高效羅茨水環(huán)真空泵組在空冷機組的應(yīng)用

李方春，樊仰平，白志剛

（1.山西瑞光熱電有限責(zé)任公司，山西 榆次 030600；2. 國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

凝汽器是電站汽輪機輔助設(shè)備中的一個主要部分，抽真空系統(tǒng)的功能是將凝汽器中的不凝結(jié)氣體抽出。目前采用的抽真空設(shè)備主要是射水抽氣器和水環(huán)真空泵，在300 MW以上的大型機組中普遍采用了水環(huán)真空泵，其在運行中普遍存在能耗大、效率低、選型偏大、維護(hù)成本高、極限真空低、受工作水溫影響大等問題[1-2]，為此有必要進(jìn)行相關(guān)改造來保證真空系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、高效運行。

1 設(shè)備現(xiàn)況

山西瑞光熱電有限責(zé)任公司2臺300 MW機組冷卻系統(tǒng)均采用直接空冷技術(shù)，每臺機組抽真空設(shè)備均配置3臺100%容量的水環(huán)式真空泵，正常運行方式為一運二備，冬季低負(fù)荷和真空嚴(yán)密性較差時運行方式為為兩運一備。其銘牌參數(shù)如下：型號，2BW4353；抽速，89.0 m3/min；額定工況抽氣量，74 kg/h；抽吸壓力，3.3～101.3 kPa（工作液水溫在15℃時，絕壓）；電機額定功率，160 kW。

2 存在的問題

2臺機組經(jīng)供熱改造后，冬季汽輪機排汽背壓一般都在20 kPa以上，非供暖季汽輪機背壓基本都在12 kPa左右。因此水環(huán)真空泵的裕量太大，存在很大的節(jié)能空間。同時由于直接空冷機組長期高背壓運行，吸入真空泵的大部分都是蒸汽，而且溫度較高，使得水環(huán)泵工作液溫度大幅升高，水環(huán)泵的抽氣性能急劇下降80%以上，使得空冷器中的不凝結(jié)氣體不能被及時抽出，影響機組真空。同時真空泵長期運行在高背壓工況，抽氣效率極低，葉輪汽蝕、噪音大等，影響了機組的經(jīng)濟(jì)性和安全運行。

3 節(jié)能改造方案

針對目前機組抽真空系統(tǒng)存在的上述問題，為了在保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的前提下降低真空泵能耗，提出了一種采用高效羅茨水環(huán)抽真空泵組的改造方案。

3.1 系統(tǒng)方案

實施改造時在原抽真空系統(tǒng)中的抽真空母管上串入前置冷卻器、并入1套高效抽真空泵組，高效抽真空泵組由1臺羅茨真空泵、1臺級間冷凝器和1臺小水環(huán)真空泵組成。運行時所抽吸的蒸汽和不凝結(jié)氣體先經(jīng)過1臺前置冷卻器將大部分蒸汽凝結(jié)，凝結(jié)水自流到排汽裝置，剩余的氣體經(jīng)羅茨真空泵增壓后進(jìn)入級間冷凝器再次冷卻后，部分水蒸汽凝結(jié)，不凝氣體及少量剩余水蒸汽經(jīng)1臺小功率水環(huán)真空泵排出。高效羅茨水環(huán)抽真空泵組的改造系統(tǒng)如圖1所示（虛線內(nèi)為改造時增加的部分）。

圖1 高效羅茨水環(huán)抽真空泵組改造系統(tǒng)圖

3.2 抽氣量核算

汽氣混合物體積流量計算公式為

式中：PG——凝汽器空冷區(qū)空氣分壓力=凝汽器背壓-混合物溫度下水蒸汽分壓力，kPa；

Vmin——汽氣混合物體積流量，m3/h；

MG——泄漏空氣質(zhì)量流量，kg/h；

RG——空氣常數(shù)，為0.287 kJ/（kg·K）；

Tmin——混合物絕對溫度，K。

按照設(shè)計的干空氣抽吸量計算不同背壓下羅茨真空泵及水環(huán)真空泵體積抽空氣量。泵組冷凝器的排氣壓力按羅茨真空泵入口壓力增加10 kPa，冷卻水溫度為30℃，冷凝器排汽溫度為35℃（冬季按冷卻水溫度為25℃，冷凝器排汽溫度為30℃），計算結(jié)果見表1和表2。

表1 羅茨真空泵選用核算表

表2 水環(huán)泵選用核算表

根據(jù)計算結(jié)果空冷背壓8 kPa時選用羅茨真空泵抽氣量，必須大于3459.6 m3/h，對應(yīng)水環(huán)真空泵抽氣量必須大于474 m3/h，才能抽出漏入真空系統(tǒng)的74 kg/h空氣。因此，本次改造選用了最大抽氣量為4320 m3/h的羅茨真空泵和最大抽氣量為600 m3/h水環(huán)真空泵。

3.3 可靠性分析

a） 改造時原有的3臺水環(huán)真空泵仍然保留，不影響原系統(tǒng)的安全可靠運行。

b） 機組啟動時原有的3臺水環(huán)真空泵按原運行方式投入運行，仍滿足機組快速抽吸的需求。

c） 機組正常運行時由高效抽真空泵組維持真空，實現(xiàn)真空泵的一運三備，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

d） 高效羅茨水環(huán)真空泵組抽吸的極限真空值小于500 Pa，大大低于原有水環(huán)真空泵的極限真空值 （3300 Pa）。

e） 高效抽真空泵組的羅茨真空泵為干式真空泵，抽氣速率不受工作液水溫的影響。

3.4 運行方式分析

高效抽真空泵組可根據(jù)空冷凝汽器背壓情況，通過變頻器選擇羅茨真空泵運行轉(zhuǎn)速。在空冷凝汽器的背壓偏低時，羅茨真空泵高速運行抽吸空冷凝汽器逆流區(qū)的不凝結(jié)氣體，進(jìn)入級間冷凝器冷卻，凝結(jié)水和未凝結(jié)的氣體進(jìn)入小水環(huán)真空泵入口，由小功率水環(huán)真空泵排大氣。在空冷凝汽器的背壓偏高時，羅茨真空泵低速運行，空冷凝汽器逆流區(qū)的不凝氣體經(jīng)旁路門進(jìn)入級間冷凝器冷凝后，經(jīng)小功率水環(huán)真空泵排大氣。

4 改造效果

兩臺機組在檢修期間成功進(jìn)行了抽真空系統(tǒng)改造，經(jīng)調(diào)試高效羅茨水環(huán)抽真空泵組投入正常運行后在不同負(fù)荷下總電流維持在37～70 A之間，而原水環(huán)真空泵的電流約220 A，節(jié)電率可達(dá)68%～83%。

5 結(jié)束語

綜上所述，山西瑞光熱電有限責(zé)任公司針對抽真空系統(tǒng)運行中存在的問題，提出了進(jìn)行高效羅茨水環(huán)抽真空泵組改造的措施。兩臺機組改造后節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，減少了工質(zhì)損失，解決了抽氣效率低，葉輪汽蝕、噪音大等問題，提高了設(shè)備可靠性，保證了機組的安全經(jīng)濟(jì)運行。