抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造技術(shù)研究及應(yīng)用

文_楊一盈 郭江龍 郭岸松

1 河北冀研能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 2 秦皇島秦?zé)岚l(fā)電有限責(zé)任公司 3 河北省火力發(fā)電清潔高效熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新中心

火力發(fā)電主要的動(dòng)力能量來(lái)源是汽輪機(jī)。在汽輪機(jī)工作過(guò)程中，凝氣器是將蒸汽凝結(jié)，汽輪機(jī)排出的汽經(jīng)過(guò)與冷卻管換熱，凝結(jié)成水，且需要凝汽器具有一定的真空度；對(duì)于汽輪機(jī)的發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，真空度（或壓力）是最大的可控?fù)p失，因此真空泵對(duì)于凝汽器的真空效果和抽氣系統(tǒng)的能耗有著較為重要的影響。本文通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解水環(huán)真空泵應(yīng)用現(xiàn)狀，研究抽真空系統(tǒng)改造技術(shù)工藝，以低成本改造、滿足機(jī)組運(yùn)行需求為基礎(chǔ)，以節(jié)能減排為準(zhǔn)則，采用干式螺桿泵抽真空系統(tǒng)改造技術(shù)，緩解水環(huán)真空系統(tǒng)的凝汽器存在的率過(guò)大、抽真空效果易受工作液溫度影響、端差大、凝結(jié)水溶氧超標(biāo)、噪音大、維護(hù)成本高等問(wèn)題。

1 抽真空系統(tǒng)改造技術(shù)原理

1.1 水環(huán)泵真空系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，大型火力發(fā)電廠的凝汽器抽真空系統(tǒng)一般裝有2～3臺(tái)較大功率的水環(huán)式真空泵組，其中300MW機(jī)組一般裝設(shè)2臺(tái)，一運(yùn)一備；600MW以上機(jī)組一般裝設(shè)3臺(tái)，二運(yùn)一備。電廠在選擇真空泵類型及設(shè)計(jì)時(shí)，主要以“快速啟機(jī)的響應(yīng)速度和最大的允許漏氣量”為選型原則，滿足機(jī)組運(yùn)行啟動(dòng)要求（一般要求30min左右）；機(jī)組真空度達(dá)到要求后，一至兩臺(tái)運(yùn)行維持機(jī)組真空需求，一臺(tái)備用。水環(huán)真空泵具有泵的轉(zhuǎn)數(shù)高、可與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，無(wú)須減速裝置、速率快等優(yōu)勢(shì)。

1.2 抽真空系統(tǒng)改造的必要性

隨著運(yùn)維技術(shù)的提高，電廠的凝氣器正常運(yùn)行中，凝汽器真空系統(tǒng)的真空泄漏量普遍小于設(shè)計(jì)時(shí)的400Pa/min，機(jī)組運(yùn)行維持真空時(shí)，存在真空泵功率過(guò)大的問(wèn)題；另外，水環(huán)真空泵的抽真空效果受工作液溫度影響，在水環(huán)泵運(yùn)行過(guò)程中，其局部的壓力降低到實(shí)際工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力以下的情況時(shí)，工作液的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生汽化，生成氣泡，并隨著工作液移動(dòng)至出口的高壓區(qū)。在出口的高壓區(qū)處，產(chǎn)生的氣泡會(huì)破裂，蒸汽重新凝結(jié)，產(chǎn)生空穴，造成四周的工作液快速流入，形成高頻的水錘，對(duì)葉片造成沖擊，出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象。綜上所述，水環(huán)真空泵的抽真空系統(tǒng)轉(zhuǎn)子易汽蝕損壞，維護(hù)費(fèi)用高；極限抽吸能力受工作水溫限制，端差大；真空效果差、凝結(jié)水溶氧超標(biāo)。

1.3 技術(shù)原理

該技術(shù)是在凝汽器原抽真空設(shè)備基礎(chǔ)上并聯(lián)一套干式螺桿泵抽真空系統(tǒng)，利用干式螺桿真空泵特點(diǎn)、轉(zhuǎn)子與泵體較小間隙設(shè)計(jì)、無(wú)摩擦，多程變螺距設(shè)計(jì)、功耗低，工作腔無(wú)需潤(rùn)滑油或密封水、極限真空度可達(dá)2Pa（一般水環(huán)真空泵的真空度為3～4kPa）；在發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)期間利用原有真空泵組迅速建立機(jī)組真空，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，利用凝汽器真空系統(tǒng)低漏入較少不凝氣體運(yùn)行特性，以較低能耗維持機(jī)組的真空度。干式螺桿真空泵結(jié)構(gòu)原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 干式螺桿真空泵結(jié)構(gòu)原理示意圖

