余熱發(fā)電汽輪機(jī)真空抽氣系統(tǒng)節(jié)能改造

李俊

某公司5 000t/d水泥熟料生產(chǎn)線配套9MW余熱發(fā)電機(jī)組。機(jī)組汽輪機(jī)為NZ9-0.689/0.137-7型9MW補(bǔ)汽冷凝式，額定排汽壓力為0.006MPa（a）；發(fā)電機(jī)型號QFW-10-2A/Z 10.5kV，功率為10MW；汽輪機(jī)采用射水真空抽氣系統(tǒng)抽真空，配備有1臺射水抽氣器、2臺射水泵（1用1備）、1個射水箱、1個回收水坑、1臺回收水泵，電機(jī)功率為30kW，抽氣真空度在-90kPa左右，該系統(tǒng)電耗高、耗水量大、效率較低。為降低射水真空抽氣系統(tǒng)能耗，提高發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率，該公司將射水真空抽氣系統(tǒng)改造為SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)。改造后，在同樣運(yùn)行工況下，SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)節(jié)電節(jié)水效果明顯。

1 射水真空抽氣系統(tǒng)存在的問題

（1）占用空間較大

射水真空抽氣系統(tǒng)由射水抽氣器、噴射器、凝汽器、射水泵、射水箱、射水池、冷卻水管道等組成，常沿汽輪機(jī)機(jī)房零米處至系統(tǒng)運(yùn)行平臺布置，所占用空間較大。

（2）能耗偏高

射水抽氣器利用射水泵提供的高速水流，在噴射器內(nèi)部形成一定的真空度，進(jìn)而將凝汽器內(nèi)部氣體排出。因為射水泵提供的水流速度非常高，射水泵管道阻力大，部分功率將用于克服管道阻力，造成射水真空抽氣系統(tǒng)效率低、能耗高。

（3）用水量偏大

射水抽氣器利用射水泵循環(huán)往復(fù)抽放射水池里的水，凝汽器里通常是空氣與水蒸氣的混合氣體，混合氣體中占絕大部分的水蒸氣凝結(jié)成水再次進(jìn)入射水池，使射水池水溫升高。因射水池水溫對噴射器的抽氣效果起關(guān)鍵作用，為使射水池水溫保持在較低水平，必須向射水真空抽氣系統(tǒng)射水池里加入冷水，同時排掉一部分熱水，用水量偏大。

（4）抽氣效率較低

射水抽氣器屬于一種等質(zhì)量的抽氣裝備，在低真空度狀態(tài)下抽氣時有一定效果。若在較高真空度狀態(tài)下，因空氣相對稀薄且流量很不均勻，射水抽氣器的抽氣效率將受到很大限制，且波動較大。

2 高效真空抽氣系統(tǒng)工作原理和運(yùn)行優(yōu)勢

2.1 系統(tǒng)組成

SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)由前置處理器、凝汽器、濾水器、蓄能器、特制高效油環(huán)真空泵、換熱器、分離器、自動排水裝置、壓力及溫度就地檢測裝置、速關(guān)閥、冷卻水管道、電氣操作系統(tǒng)等組成。

2.2 工作原理

前置處理器采用特殊結(jié)構(gòu)制成，能夠?qū)⒛鞒隹诨旌峡諝庵械拇蟛糠炙魵饫鋮s成凝結(jié)水，使進(jìn)入油環(huán)真空泵的混合氣體體積量縮小70%~85%，在油環(huán)真空泵抽吸量相同的裝機(jī)工況下，抽氣系統(tǒng)抽吸能力大幅提高，能耗大大降低。

