秀，實際漏入凝汽器的空氣質(zhì)量流量隨機組背壓變化可在此忽略。故凝汽器不凝結(jié)氣體量曲線分別與2BE1－353型水環(huán)真空泵三條性能曲線 (即工作液溫分別為15℃，25℃，33℃時的抽氣性能曲線)相交于A，B，C點，其對應(yīng)的橫坐標(biāo)上的吸氣壓力即理論上的漏氣－吸氣工況平衡點。

由圖6可得出以下結(jié)論:

1)當(dāng)水環(huán)泵工作在平衡點左側(cè)時，其抽氣能力不能滿足抽出凝汽器不凝結(jié)氣體量的需要，造成凝汽器空氣的積聚，凝汽器壓力將上升，直至達到新的平衡點，此時機組運行的經(jīng)濟性較理想工況是下降的；當(dāng)水環(huán)泵工作在平衡點右側(cè)時，凝汽器不凝結(jié)氣體能及時抽出。由于凝汽器壓力受凝汽器運行參數(shù)和水環(huán)真空泵抽氣性能兩個因素的制約，如果不考慮水環(huán)真空泵抽氣量增加對凝汽器內(nèi)汽氣混合物流速的影響，可以認(rèn)為此時凝汽器壓力由凝汽器的熱負荷、冷卻水流量、冷卻水溫度、凝汽器換熱面積以及換熱熱阻等運行參數(shù)決定。進一步增大真空泵的抽氣能力對提高凝汽器真空無明顯效果，只會造成不必要的能耗損失，此時將原2BE1-353型倒換至氣冷羅茨高效真空泵運行是經(jīng)濟合理的。

2)如圖6所示，隨著冷卻水溫的上升，工作液溫也隨之上漲，水環(huán)真空泵的實際抽氣量也隨之下降。若凝汽器的真空嚴(yán)密性維持不變，隨著水環(huán)真空泵抽氣性能的下降，凝汽器內(nèi)積聚的空氣增多，水環(huán)真空泵抽氣性能對凝汽器真空影響就越大。特別是對于汽蝕余量不足的真空泵而言，此問題將更加突出。由于氣冷羅茨高效真空泵組的抽氣能力幾乎不受冷卻條件的制約，此時將原2BE1-353型真空泵倒換至氣冷羅茨高效真空泵運行是有益于改善凝汽器真空的。

3)在冷卻條件較好的季節(jié)時，由于冷卻水溫的下降，凝汽器換熱加強，汽輪機背壓下降。根據(jù)2BE1－353型水環(huán)真空泵性能曲線，此時真空泵的抽氣量也急劇下降，而且壓力越低，抽氣量下降越劇烈。而漏入凝汽器的空氣量是一定的，甚至將有所增加，水環(huán)真空泵抽氣性能對機組真空的影響就不容忽視。此時將原2BE1-353型水環(huán)泵倒換至氣冷羅茨高效真空泵運行也是可以改善凝汽器真空的。

4)在原2BE1-353型水環(huán)泵冷卻條件惡化，工作液溫上升的夏季和凝汽器換熱效果好，機組背壓低的秋冬季節(jié)，由于氣冷羅茨泵抽氣性能基本不受冷卻條件的影響，只要凝汽器真空嚴(yán)密性優(yōu)良，不凝結(jié)氣體量未超過2FW2-2160-202型真空泵的抽氣能力，則投運該泵都是經(jīng)濟合理的。

4 實際節(jié)能效果驗證

為了客觀比較氣冷羅茨高效真空泵組與電廠配套的2BE1-353型真空泵的抽氣效果，盡可能排除不可控因素對試驗結(jié)果的干擾，電廠采用了穩(wěn)定工況下進行泵組倒換的試驗方案，分別記錄倒泵前后機組的真空、排汽溫度的變化，并計算節(jié)電率。

試驗時，機組的真空嚴(yán)密性為100 Pa/min，真空機軸封系統(tǒng)明顯無缺陷。試驗分別選取50%(150 MW)， 75%(250 MW)， 100%(300 MW)三個工況點進行。試驗期間，保持機組負荷、主汽壓力、循環(huán)水壓、軸封壓力等參數(shù)的穩(wěn)定。試驗結(jié)果見表2。

表2 各工況下試驗數(shù)據(jù)匯總表

由試驗結(jié)果可知，在機組真空嚴(yán)密性優(yōu)良的條件下，機組真空系統(tǒng)由原真空泵倒換至氣冷羅茨高效真空泵運行后，凝汽器真空度及排汽溫度可維持原值，而運行電流大幅下降，平均節(jié)電率可達80%左右，達到了項目的節(jié)能目標(biāo)。

5 結(jié)論

由于凝汽器真空受凝汽器運行參數(shù)和水環(huán)真空泵抽氣性能兩個因素的制約。只要氣冷羅茨高效真空泵組的實際抽氣能力滿足及時抽出漏入凝汽器的不凝結(jié)氣體要求，就可替代原效率低、功耗大的水環(huán)真空泵，用以維持真空。同時，由于氣冷羅茨高效真空泵組抽氣性能基本不受冷卻條件的影響，而且具備比普通水環(huán)真空泵更低的極限吸入壓力，可以克服普通水環(huán)真空泵抽氣性能隨工作液溫上漲和吸氣壓力 (凝汽器壓力)降低導(dǎo)致的氣蝕惡化的缺點，能夠改善凝汽器真空，提高汽輪機組運行經(jīng)濟性。所以，氣冷羅茨高效真空泵組是一種極具推廣價值的節(jié)能設(shè)備。

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Energy Saving Analysis of Air-cooled Roots Vacuum Pumps Application in Vacuum System of Steam Turbine-Generator Set

GAN Pingxiang
(Hunan Datang Xianyi Energy Management Co.， Ltd.， ChangSha 410007 China)

Combining with power plant vacuum system reconstruction example，through theoretical calculation and data chart analysis，this paper investigates the effect of different conditions such gas cooled roots vacuum pump compared with water ring vacuum pump and application conditions.

vacuum system； air－cooled roots high vacuum pump； water ring vacuum pump； calculate； energy saving effect

TK264.11

B

1008-0198(2017)05-0055-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.014

2017-03-07 改回日期:2017-05-15

甘平湘(1979)，男，湖南湘潭人，工程師，從事火電廠集控運行節(jié)能環(huán)保、火電廠節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究。