低溫余熱發(fā)電凝汽式汽輪機(jī)真空系統(tǒng)改造

范文禮，楊海林

1 引言

凝汽器、除氧器系統(tǒng)是凝汽式汽輪機(jī)組的重要組成部分，凝汽器真空度是汽輪機(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)，也是反映凝汽器綜合性能的一項(xiàng)主要考核指標(biāo)。凝汽器真空度下降1%，汽輪機(jī)組熱耗將上升0.6%～1%。因此，保持凝汽器的最有利真空度和良好的運(yùn)行工況，直接關(guān)系到整個(gè)汽輪機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能。

2 運(yùn)行現(xiàn)狀

我公司汽輪機(jī)組型號(hào)為BN12-1.05/0.20，額定功率12MW，使用老式雙通道射水抽氣器，抽氣器參數(shù)為：抽干空氣量12kg/h，工作水流量120t/h，吸入室壓力0.005MPa。射水泵兩臺(tái)，型號(hào)為IS150-125-250A，其中，汽輪機(jī)冷凝器射水泵電機(jī)功率為45kW，除氧器射水泵電機(jī)功率為22kW。

自投產(chǎn)以來(lái)汽輪機(jī)組存在如下問(wèn)題：真空表指示降低；排汽溫度升高；凝結(jié)水過(guò)冷度增加；凝汽器端差增大；在調(diào)節(jié)汽門開(kāi)度不變的情況下，汽輪機(jī)的負(fù)荷降低；用水量大，射水箱排污置換用水量15t/h；自用電耗量大，汽輪機(jī)發(fā)電時(shí)，當(dāng)負(fù)荷在11 000kW時(shí)，凝汽器真空度在-88kPa～-90.6kPa，除氧器真空度在-87.5kPa左右，除氧效率不高，達(dá)不到汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行要求。分析影響凝汽器真空度的原因發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)使用的射水抽氣設(shè)備耗能嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行成本高，有必要對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。

3 原真空泵機(jī)組與氣冷羅茨水循環(huán)機(jī)組的比較

3.1 影響水噴射真空泵性能的因素

工作液溫度對(duì)水噴射真空泵性能的影響較大，高液溫工況下，工作真空快速下降，抽氣能力大大降低，甚至在某一入口壓力下抽氣量為零，這就是有些機(jī)組在夏天需啟動(dòng)兩臺(tái)真空泵來(lái)維持凝汽器真空的原因。另外，工作液溫度上升對(duì)水噴射真空泵的長(zhǎng)期運(yùn)行也極為不利。隨著工作液溫度升高，對(duì)應(yīng)的飽和壓力也不斷升高，當(dāng)水噴射真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，將使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工作介質(zhì)汽化產(chǎn)生的氣體而擠占了抽氣量，造成出力嚴(yán)重不足。不凝性氣體將使傳熱效果惡化并在凝汽器內(nèi)積聚，破壞凝汽器真空，水蒸氣質(zhì)量含量占1%的空氣能使凝汽器表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低60%，從而降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

除氧器和凝汽器的真空裝置在改造前均使用水噴射真空泵，存在同樣的問(wèn)題。

3.2 氣冷羅茨水循環(huán)機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)

（1）在真空設(shè)備建立真空的實(shí)際正常運(yùn)行中，可以通過(guò)提高機(jī)組效率達(dá)到節(jié)能目的。

（2）常規(guī)水噴射真空泵（或噴射泵）效率低（30%），應(yīng)用高性能氣冷羅茨水循環(huán)的機(jī)組在不同環(huán)境、不同設(shè)備及不同技術(shù)要求下，節(jié)能效率可高達(dá)70%～90%。

（3）抽吸的氣體包括不凝氣體（空氣）及可凝氣體（水蒸氣），通過(guò)減少真空泵壓縮氣體總負(fù)荷，節(jié)能率可達(dá)40%～60%。對(duì)于真空嚴(yán)密性不合格或在夏季運(yùn)行的機(jī)組，可以提高凝汽器的真空值200～2 000Pa，相應(yīng)減少發(fā)電用煤0.5～5.0g/kW·h。

（4）可節(jié)省大量的水循循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備，節(jié)約用水，減少管理環(huán)節(jié)和運(yùn)行費(fèi)用。

