高效氣冷羅茨真空泵組在汽輪發(fā)電機(jī)組的節(jié)能應(yīng)用

洪小江，曾名劭

（1.贛浙國華信豐發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 信豐 341600；2.江西贛能股份有限公司豐城二期發(fā)電廠，江西 豐城 331100）

0 引言

《煤電節(jié)能減排升級與行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》出臺后，各燃煤發(fā)電企業(yè)在節(jié)能降耗方面不斷從運(yùn)行管理和設(shè)備節(jié)能改造上挖掘潛力。如何降低火力發(fā)電廠最大的熱損失項(xiàng)，汽輪機(jī)冷源熱損失及廠用電是各火電廠節(jié)能降耗的重要抓手。但是由于水資源費(fèi)改革不斷深入，征收標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，超定額取水收取階梯水資源費(fèi)制度的落實(shí)，限制了采用貫流式冷卻的火力發(fā)電廠冷源損失優(yōu)化的途徑，從真空泵著手優(yōu)化凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組冷源損失，有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠2×700 MW 超臨汽輪發(fā)電機(jī)組由上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式汽輪機(jī)。凝汽器為上海動(dòng)力設(shè)備有限公司生產(chǎn)的N-40000 型單流程、雙背壓、雙殼體表面式凝汽器，設(shè)計(jì)背壓為4.9/11.8 kPa。凝汽器冷卻水取自距江水，冷卻汽輪機(jī)排汽后回到取水口下游江中。3 臺水環(huán)式真空泵為上海鶴見真空工程有限公司制造的200 EVMA兩級水環(huán)真空泵，配套電機(jī)額定功率110 kW。

2 改造前的系統(tǒng)

原有凝汽器真空泵組配置有3 臺50%容量的水環(huán)式真空泵，正常運(yùn)行時(shí)，2 臺運(yùn)行，分別接于高低背壓凝汽器，1 臺備用。機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，3 臺真空泵同時(shí)運(yùn)行，可滿足30 min 內(nèi)達(dá)到機(jī)組啟動(dòng)所要求的真空值。原有凝汽器真空系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 原有凝汽器真空系統(tǒng)

3 改造背景

3.1 水環(huán)式真空泵存在的主要問題

1）水環(huán)式真空泵組為滿足機(jī)組啟動(dòng)時(shí)快速建立真空時(shí)間小于30 min，在真空泵及其配套電機(jī)選型上采用了比較大裕量，導(dǎo)致機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)能耗較大。

2）水環(huán)式真空泵性能、出力直接受冷卻水的影響，其最高真空值為工作水溫對應(yīng)的蒸汽飽和壓力。夏季工況下，冷卻水溫高，真空泵性能、出力急劇下降，凝汽器真空下降，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低。

3）水環(huán)式真空泵運(yùn)行中泵體內(nèi)容易發(fā)生汽蝕，內(nèi)部機(jī)械裂紋、斷裂的問題較多，可靠性降低。

4）水環(huán)式真空泵工作原理是利用泵內(nèi)腔體容積的變化來實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮、和排氣的，其效率一般比較低，僅為30%左右。

3.2 改造方案選擇

改造方案在保留原有3 臺真空泵及系統(tǒng)的情況下，新增2臺羅茨－水環(huán)高效真空泵組，分別與高、低壓凝汽器殼體連接。運(yùn)行時(shí)蒸汽和不凝結(jié)氣體先進(jìn)入羅茨泵，加壓后經(jīng)冷卻器冷凝再進(jìn)入下級水環(huán)泵，由于提高了水環(huán)泵的入口壓力，可保證水環(huán)泵高效穩(wěn)定運(yùn)行。改造后，機(jī)組凝汽器真空系統(tǒng)共有5 臺真空泵組，高、低壓抽真空系統(tǒng)各自獨(dú)立。在機(jī)組啟動(dòng)建立真空時(shí)，先啟動(dòng)原水環(huán)式真空泵快速抽真空，在正常運(yùn)行期間，使用氣冷羅茨-水環(huán)真空機(jī)組維持真空，通過以小代大的方式，從而達(dá)到高效節(jié)能的目的。運(yùn)行方式為2運(yùn)3備，設(shè)備間有可靠的邏輯聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，運(yùn)行可靠性較高。機(jī)組真空系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重泄漏或氣冷羅茨-水環(huán)真空泵不能維持凝汽器真空時(shí)，將原有水環(huán)式真空泵其中一臺或兩臺投入運(yùn)行，以滿足機(jī)組凝汽器真空要求。改造后凝汽器真空系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改造后凝汽器真空系統(tǒng)

