羅茨水環(huán)真空泵組在雙背壓真空系統(tǒng)上的應(yīng)用

李冬泉，邵世杰

（華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 威海 264205）

0 引言

水環(huán)式真空泵由于結(jié)構(gòu)簡單緊湊，占地面積小，在相同運(yùn)行工況下，耗功僅為射水抽氣器的23%～33%，在火力發(fā)電廠中得到廣泛應(yīng)用。引進(jìn)型300 MW、600 MW 濕冷機(jī)組的常規(guī)抽真空設(shè)備一般配置2～3臺水環(huán)式真空泵，然而現(xiàn)役水環(huán)式真空偏差，越來越多的電廠開始對現(xiàn)有抽真空系統(tǒng)進(jìn)行改造。文獻(xiàn)［1-2］針對300 MW 單背壓機(jī)組，實施了1 套羅茨水環(huán)真空泵的應(yīng)用及節(jié)能效果分析。文獻(xiàn)［3-5］針對600 MW雙背壓機(jī)組，增加了2 套同規(guī)格的羅茨水環(huán)真空泵組，方案是在高、低背壓側(cè)凝汽器上安裝了1 套羅茨水環(huán)真空泵組，這一方案改造工程量大，占地面積大，針對新建機(jī)組比較適宜。文獻(xiàn)［6-7］對真空臭氣管路連接方式進(jìn)行了改造。文獻(xiàn)［8］針對雙轉(zhuǎn)子互換供熱機(jī)組將射水泵真空系統(tǒng)改造成羅茨水環(huán)真空泵。文獻(xiàn)［9］是將600 MW機(jī)組水環(huán)真空泵改造成蒸汽噴射器。文獻(xiàn)［10］是為了改善夏季水環(huán)真空泵抽吸能力不足的問題，提出在真空泵工作水系統(tǒng)上增加一套制冷裝置。針對現(xiàn)役雙背壓600 MW 級以上的超超臨界機(jī)組，提出增設(shè)羅茨水環(huán)真空泵組的改造方案。

1 機(jī)組水環(huán)真空泵系統(tǒng)存在的問題

某機(jī)組汽輪機(jī)為660 MW 超超臨界一次中間再熱雙背壓純凝汽式汽輪機(jī)，凝汽器為N-36000 型雙背壓凝汽器，配套3 臺50%容量的水環(huán)式真空泵組系統(tǒng)。啟動時，3臺水環(huán)式真空泵運(yùn)行；正常運(yùn)行時，兩用一備。機(jī)組運(yùn)行時，在高壓和低壓凝汽器汽室側(cè)聚集的不凝結(jié)性氣體通過水環(huán)式真空泵抽出排至大氣。存在的主要問題有：

1）水環(huán)式真空泵設(shè)計容量明顯偏大，運(yùn)行功率過高。機(jī)組真空泵按照真空嚴(yán)密性400 Pa/min 選型，但實際運(yùn)行期間的真空嚴(yán)密性僅有100 Pa/min左右，真空系統(tǒng)的空氣泄漏量僅為設(shè)計水平的25%。

2）水環(huán)式真空泵抽氣性能在夏季顯著降低。夏季工作水隨著環(huán)境溫度的升高，當(dāng)對應(yīng)的工作水達(dá)到35 ℃以上，抽氣能力急劇下降80%以上。另外工作水汽化產(chǎn)生大量蒸汽形成氣泡，會引起水環(huán)式真空泵汽蝕和較大的噪音。

3）2臺水環(huán)式真空泵并聯(lián)運(yùn)行（每臺真空泵電機(jī)電流運(yùn)行電流均在200 A 左右），導(dǎo)致真空泵耗電率偏大。

4）水環(huán)式真空泵效率一般為30%～50%，能耗高。

2 羅茨水環(huán)真空泵組的改造方案

2.1 羅茨水環(huán)真空泵組的組成

為降低抽真空系統(tǒng)能耗，并解決現(xiàn)有抽空系統(tǒng)存在問題，提出增設(shè)1 套羅茨水環(huán)真空泵組的改造方案，如圖1 所示。改造方案是在原抽真空系統(tǒng)中并列安裝1套高效氣冷試羅茨水環(huán)抽真空泵組D，原有的3臺真空泵（A、B、C）編號不變，位置和連接也不動，只是在C 泵空位一側(cè)再增加一臺羅茨水環(huán)真空泵組D。

圖1 雙背壓超超臨界機(jī)組改造后的抽真空系統(tǒng)

