高效抽真空節(jié)能技術研究與應用

湯國琪

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 043000）

0 引言

山西臨汾熱電有限公司2×300 MW 亞臨界直接空冷供熱汽輪機組，每臺機組配備3 臺功率160 kW 的水環(huán)真空泵，一運兩備，用于維持汽輪機組真空。水環(huán)真空泵采用閉式水作為冷卻水，由于冷卻水溫高，造成水環(huán)真空泵工作水溫高，不僅使水環(huán)真空泵出力受限，無法維持機組高真空，對機組能耗產(chǎn)生較大影響[1]，而且易使水環(huán)真空泵發(fā)生氣蝕，噪聲增大，葉輪出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，增加了設備維護成本。此外，水環(huán)式真空泵運行時氣水分離器乏汽凝水存在外排溢流，增加了工質損失。為了有效解決上述問題，經(jīng)研究與論證，山西臨汾熱電有限公司實施了高效抽真空節(jié)能系統(tǒng)改造與應用。

1 高效抽真空節(jié)能技術

1.1 工作原理

高效抽真空節(jié)能系統(tǒng)采用蒸汽噴射器技術，吸氣側直接以機組最低背壓為設計點，考慮系統(tǒng)最大可能的漏空氣量，動力側以0.3 MPa 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)生真空來抽吸空冷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，回收到排汽裝置熱井。蒸汽噴射器結構如圖1 所示，蒸汽噴射器D 側為動力蒸汽側，通過動力噴嘴以超音速射流，在抽吸端A 側產(chǎn)生高真空，與D 側的蒸汽混合后通過排出側E 排出。

圖1 蒸汽噴射器結構

蒸汽噴射器動力蒸汽通過噴嘴將壓力能轉換為動能，形成超音速射流，被抽流體由于與動力流體之間極強的剪切作用而被引入吸入室。射流邊界層的紊流擴散作用使得兩股流體發(fā)生質量、動量及能量交換，于是動力流體的速度不斷減少，而被抽介質的速度不斷增大，并在混合段某一截面處漸趨一致，從而形成一股單一均勻的混合流體。在擴散段中的動能轉化成壓力能，混合流體減速蒸壓至一定背壓后排出噴射器[2]。

1.2 技術特點

1.2.1 高真空

采用該技術可產(chǎn)生極高的真空，在低壓區(qū)出力相對較大，為真空泵的2～3 倍；根據(jù)機組最低背壓設計，可保證機組背壓不受真空泵性能的影響，處于最佳真空狀態(tài)，達到節(jié)能、經(jīng)濟運行目的。

1.2.2 高可靠性

與目前采用的真空泵系統(tǒng)相比，蒸汽噴射器性能穩(wěn)定，工作特性與外界溫度無關，對于機組真空嚴密性的影響不敏感。

1.2.3 免維修

蒸汽噴射器結構簡單，無轉動部件，因此沒有機械磨損和其他機械問題的產(chǎn)生。

1.2.4 冷凝水回收

采用凝結水作為排氣的冷卻水，回收動力蒸汽熱能和被抽取乏汽的大量潛熱，冷凝水通過密封回路或者蒸汽疏水系統(tǒng)返回到汽輪機排汽裝置，既減輕了空冷島負擔，又回收了冷源損失的熱量。

1.2.5 操作簡單

高效抽真空系統(tǒng)啟動、調整、停運只需閥門操作，控制系統(tǒng)可接入到DCS 系統(tǒng)。

2 高效抽真空改造方案

2.1 改造思路

保留原有抽真空系統(tǒng)的3 臺真空泵及其連接管路，作為在機組啟動階段預抽系統(tǒng)真空和高效抽真空系統(tǒng)的備用設備；增設高效抽真空系統(tǒng)，采用蒸汽噴射器用于抽取汽輪機組真空；三級噴射器采用串聯(lián)關系，核心部件為進口蒸汽噴射器，動力蒸汽通過動力噴嘴以超音速射流，產(chǎn)生真空來抽吸空冷島換熱管束內的不凝氣體及乏汽。

2.2 改造方案

機組在原真空系統(tǒng)上加裝一套高效抽真空節(jié)能設備（改造圖略），動力汽源由機組輔汽提供，冷凝器的冷凝水回收至排汽裝置熱井，冷卻水使用凝結水。

2.2.1 高效抽真空裝置

新增高效抽真空裝置采用三級蒸汽噴射器（設備性能參數(shù)見表1） 串聯(lián)，每級分別設置蒸汽噴射器。第一級蒸汽噴射器對空冷島換熱管束內不凝結氣體進行抽吸；第二級蒸汽噴射器抽吸第一級冷凝器的不凝結氣體；第三級蒸汽噴射器抽吸第二級冷凝器的不凝結氣體，最后經(jīng)第三級冷凝器冷卻后將不凝結氣體排到大氣。