3.3 經(jīng)濟(jì)性初步分析

某廠技改前每臺機(jī)組配置有3 臺水環(huán)真空泵，電機(jī)功率為110 kW，額定電流為226 A，采取2用1備的運(yùn)行方式，正常運(yùn)行時(shí)每臺真空泵電流在170 A 左右。通過可研分析，如增加兩臺羅茨－水環(huán)高效真空泵組替代運(yùn)行中原有水環(huán)式真空泵運(yùn)行，每臺高效真空泵組在凝汽器真空嚴(yán)密性下降率≤200 Pa/min 的條件下能維持原有凝汽器真空值，每臺氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組實(shí)際運(yùn)行電流約為50 A，較原有水環(huán)真空泵下降120 A 左右，節(jié)能降耗明顯。因此，從降低廠用電率、提高機(jī)組運(yùn)行及設(shè)備可靠性等方面考慮，對凝汽器抽真空系統(tǒng)進(jìn)行改造是很有必要的[1-3]。

4 氣冷羅茨水環(huán)真空泵組特點(diǎn)及應(yīng)用方案

4.1 氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組特點(diǎn)

氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組主要由氣冷羅茨真空泵、水環(huán)真空泵、氣體冷凝器、氣水分離器、換熱器、儀表、電器元件等組成。

氣冷式羅茨真空泵工作原理與羅茨風(fēng)機(jī)相似，采用梅花形轉(zhuǎn)子與兩個(gè)半圓形泵體，依靠轉(zhuǎn)子的擠壓而產(chǎn)生較高的流速與壓差，可在高壓差下長期穩(wěn)定地工作且進(jìn)出口差壓較大。氣冷式羅茨真空泵作為真空泵組的主泵，在較低的入口壓力時(shí)有較大的抽氣速率，但不能單獨(dú)使用，必須與前級真空泵串連，待被抽系統(tǒng)的壓力被前級泵抽到允許入口壓力時(shí)才開始工作。

氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組水環(huán)真空泵作為氣冷羅茨真空泵的前級泵，由水環(huán)真空泵先把入口壓力抽到氣冷羅茨真空泵允許的入口壓力，再啟動(dòng)氣冷羅茨真空泵。氣冷羅茨真空泵啟動(dòng)后，形成氣冷羅茨真空泵+水環(huán)真空泵串聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，氣冷羅茨真空泵排出的氣體由水環(huán)真空泵抽走[4-5]。

4.2 氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組啟停操作要求

為保障氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組正常使用，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性，對真空泵組啟動(dòng)時(shí)做出以下規(guī)定：汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)正常后，負(fù)荷350 MW 以上，全面檢查真空系統(tǒng)無明顯漏空氣，將機(jī)組水環(huán)式真空泵倒至高效真空泵運(yùn)行；DCS 遠(yuǎn)方啟動(dòng)高效真空泵組，水環(huán)真空泵啟動(dòng)后，吸入壓力達(dá)到16 kPa時(shí)，氣冷羅茨真空泵連鎖啟動(dòng)；入口蝶閥后壓力達(dá)到10 kPa 時(shí)，打開入口蝶閥，氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組接入系統(tǒng)運(yùn)行。退出運(yùn)行時(shí)規(guī)定如下：停運(yùn)時(shí)先關(guān)閉氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組入口氣動(dòng)蝶閥；停止高效羅茨真空泵組，檢查羅茨真空泵、水環(huán)真空泵相繼停運(yùn)；手動(dòng)打開高效真空泵組的破真空閥，無吸空氣后關(guān)閉；如長時(shí)間停止使用時(shí)或在冬季為防止凍裂冷卻水夾套，將泵夾套冷卻水的殘余冷卻水存水放盡。