2 改造技術(shù)工藝流程

2.1 系統(tǒng)概況

抽真空系統(tǒng)節(jié)能升級(jí)改造技術(shù)的主設(shè)備采用干式螺桿真空機(jī)組，工作腔無(wú)需潤(rùn)滑油或工作水，軸端采用無(wú)泄漏無(wú)磨損復(fù)合密封，變頻調(diào)速，抽氣速率可調(diào)，負(fù)荷適用范圍較廣。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)和保護(hù)邏輯、簡(jiǎn)單易維護(hù)，且占地面積小。

2.2 工藝流程

發(fā)電廠凝汽器干式螺桿真空機(jī)組節(jié)能升級(jí)改造技術(shù)系統(tǒng)如圖2所示，主要包括發(fā)電廠凝汽器、進(jìn)氣管路以及發(fā)電廠原水環(huán)真空泵組。進(jìn)氣管路的輸出端連接發(fā)電廠原真空泵組和與其并聯(lián)的干式高效真空機(jī)組；通過(guò)管道連接的進(jìn)氣手動(dòng)閥；干式變螺距螺桿泵機(jī)組的受控端連接控制裝置并與發(fā)電機(jī)組DCS控制系統(tǒng)連接。

圖2 凝汽器抽真空機(jī)組系統(tǒng)流程圖

進(jìn)汽手動(dòng)閥和干式高效真空機(jī)組之間的管路中設(shè)有進(jìn)氣速關(guān)氣動(dòng)閥，進(jìn)氣速關(guān)氣動(dòng)閥的受控端連接控制裝置的輸出端。干式變螺距螺桿泵機(jī)組上設(shè)置有冷卻水管路，用來(lái)冷卻軸承溫度。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 基于機(jī)組真空泄漏量模型算法定制系統(tǒng)抽氣速率技術(shù)

由于電廠凝汽器真空系統(tǒng)嚴(yán)密性的逐步提高，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下真空嚴(yán)密性的實(shí)際狀況，采用機(jī)組真空泄漏量模型算法確定抽真空設(shè)備的抽氣速率，定制化設(shè)計(jì)抽真空系統(tǒng)的功率，并采用變頻調(diào)速設(shè)計(jì)，大幅度降低系統(tǒng)配置功率，更節(jié)能。

2.3.2 無(wú)泄漏無(wú)磨損軸端復(fù)合密封技術(shù)

利用干式螺桿真空泵的特點(diǎn)，在軸端采用無(wú)泄漏無(wú)磨損復(fù)合密封，軸承潤(rùn)滑油不易乳化，使用壽命長(zhǎng)。

2.3.3 積木式模塊化集成設(shè)計(jì)技術(shù)

采用積木式模塊化集成設(shè)計(jì)技術(shù)，占地面積小于4m2，適合經(jīng)優(yōu)化空間設(shè)計(jì)后的各種發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)空間，減少設(shè)備占地面積，簡(jiǎn)化設(shè)備接口，降低維護(hù)費(fèi)用。設(shè)計(jì)有完善的保護(hù)邏輯和自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單易維護(hù)。

3 改造技術(shù)應(yīng)用

3.1 應(yīng)用單位概況

在某電廠的5號(hào)、6號(hào)機(jī)組進(jìn)行示范建設(shè)，該電廠的汽輪機(jī)為國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、濕冷抽氣凝汽試汽輪機(jī)。兩臺(tái)機(jī)組分別配置2臺(tái)納西姆工業(yè)（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)的ELMO-F2BE1353-OMY4型水環(huán)式真空泵，機(jī)組運(yùn)行時(shí)一用一備，真空泵電機(jī)額度功率160kW，正常運(yùn)行時(shí)，電流約為220A，運(yùn)行功率約為145kW。

某電廠的5號(hào)、6號(hào)機(jī)組配備的干式真空泵組具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 干式螺桿真空泵設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況在電負(fù)荷220MW、熱負(fù)荷390t/h，電負(fù)荷270MW、熱負(fù)荷400t/h下，進(jìn)行水環(huán)式真空泵運(yùn)行和干式螺桿真空泵系統(tǒng)運(yùn)行下的試驗(yàn)，具體工況有兩種。其中工況1是在原水環(huán)真空泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下試驗(yàn)，工況2是在干式螺桿真空泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下試驗(yàn)。試驗(yàn)中，主機(jī)負(fù)荷，循環(huán)水泵運(yùn)行方式與工況1相同；干式真空泵系統(tǒng)按照改造后運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)熱平衡設(shè)計(jì)圖的規(guī)定，運(yùn)行人員對(duì)機(jī)組的熱力系統(tǒng)運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，使其符合設(shè)計(jì)要求，解列自動(dòng)發(fā)電控制（簡(jiǎn)稱“AGC”）。在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，停止鍋爐吹灰操作，維持機(jī)組補(bǔ)水的穩(wěn)定。在維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，通過(guò)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使相關(guān)參數(shù)盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)值，上下幅度符合試驗(yàn)規(guī)程。