從凝汽器抽吸出來的不凝結(jié)氣體和部分水蒸氣經(jīng)管道進(jìn)入前置處理器后，大部分水蒸氣凝結(jié)成水回收到凝汽器熱水井，剩余氣體體積變小，先進(jìn)入蓄能器，再進(jìn)入油環(huán)真空泵；受離心力影響，油環(huán)真空泵泵腔內(nèi)的油液隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)而被拋向四周，從而形成一個厚度均勻的封閉油環(huán)。封閉油環(huán)下部的內(nèi)表面與油環(huán)真空泵的葉輪輪轂相切，上部的內(nèi)表面與油環(huán)真空泵的葉片頂部相連，真空泵葉輪輪轂與封閉油環(huán)之間形成一個近似月牙形的空間，被葉輪分隔成若干個與葉片數(shù)相等的腔體。腔體體積隨著葉輪的高速轉(zhuǎn)動迅速增大，之后與吸氣口連通并吸入氣體，吸氣完成后，腔體與吸氣口分離，葉輪繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動，腔體體積縮小，腔體內(nèi)部的氣體被迅速壓縮。當(dāng)腔體與排氣口連通時，氣體從真空泵排出，經(jīng)油氣分離器分離，之后絕大部分氣體排入大氣，少量水蒸氣進(jìn)入工作油中凝結(jié)成水。因油水的密度不同，水沉積在油水分離器底部，當(dāng)水位高于油水分離器1/2位置時，水自動排出。重復(fù)上述流程直至凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體被全部抽出，從而保證凝汽器的真空度。在工作過程中，通過油冷卻器中的循環(huán)冷卻水帶走工作液連續(xù)循環(huán)產(chǎn)生的熱量，使油溫維持在規(guī)定范圍內(nèi)[1]。

2.3 運(yùn)行優(yōu)勢

（1）高效真空抽氣系統(tǒng)采用“一用一備”常規(guī)運(yùn)行模式，符合余熱電站關(guān)鍵設(shè)備的配置要求。

（2）高效真空抽氣系統(tǒng)在原有主抽空氣管路上增加了1臺電動高真空切斷閥，將原有射水真空抽氣系統(tǒng)與冷凝器斷開。使用高效真空抽氣系統(tǒng)時，需確保原有射水真空抽氣系統(tǒng)射水箱內(nèi)的空氣不會反流，當(dāng)高效真空抽氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，僅需打開高真空切斷閥，將原射水真空抽氣系統(tǒng)接入至冷凝器即可。高效真空抽氣系統(tǒng)已配置返氣閥，無需進(jìn)行其他操作，整個切換過程僅為10~15s，有效杜絕了因高效真空抽氣系統(tǒng)故障而導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)事故的發(fā)生。

（3）高效真空抽氣系統(tǒng)正常運(yùn)行時，無需調(diào)節(jié)閥門，即使出現(xiàn)故障，也基本不需調(diào)整。其操作簡單，故障率大幅降低，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性大幅提高。

3 高效真空抽氣與射水真空抽氣系統(tǒng)性能比較

射水真空抽氣系統(tǒng)的工作原理是由射水泵將射水箱內(nèi)的水加壓至0.5MPa（a），送至射水真空抽氣器。射水真空抽氣器內(nèi)部均勻分布了多個噴水嘴，可迅速將水噴入射水箱內(nèi)，高速運(yùn)動的水流帶走周圍的空氣，將冷凝器內(nèi)不凝結(jié)的乏汽排出，從而形成真空。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)已開發(fā)出了高效真空抽氣系統(tǒng)取代射水真空抽氣系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)操作，實現(xiàn)了節(jié)電節(jié)水。

（1）射水真空抽氣系統(tǒng)是先將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動能，在機(jī)械能轉(zhuǎn)換的過程中必然會損耗一部分電能。高效真空抽氣系統(tǒng)則是將電能直接轉(zhuǎn)化為動能，可節(jié)約64%的電能。在相同運(yùn)行工況下，原有射水真空抽氣系統(tǒng)電耗為30kW，而高效抽真空抽氣系統(tǒng)電耗僅為11kW。

（2）射水真空抽氣系統(tǒng)用水作為工作液，水在高真空度中易汽化，進(jìn)而易損耗系統(tǒng)功率。高效真空抽氣系統(tǒng)采用32/46#油作為工作液，該工作液汽化點高，可在真空泵腔內(nèi)形成保護(hù)層，從而有效減少了真空泵的葉輪腐蝕和麻點等，大幅延長了真空泵使用壽命，減少維護(hù)工作量的同時可節(jié)約30%的能耗[2]。

