350MW机组凝汽器真空泵冷却水系统改造

刘雪成，肖顺春，张建忠

（华能瑞金电厂，江西赣州 341108）

0 引言

在火力发电厂中，凝汽器的作用之一是在汽轮机排汽口形成较高的真空，使机组排汽尽可能的膨胀做功，减少冷源损失。在机组真空系统中，压力最低部分是真空泵，大概比凝汽器低0.8 kPa左右。真空泵的壳体轮廓形成一个偏心圆，且叶轮上带有许多沿旋转方向弯曲的叶片。当叶轮转动时，壳体内的水便会被离心力压向壳体的内表面，并形成偏心圆形状的水层。这样，如图1中所示处便形成一空洞状态，相邻两个叶片之间的空间形成气缸，而水就像活塞一样，沿着叶片上下移动，这种运行方式如同往复真空泵一样。换句话说，当叶轮旋转时，气体通过壳体的吸入口处进入壳体，再从孔板的吸气口进入叶轮，并在移动过程中经膨胀和压缩后，从孔板排气口向壳体的排出口排出。

在电厂冷端优化分析中，都集中在对影响机组真空的常规因素，如循环水流量、循环水温度、真空严密性、凝汽器钢管的清洁度等上面，而往往忽视了真空泵本身工作性能对真空的影响。现在电厂中，凝汽器抽真空设备普遍采用偏心式水环真空泵，其具有能耗低、噪音小、抽吸能力强、运行稳定等突出优点。真空泵能抽吸到的极限真空为工作液温度对应的饱和压力，在冬季时，受凝汽器极限真空制约，真空泵很容易满足工作需要；而南方夏季工况时，工作冷却液温度可达到40℃，对应饱和压力7.38 kPa，再加上抽汽管道压力损失，使得凝汽器背压最低在8 kPa以上。受上述条件制约，冷端无论如何优化，都无法突破真空泵最低抽汽压力限制。

图1 水环真空泵工作示意

由此可见，夏季工况时，真空泵抽吸能力对机组的经济性有显著影响。有必要对真空泵工作液温度对其性能的影响进行试验研究，以给出切实有效的解决方案。

1 可行性试验

华能瑞金电厂350 MW机组为国产首台超临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽器式汽轮机组，采用自然通风湿式冷却塔，循环水为闭式循环供水系统。真空泵为上海鹤见泵厂生产的200EVMA-07Y04210型真空泵。每台机组配备两台真空泵，机组运行时一台真空泵运行、一台真空泵备用。设计在5.7 kPa、23.3℃抽空气量75 m3/h，极限入口压力为3.39 kPa。

可行性试验选择在春季进行，此时可调节工作液温度。选择300 MW工况，主再热进汽参数稳定、循环水流量和温度稳定、尽量按热力试验要求停止补水等操作，使得试验结果具有可比性。

真空泵极限入口压力为3.39 kPa，对应饱和温度26.15℃，因此试验工作液温度从26℃开始，通过减小工作液冷却水量提高其温度，每升高3℃后稳定20 min，记录一次参数。若工作液温度过高，真空泵出力将急剧下降，所以最高试验温度为36℃，记录见表1。

表1 可行性试验参数记录

图2 工作液温度和真空变化趋势图

从表1和图2可知，随着工作液温度升高，机组真空同步下降，并呈现加速趋势：当工作液温度从27℃升高到30℃，真空下降0.22 kPa；当工作液温度从30℃升高到33℃，真空下降0.39 kPa；当工作液温度从33℃升高到36℃，真空下降0.76 kPa。随着工作液温度升高，其抽吸能力将不断下降，并最终失去有效工作能力。

该机组凝汽器、真空泵工作液冷却水都是循环水，因其在夏季温度过高，真空泵在接近汽蚀或汽蚀工况下运行，不能彻底抽出凝汽器内漏入空气而降低了机组真空。为使真空泵具有良好工作性能，应降低工作液温度，及时抽出漏入的不凝结气体。现场中降低工作液的方法有增加冷却器面积、采用地下水冷却、加装制冷机等，根据现场实际和其它电厂经验，认为可行的方案是加装制冷机，夏季工况时，将工作液冷却水切为制冷机提供。