4.3 熱工邏輯優(yōu)化設(shè)置

為提高機(jī)組凝汽器真空系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，熱工邏輯進(jìn)行以下調(diào)整設(shè)置。

1）汽輪機(jī)凝汽器壓力小于10 kPa，允許啟動(dòng)氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組。

2）氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組入口壓力大于16 kPa，氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組允許啟動(dòng)。

3）氣冷羅茨-水環(huán)真空泵氣水分離器液位低于60 mm，延時(shí)120 s聯(lián)停真空泵組。

4）氣冷羅茨泵入口壓力大于13 kPa聯(lián)停羅茨泵。

5）水環(huán)真空泵組A投入備用時(shí)，如E氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組停止或B凝汽器壓力大于14 kPa，聯(lián)啟。

6）水環(huán)真空泵組C投入備用時(shí)，如D氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組停止或A凝汽器壓力大于13 kPa，聯(lián)啟。

7）水環(huán)真空泵組B投入備用時(shí)，如E氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組停止，10 s內(nèi)如水環(huán)真空泵組A未運(yùn)行，聯(lián)啟真空泵組B，同時(shí)聯(lián)開對應(yīng)側(cè)凝汽器抽真空氣動(dòng)閥。

8）水環(huán)真空泵組B 投入備用時(shí)，如D 氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組停止，10 s 內(nèi)如水環(huán)真空泵組C 未運(yùn)行，聯(lián)啟真空泵組B，同時(shí)聯(lián)開對應(yīng)側(cè)凝汽器抽真空氣動(dòng)閥。

5 改造過程遇到的問題

第一臺機(jī)組改造時(shí)高效羅茨真空泵組入口抽真空管位置較低，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后管道內(nèi)有汽水冷卻存積，啟動(dòng)原水環(huán)式真空泵時(shí)管道有明顯的振動(dòng)異響，水環(huán)式真空泵短時(shí)無出力且運(yùn)行電流不正常偏大，后通過增加聯(lián)通管及時(shí)將積水排出后得以解決。

6 高效羅茨真空泵組改造后節(jié)能分析

氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組代原真空泵運(yùn)行后，在真空嚴(yán)密性合格的情況下，機(jī)組真空不會(huì)降低，在部分工況下機(jī)組凝汽器真空值較同工況下更高。原真空泵平均實(shí)際運(yùn)行電流約170 A左右，替代原真空泵運(yùn)行的高效真空泵實(shí)際平均運(yùn)行電流僅為50 A左右，電流直降120 A左右，節(jié)電率達(dá)73%，成功達(dá)到改造目的。

表1 5號機(jī)組改造后的節(jié)能情況

通過改造前后運(yùn)行參數(shù)計(jì)算分析可知，高效氣冷-羅茨真空泵組投用后節(jié)電效果明顯，兩年多可收回成本。

7 結(jié)語

相比水環(huán)式真空泵，高效氣冷羅茨-水環(huán)真空泵在節(jié)能降耗上有顯著優(yōu)勢。在實(shí)際運(yùn)行中只要凝汽器嚴(yán)密性合格，真空不低于水環(huán)式真空泵，且抽氣性能受冷卻條件影響較小，對于采用直接從江河取用循環(huán)水的開式冷卻水系統(tǒng)更有明顯的優(yōu)勢，在部分工況下抽真空能力更強(qiáng)。解決了水環(huán)真空泵效率低，容易汽蝕的問題，大幅度地提高了設(shè)備的可靠性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。技改后保留原有水環(huán)式真空泵作為備用，既滿足了開機(jī)時(shí)快速建立真空的要求，也可為氣冷羅茨-水環(huán)真空泵組故障或凝汽器真空異常時(shí)提供良好的備用，豐富了運(yùn)行方式，也提高了汽輪機(jī)凝汽器真空系統(tǒng)運(yùn)行安全性。