1）羅茨泵：羅茨泵作為真空泵組D 的主泵，在較低的入口壓力時有較大的抽氣速率，但不能單獨(dú)使用，必須與前級真空泵串連，一直等到羅茨泵被前級泵抽到允許入口壓力時才能開始工作，否則羅茨泵容易過熱。由于雙級或多級羅茨泵，存在泵體發(fā)熱的問題，運(yùn)行穩(wěn)定性不如單級泵，而雙級或多級羅茨泵與單級泵相比，整套系統(tǒng)運(yùn)行功率基本相同。因此，電廠羅茨泵一般采用氣冷式單級泵型式。

羅茨泵采用抽吸速率1 200 L/s 的氣冷羅茨泵，配套電機(jī)功率約為45 kW。在羅茨泵的排氣口下部安裝氣體冷凝器。羅茨泵與氣體冷凝器采用列管式，熱負(fù)荷45 kW，冷卻面積40 m2，管程材質(zhì)為304不銹鋼，殼程材質(zhì)為Q235B，冷卻水采用閉式水。

2）水環(huán)泵：水環(huán)泵作為真空泵組D 的前級泵，先將氣冷羅茨真空泵入口壓力抽到允許入口壓力（小于10 kPa），再啟動氣冷羅茨泵。氣冷羅茨泵啟動后，氣冷羅茨水環(huán)泵組D整體處于運(yùn)行狀態(tài)。

前級泵的作用是降低羅茨泵的排出壓力，所以前級泵的進(jìn)口是與羅茨泵的排氣口直接相連的。為了安裝連接方便、密封可靠和減少機(jī)械振動通過連接管路影響羅茨泵正常工作，通常在羅茨泵與前級泵之間的連接管路上需連接一段彈性管，彈性管一般采用金屬波紋管。

前級泵采用抽吸速率1 680 m3/h的水環(huán)泵，配套電機(jī)功率為45 kW。

3）氣體冷凝器：與氣冷羅茨泵連成一體，用于冷卻羅茨泵排出的氣體，同時也冷凝部分從羅茨泵內(nèi)排出的水蒸氣。

4）氣水分離器：對水環(huán)泵排出的氣、水進(jìn)行分離，氣體由排氣口排出，水由回流管路經(jīng)液體換熱器冷卻后回流到水環(huán)泵中循環(huán)使用。

5）液體換熱器：對水環(huán)泵中的循環(huán)工作水進(jìn)行冷卻，保證工作水可以在較低溫度下循環(huán)使用。液體換熱器的冷卻水采用0.3～0.9 MPa的閉式水。

6）重要閥門和管道：羅茨水環(huán)真空泵組與凝汽器之間的管路系統(tǒng)上設(shè)置進(jìn)氣手動門一只，作隔離用。羅茨泵入口設(shè)氣動氣控門一只，在泵組故障或泵組停機(jī)時能快速關(guān)閉，防止空氣漏入凝汽器內(nèi)，且不影響其他真空泵的運(yùn)行。羅茨真空泵入口側(cè)接口規(guī)格：DN 250。

羅茨泵與水環(huán)泵之間安裝逆止閥，羅茨泵的油箱和水環(huán)泵的抽氣腔是不完全隔絕的，為了防止水環(huán)泵停運(yùn)后泵內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)入羅茨泵的油箱，必須安裝此閥。

羅茨水環(huán)真空泵組D抽真空工藝流程見圖2。新增加羅茨水環(huán)真空泵組D 有關(guān)設(shè)備包括：羅茨泵、水環(huán)泵、氣體冷凝器、液體換熱器、氣水分離器、手動隔離門、進(jìn)口氣控門和其他連接管道和閥門。

圖2 羅茨水環(huán)真空泵組D抽真空工藝流程

改造后的設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 羅茨水環(huán)真空泵泵組D設(shè)計參數(shù)

2.2 羅茨真空泵組的控制與運(yùn)行

由于羅茨水環(huán)真空泵組D 投入運(yùn)行前，對入口壓力有一定要求，因此羅茨水環(huán)真空泵組D 不能在機(jī)組建立真空時投入運(yùn)行。在機(jī)組啟動時，應(yīng)將原有的A、B、C水環(huán)真空泵中的任意兩臺（如A、B）按原有運(yùn)行方式先投入運(yùn)行，用以建立真空：首先確認(rèn)A、B、C、D手動隔離門全部開啟，進(jìn)口氣控門關(guān)閉，真空泵液體換熱器、羅茨真空泵氣體冷凝器的閉式水進(jìn)、回水門開啟。然后啟動兩臺水環(huán)真空泵（如A、B），當(dāng)水環(huán)真空泵進(jìn)口氣控門前后壓差≥3.0 kPa 時，自動開啟進(jìn)口氣控門A、B；當(dāng)凝汽器真空≥90 kPa時，停止A、B水環(huán)真空泵運(yùn)行并投備用。