工況1：在水環(huán)式真空泵運(yùn)行狀態(tài)下，在試驗(yàn)運(yùn)行負(fù)荷下，主要參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)；機(jī)組切除AGC，運(yùn)行方式切換為機(jī)跟爐的方式或是機(jī)爐基本運(yùn)行的方式，維持鍋爐側(cè)的各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定且不再變化，參數(shù)主要包括煤量、風(fēng)量、主汽壓力/溫度及再熱壓力/溫度、過(guò)堿流量、再堿流量等，其中的爐側(cè)風(fēng)量及煤量調(diào)節(jié)為手動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，汽機(jī)電負(fù)荷、熱負(fù)荷保持穩(wěn)定；開(kāi)啟水環(huán)式真空泵，停運(yùn)干式螺桿真空泵機(jī)組，隔離干式螺桿真空系統(tǒng)與正常運(yùn)行系統(tǒng)（如關(guān)閉凝結(jié)水聯(lián)絡(luò)閥門(mén)、抽空氣管聯(lián)絡(luò)閥門(mén)）；主要運(yùn)行參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，運(yùn)行1h后，記錄試驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)。

工況2：在干式真空泵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)運(yùn)行負(fù)荷下，主要參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)；機(jī)組切除AGC，運(yùn)行方式切換為機(jī)跟爐的方式或是機(jī)爐基本運(yùn)行的方式，維持鍋爐側(cè)的各項(xiàng)參數(shù)穩(wěn)定，參數(shù)主要包括煤量、風(fēng)量、主汽壓力/溫度及再熱壓力/溫度、過(guò)堿流量、再堿流量等，同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中盡量控制鍋爐燃燒量和給水流量的變化浮動(dòng)，不要出現(xiàn)較大波動(dòng)；開(kāi)啟干式螺桿真空系統(tǒng)，停運(yùn)水環(huán)式真空泵；調(diào)整鍋爐燃燒，主機(jī)的電負(fù)荷、熱負(fù)荷盡量維持一致；主要運(yùn)行參數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)后，運(yùn)行1h后，記錄試驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)。

先水環(huán)式真空泵運(yùn)行，再干式螺桿真空泵運(yùn)行，試驗(yàn)參數(shù)除流量和功率每2min記錄一次外，其它均應(yīng)每5min記錄一次；IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集頻率通常設(shè)定為30s；若數(shù)據(jù)取自DCS系統(tǒng)，應(yīng)將采集頻率設(shè)定為2min。

3.3 試驗(yàn)效果

5號(hào)機(jī)組電負(fù)荷220MW、熱負(fù)荷390t/h條件下，投入1號(hào)水環(huán)式真空泵，退出干式真空泵組，水環(huán)式真空泵電流217.82A，排氣壓力3.47kPa，凝結(jié)水溶氧47.34ug/L；退出1號(hào)水環(huán)式真空泵，投入高效真空泵組，高效真空泵組變頻器前電流39.7A，凝汽器真空1.60kPa，凝結(jié)水溶氧2.42ug/L；同原水環(huán)式真空泵運(yùn)行相比，高效真空泵組的電流降低了81.77%；背壓降低1.87kPa。

6號(hào)機(jī)組電負(fù)荷270MW、熱負(fù)荷400t/h條件下，投入1號(hào)水環(huán)式真空泵，退出干式真空泵組，水環(huán)式真空泵電流223.33A，凝汽器真空4.32kPa，凝結(jié)水溶氧12.61ug/L；退出1號(hào)水環(huán)式真空泵，投入高效真空泵組，高效真空泵組變頻器前電流31.9A，凝汽器真空2.18kPa，凝結(jié)水溶氧2.93ug/L；同原水環(huán)式真空泵運(yùn)行相比，高效真空泵組的電流降低了85.72%；背壓降低2.14kPa。

4 結(jié)論

從某電廠5號(hào)、6號(hào)機(jī)水環(huán)真空泵、干式螺桿真空泵切換運(yùn)行，凝汽器端差、機(jī)組真空和凝結(jié)水溶氧參數(shù)變化分析，干式螺桿真空泵的極限真空度高，節(jié)能效效果好，可有效解決因水泵式真空泵極限真空限制、漏入真空系統(tǒng)的不凝氣體無(wú)法完全抽出而造成的凝汽器端差大、真空差、凝結(jié)水溶氧高問(wèn)題，在電廠凝汽器抽真空改造應(yīng)用中具有廣闊推廣價(jià)值。

該技術(shù)可以提高采暖季凝汽器真空度，隨著低壓缸排汽壓力的降低，有效改善低壓缸末級(jí)、次末級(jí)葉片鼓風(fēng)狀況。特別是對(duì)于采用“切除低壓缸進(jìn)汽靈活性改造”的供熱機(jī)組，可以降低供熱機(jī)組低壓缸冷卻蒸汽流量，增加供熱抽氣流量，進(jìn)一步提升機(jī)組供熱和調(diào)峰能力。