2 系统改造方案

2.1 凝汽器真空泵制冷装置的选择计算

机组运行中，凝汽器真空是汽轮机排汽凝结形成的，真空泵作用是抽出凝汽器中不凝结气体，以保证凝汽器在循环水温度下正常工作，所以真空泵入口压力满足：＜凝汽器正常背压（对应循环水流量和温度等）-抽气管道压损。管道压损取1 kPa足够，在正常冷却范围内，4℃温差基本对应1 kPa饱和压力差，加上真空泵温升2℃，取工作液温度下降6℃进行设计计算：

真空泵密封水参数：真空泵密封水总容量约：20 T/h，如果按密封水每通过制冷装置下降6℃计算：

需要的制冷量＝Q×ΔT×C p=20×1 000×6×4.186=502 320 kJ/h

因为1 kJ＝2.78×10-4kWh。所以制冷量＝502 320×2.78×10-4＝140 kW。

选择的制冷机组能效比取3，由以上计算，可以选择50 kW（按耗电量）容量的制冷机组。

2.2 真空泵制冷装置系统布置

制冷装置选择特灵空调系统公司生产的CGWP0505BKRCRA型水冷式冷水机组，名义制冷量为146.5 kW，冷冻水流量25 m3/h。制冷装置的冷却水为闭式水，冷冻水为真空泵工作液。每台机组增设一套冷水机组，向两台真空泵分别提供冷冻水，通过管道切换实现向一台真空泵制冷，备用真空泵仍采用循环水冷却。制冷装置在循环水温度高于27℃时投入，低于26℃时切除，接入系统见图3、4。

图3 真空泵上增加压缩制冷装置系统

图4 真空泵加装制冷装置

3 凝汽器真空泵制冷装置改造效果试验

系统改造后，在夏季工况进行了真空泵冷却装置投入/退出对比试验，装置切换完毕后，停留足够时间，待工作液温度稳定后再进行记录。

表2 制冷装置投/切试验数据

280MW负荷时制冷装置投入、切除试验数据分析：

机组真空变化值=91.68-91.16=0.52 kPa

350MW负荷时制冷装置投入、切除试验数据分析：

机组真空变化值=90.43-90.06=0.37 kPa

4 真空泵加装压缩制冷系统项目评估

每台机组一套水冷机组设备、安装费用共计28万元；夏季高温季节按3个月，共投入2 000 h冷水机组，冷水机组功耗按50 kW计算；夏季机组按80%负荷率即280 MW工况计算；当真空变化时，对机组功率影响如图5所示。

图5 机组排汽压力对功率修正曲线

280 MW负荷制冷装置投入、切除机组真空变化值在91.68～91.16 kPa之间，由图4可知，机组功率约变化0.3%，即

280MW×0.3%=280×1000×0.3/100kW=840 kW

当制冷装置投入后，因机组真空提高，在不增加燃料等成本的情况下，净增机组功率为：

840-50=790 kW

上述功率的增加未带来其它成本的增加，属于净收益，按0.45元上网电价计算，每年净收益为：

790×0.45×2 000=71.1万元

夏季投入制冷装置后，仅一个多月时间就可收回28万元投资成本。

5 结论及建议

1）安全、操作可行性：制冷装置串联在密封水回路中，并设有旁路。在制冷装置出现故障时可以切除制冷装置，密封水走旁路，只是影响经济性，不影响设备的安全运行。系统上只是增加六个阀门，且在正常情况下每年切换一次，所以对运行操作量没有影响。

2）指标影响：现在国家对节能减排非常重视，提高机组运行指标迫在眉睫。真空泵改造后，在夏季可以提高0.5 kPa真空和降低1.2 g/kWh煤耗，对于提高机组运行指标是非常必要的。

3）综上所述，本次改造在安全性、操作可行性、运行指标、经济性上是成功的，建议同类型冷却机组可进行此种改造。

[1]CHO2汽轮机说明书，哈尔滨汽轮机厂[Z].