機(jī)組正常運(yùn)行時，即機(jī)組負(fù)荷達(dá)到60%，且凝汽器真空正常時，啟動羅茨水環(huán)真空泵組D 中的水環(huán)泵運(yùn)行；當(dāng)羅茨泵入口壓力＜10 kPa 時，羅茨泵聯(lián)啟；當(dāng)羅茨泵進(jìn)口氣控門的前后壓差＜3.0 kPa時，泵組進(jìn)口氣控門聯(lián)開，保持羅茨真空泵組D 正常運(yùn)行，3 臺水環(huán)真空泵（A、B、C）備用。

當(dāng)水環(huán)泵故障或羅茨泵入口壓力＞20 kPa時，羅茨泵跳閘；當(dāng)羅茨泵已停止且泵組D 進(jìn)口氣控門已關(guān)閉，且真空破壞閥已打開，延時30 s 聯(lián)鎖停止水環(huán)泵。

3 抽真空系統(tǒng)改造后節(jié)能效果分析

當(dāng)羅茨水環(huán)真空泵組D 運(yùn)行時，由于水環(huán)泵吸入的氣體基本都是數(shù)量很少的不凝結(jié)氣體，因此水環(huán)泵的電功率可以較小，大大降低了能耗，相對于原機(jī)配置的抽真空設(shè)備節(jié)能達(dá)80%。

抽真空系統(tǒng)改造前后，運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。改造前原A、B 兩臺水環(huán)式真空泵電流為407.7 A 左右，水環(huán)式真空泵組耗電功率為214.7 kW，改造后真空泵組D 的電流降低了297.6 A，電功率為55.1 kW，節(jié)約功率為159.6 kW，年節(jié)省電量51.9萬元。

表2 抽真空系統(tǒng)改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)

羅茨水環(huán)真空泵組D 投運(yùn)正常，負(fù)荷在340～660 MW 時，凝汽器真空值平均98 kPa，比改造前兩臺水環(huán)式真空泵運(yùn)行真空高0.5 kPa以上；按照平均負(fù)荷480 MW，真空度提高1 kPa，煤耗率下降2.0 g/kWh，標(biāo)準(zhǔn)煤價格800 元/t計算，提高真空值增加的節(jié)煤收益為249.6萬元。

4 結(jié)語

羅茨水環(huán)真空泵組方案是在660 MW 超超臨界雙背壓機(jī)組上實施改造的，同樣也適應(yīng)于300 MW機(jī)組，只是把羅茨水環(huán)真空泵組D 容量減少1 倍即可，如羅茨泵采用抽吸速率600 L/s 的氣冷羅茨泵。水環(huán)泵作為泵組的前級泵，水環(huán)泵入口抽吸壓力提高一倍以上（4 kPa→10 kPa），不但提高了水環(huán)泵抗汽蝕能力，而且降低了氣泡引起的噪音。

新增加的1 套高效羅茨水環(huán)真空泵組D 投入運(yùn)行，用以維持機(jī)組運(yùn)行中的真空；原有A、B兩臺水環(huán)式真空泵作備用，原有的另1 臺泵也不需要拆除，可作為備用泵的備用，抽真空系統(tǒng)在改造后可靠性大大提高了。高效羅茨水環(huán)真空泵組D 和原水環(huán)式真空泵占地面積基本相當(dāng)，如果現(xiàn)場位置不夠，也可以將水環(huán)式真空泵C 拆除，在C 泵位置安裝高效羅茨水環(huán)真空泵組D。即使這樣，由于仍有A、B 兩臺水環(huán)式真空泵作備用，因此抽真空系統(tǒng)可靠性比改造前提高了1倍。

在雙背壓機(jī)組上增加1 套高效羅茨水環(huán)真空泵組D，節(jié)能效果比增加2套高效羅茨水環(huán)真空泵組稍微差一些，但節(jié)約了投資和占地面積，此項改造合計投資150萬元，投資回收期僅僅0.5年。