（3）射水真空抽氣系統(tǒng)設(shè)有射水箱和射水池，水作為其工作液易汽化，需不斷補(bǔ)充和置換，才能確保射水箱和射水池水溫控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，并保持足夠的真空度。在夏季高溫時，被排出的水帶有較高溫度，再次回收進(jìn)循環(huán)水池中，也會影響冷卻塔的冷卻效果。高效真空抽氣系統(tǒng)采用了直抽模式，將工作液由易汽化的水改為不易汽化的32/46#汽輪機(jī)油，可有效節(jié)約水資源[2]。

（4）射水真空抽氣系統(tǒng)工藝流程較為復(fù)雜，其中水流先由射水箱至射水泵，再到噴射器，最后返回至射水箱，設(shè)備故障率相對較高，尤其是噴射器的噴頭易堵塞，且維護(hù)不便。高效真空抽氣系統(tǒng)采用納西姆技術(shù)，其葉輪為不銹鋼精加工，不易變形且耐腐蝕，可大幅降低系統(tǒng)維護(hù)成本，優(yōu)點較多。

（5）射水真空抽氣系統(tǒng)射水泵出口處沒有電動閥門，其控制方式較簡單，僅對設(shè)備的啟停進(jìn)行控制，同時，設(shè)置相應(yīng)的電流監(jiān)測裝置。高效真空抽氣系統(tǒng)配有綜合監(jiān)控裝置，油溫和電流可在中控系統(tǒng)顯示，且每臺真空泵出口處均裝有電動閥門；其配電柜中的控制邏輯模塊，可有效保證“泵關(guān)閥關(guān)、泵開閥開”，且響應(yīng)迅速；同時，通過中控操作屏幕可實現(xiàn)對整個高效抽真空系統(tǒng)的監(jiān)測與控制[1]。

4 改造方案

在原射水真空抽氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新增一套高效真空抽氣系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)工藝布置見圖1。

圖1 改造后的真空抽氣系統(tǒng)工藝布置

改造時，在原有射水真空抽氣系統(tǒng)凝汽器一側(cè)母管上引出一條抽氣管，接至SXCQ-33-Y-11高效真空抽氣系統(tǒng)；冷卻循環(huán)水由主循環(huán)水管接入SXCQ-33-Y-11高效真空抽氣系統(tǒng)的冷卻器，再返回主循環(huán)水管。改造后，原射水真空抽氣系統(tǒng)可作為備用系統(tǒng)保留。SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)技術(shù)要求及主要設(shè)備構(gòu)成分別見表1、表2。

表1 SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)技術(shù)要求

表2 SXCQ-33-Y-11型高效真空抽氣系統(tǒng)主要設(shè)備構(gòu)成

5 改造效果

（1）節(jié)能降耗效果明顯

真空抽氣系統(tǒng)改造前后對比見表3。由表3可見，改造后，電耗大幅降低，節(jié)能降耗效果明顯，2年即可收回改造成本。

表3 真空抽氣系統(tǒng)改造前后對比*

（2）系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定

改造前，夏季受環(huán)境溫度影響，汽輪機(jī)的排氣壓力升高，進(jìn)入射水抽氣器的混合氣體中的蒸汽量增加，蒸汽在射水抽氣器中與工作水混合，放出熱量，致循環(huán)水水溫升高。射水抽氣器混合室內(nèi)工作壓力降低，抽吸能力下降，進(jìn)而使凝汽器內(nèi)真空度降低。改造前，為滿足夏季工況，必須同時開啟射水真空抽氣系統(tǒng)兩臺射水泵才能滿足生產(chǎn)要求，電耗及用水量較大。改造后，高效真空抽氣系統(tǒng)油環(huán)真空泵受環(huán)境溫度影響較小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）系統(tǒng)工藝簡單，安全可靠，維護(hù)工作量少

改造前，射水真空抽氣系統(tǒng)占地面積大，設(shè)施布置分散。改造后，高效真空抽氣系統(tǒng)裝置全部集成在一個共同的底座上，結(jié)構(gòu)簡單，易損件少，集中控制，占地面積小，維護(hù)工作量少。

6 結(jié)語

本次余熱發(fā)電汽輪機(jī)真空抽氣系統(tǒng)的改造在原有9MW余熱電站基礎(chǔ)上實施，無需新增土建工程，所需電源、水源、建設(shè)場地等均利用原有電站廠房的資源即可，不僅能夠完全滿足生產(chǎn)需要，而且節(jié)能降耗效果顯著。