（5）氣冷羅茨水循環(huán)機(jī)組性能完全不受工作液溫度限制，具有提高凝汽器真空的可能性。

（6）啟動(dòng)快，能立即工作。

（7）對(duì)被抽氣體中的灰塵和水蒸氣不敏感。

（8）轉(zhuǎn)子不用潤(rùn)滑，泵腔內(nèi)無(wú)油，驅(qū)動(dòng)功率小，機(jī)械摩擦損失小。

（9）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

（10）振動(dòng)小，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡條件較好，無(wú)排氣閥，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲大幅度減少，符合環(huán)保要求。

（11）可靠性高，轉(zhuǎn)子損壞風(fēng)險(xiǎn)低。

3.3 高效節(jié)能真空裝置的工作原理

在抽真空過(guò)程中，增加羅茨泵可增大抽速，節(jié)能，同時(shí)可提高真空度。

氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這種熱量會(huì)使羅茨泵，尤其是轉(zhuǎn)子溫度升高，因此一般羅茨泵在較低壓力下工作，此時(shí)氣體總量小，發(fā)熱量有限。當(dāng)羅茨泵在較高壓力下工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量熱，為使羅茨泵正常工作，必須使轉(zhuǎn)子降溫，降溫最常用的方法為氣冷法，原理如下。

圖1所示為進(jìn)氣階段，此時(shí)圖中陰影部分腔體與進(jìn)氣口接通。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖2所示位置時(shí)，圖中陰影部分與進(jìn)氣口隔離。此時(shí)換熱器中的氣體為冷凝后的氣體，溫度較低，而其壓力與羅茨泵排氣端相同，因此冷凝后的氣體進(jìn)入封閉腔使之壓力升高，溫度降低。

當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到圖3所示位置時(shí)，圖中陰影部分與排氣口接通，溫度升高較小，升溫后氣體進(jìn)入換熱器冷卻，冷卻后的氣體一部分通過(guò)換熱器進(jìn)入下一級(jí)，另一部分作為冷卻氣體進(jìn)入泵腔，對(duì)羅茨泵進(jìn)行冷卻。冷卻后的氣體體積縮小，使前級(jí)泵負(fù)荷減小，可靠性增加，更加節(jié)能。

圖1 進(jìn)氣階段

圖2 壓縮階段

圖3 排氣階段

4 實(shí)施改造

經(jīng)過(guò)研究討論和實(shí)地考察，公司決定采用先進(jìn)的氣冷羅茨水循環(huán)機(jī)組代替原來(lái)的真空泵機(jī)組。氣冷羅茨水循環(huán)系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是能耗低（較原系統(tǒng)降低能耗70%）、零耗水、占地空間小、運(yùn)行穩(wěn)定、效率高。技術(shù)改造方案如下：

4.1 工藝參數(shù)

真空度工作壓力：500Pa；抽氣量：200L/s；總功率：15kW；抽氣要求：節(jié)能、耐腐蝕、環(huán)保。

4.2 工作過(guò)程及主要設(shè)備

羅茨泵為氣冷羅茨水循環(huán)真空泵，設(shè)計(jì)抽氣量為200L/s（12m3/min），額定轉(zhuǎn)速50Hz。氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，此熱量與壓縮比有關(guān)。在此種組合的工作狀態(tài)下，羅茨泵采用閉式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，無(wú)外排廢水。羅茨泵主要材料采用灰鑄鐵，轉(zhuǎn)子采用球墨鑄鐵，過(guò)流部件采用化學(xué)浸滲鎳磷合金。軸承、密封件采用進(jìn)口元件。

4.3 改造

利用停窯3d時(shí)間，投資28.8萬(wàn)元對(duì)凝汽器、除氧器真空裝置進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。

表1 改造前后的節(jié)能效果

表2 改造前后的真空度情況

5 改造效果

改造前后的節(jié)能效果及真空度情況見(jiàn)表1、表2。改造后，經(jīng)近一年時(shí)間的運(yùn)行，該系統(tǒng)裝置節(jié)能效果明顯，凝汽器真空裝置節(jié)電率為67.5%，除氧器真空裝置節(jié)電率為58.8%，按年運(yùn)行330d、電價(jià)0.62元/kW·h計(jì)算，僅節(jié)電效益每年合計(jì)22.55萬(wàn)元，1.28年可全部收回投資。技改后，同工況下凝汽器真空度提高了2.6kPa，發(fā)電量提高了520kW，按年運(yùn)行330d、電價(jià)0.62元/kW·h計(jì)算，每年多創(chuàng)造效益411.8萬(wàn)元。