2.2.2 蒸汽冷凝器裝置

新增蒸汽冷凝器（設備性能參數(shù)見表2） 作為三級噴射器的冷卻裝置，蒸汽冷凝器由一級與二、三級2 臺冷凝器組成，其中二、三級冷凝器汽側通過中間隔板隔離，分為二級冷凝器與三級冷凝器，冷凝器冷卻水采用凝結水，產(chǎn)生的疏水經(jīng)U 形管水封及疏水器回收至排汽裝置熱井。

表1 蒸汽噴射器設備性能參數(shù)

表2 蒸汽冷凝器設備性能參數(shù)

2.2.3 動力蒸汽系統(tǒng)

新加動力蒸汽管道至蒸汽穩(wěn)壓裝置，動力蒸汽經(jīng)穩(wěn)壓后分別接引至三級噴射器動力側吸入口。

2.2.4 凝結水冷卻系統(tǒng)

新增加凝結水管道，冷卻水管路經(jīng)過蒸汽冷凝裝置，保證各級蒸汽噴射器的排汽充分冷卻。

2.3 實施方案

2.3.1 抽真空側

先在原真空泵抽真空管線母管上開孔，然后接出DN300 mm 抽真空管道，依次安裝手動閘閥和氣動蝶閥，并接到一級蒸汽噴射器的抽真空吸入口。

2.3.2 動力蒸汽側

從輔汽聯(lián)箱引出DN125 mm 蒸汽管道，依次安裝手動閘閥和氣動球閥，氣動球閥后接DN25 mm蒸汽疏水管路，蒸汽分別接入一、二、三級蒸汽噴射器的動力蒸汽口，一級蒸汽噴射器設動力蒸汽手動門。

2.3.3 冷凝器側

冷凝器氣側入口：一級蒸汽噴射器的排氣口通過DN250 mm 管道與一級冷凝器入口連接。二級蒸汽噴射器的排氣口通過DN150 mm 管道與二級冷凝器入口連接。三級蒸汽噴射器的排氣口通過DN80 mm 管道與三級冷凝器入口連接。

冷凝器氣側出口：一級冷凝器氣側出口用DN150 mm 管道與二級蒸汽噴射器抽真空口連接，二級冷凝器氣側出口用DN80 mm 管道與三級蒸汽噴射器抽真空口連接，三級冷凝器氣側出口經(jīng)DN80 mm 管道排入大氣。

冷凝器疏水側出口：一、二、三級冷凝器分別用DN50 mm 管道，經(jīng)兩個U 型水封和一個疏水閥，匯合后接入排汽裝置熱井。

冷凝器冷卻水采用凝結水，冷凝器進口安裝一個DN350 mm 手動閘閥，出口安裝一個DN350 mm手動閘閥，凝結水旁路安裝一個DN350 mm 氣動閘閥。

3 高效抽真空節(jié)能技術的應用

3.1 運行方式

在機組啟機階段，機組抽真空系統(tǒng)的3 臺水環(huán)真空泵全部啟動，預抽機組背壓到20 kPa 后，啟動高效抽真空系統(tǒng)運行，并停運全部水環(huán)真空泵。高效抽真空系統(tǒng)的投停，由DCS 控制動力蒸汽、疏水、抽真空氣動閥門開啟、關閉來實現(xiàn)，通過氣動閥門的開關來達到系統(tǒng)的投入和退出。當空冷凝汽器的背壓＜20 kPa 時，投運一、二、三級蒸汽噴射器對空冷凝汽器的不凝氣進行抽吸，抽吸的不可凝結氣體和相應的水蒸氣進入蒸汽冷凝器。當空冷凝汽器的背壓＞20 kPa 時，不投運一級蒸汽噴射器，僅投運二、三級蒸汽噴射器，降低了動力蒸汽汽耗。高效抽真空故障停運時，聯(lián)鎖啟動備用水環(huán)真空泵。

3.2 運行效果

高效抽真空投運后，能夠維持機組高真空狀態(tài)，通過高效抽真空設備與真空泵分別單獨運行，經(jīng)對比試驗，采用高效抽真空設備可降低機組背壓0.6 kPa 左右，降低機組供電煤耗約0.72 g/（kW·h）。停運水環(huán)真空泵后，抽真空系統(tǒng)每小時節(jié)電約150 kW·h，回收乏汽余熱及工質約1.5 t/h，降低了機組熱耗與補水量。原水環(huán)真空泵系統(tǒng)僅在系統(tǒng)投運時使用，長時間處于備用狀態(tài)，維護成本大幅降低；而蒸汽噴射器系統(tǒng)為靜設備，無需維護，每年可降低維護成本約10 萬元。蒸汽噴射器系統(tǒng)較原水環(huán)真空泵噪聲大幅降低，噪聲在85 dB以內，噪聲低。

4 結束語

高效抽真空節(jié)能技術采用蒸汽作為動力源替代了傳統(tǒng)電動機驅動，純機械，沒有轉動設備，抽真空性能優(yōu)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，并可回收利用乏汽余熱及工質，節(jié)能效果顯著，該技術具有良好的應用前景。