调峰机组真空系统安全节能改造实践

黄力森

(深圳市广前电力有限公司，广东 深圳518054)



调峰机组真空系统安全节能改造实践

黄力森

(深圳市广前电力有限公司，广东 深圳518054)

摘要：针对某电厂燃气蒸汽联合循环机组真空系统能耗较高的问题，分析其水环真空泵正常运行时电耗较高的原因及其解决办法，提出利用罗茨真空泵与水环真空泵组成高效真空泵组作为机组正常运行时抽真空的设备，原有的水环真空泵仅用于启动和故障时备用的方案。按照该方案改造后，系统中真空泵的耗电量大幅降低。

关键词：真空系统；节能；水环真空泵；调峰机组；罗茨真空泵

当前，我国正在建设节能型国家，内部挖潜和节能改造成为火电厂提升经济效益的重要手段。众所周知，火电机组的真空度对于机组的总体效率有重要的影响，而真空系统自身的能耗也会影响机组的总体能耗水平。目前广泛应用于火电厂的抽真空设备主要是射水抽气器和水环真空泵。而水环真空泵普遍存在容易发生汽蚀和能耗较高的问题，因此，如何解决上述问题成为降低真空系统能耗的关键。

文献[1]结合某电厂真空泵在凝汽器高真空运行情况下发生振动加剧、电流突变、叶片弯曲断裂等现象，进行了汽蚀故障诊断、系统改造及效果分析，提出水环真空泵汽蚀诊断思路及预防建议。文献[2]对射水抽气器和水环真空泵两种凝汽器抽气方式性能进行了比较，结合某火电机组凝汽器抽气系统由射水抽气器更换为水环真空泵的节能改造工作，介绍了制定的改造方案，分析了节煤收益和节电收益，抽气性能得到提高。文献[3]分析了真空泵工作水温的变化对吸气量、凝汽器压力、机组热耗率及煤耗率的影响，提出了增加一路工业水作为冷却水的改造措施，改造后机组经济效益有所提高。文献[4]提出对真空泵加装前置式大气喷射器的改造措施，消除了某电厂真空泵运行过程中的噪声等问题，对防止真空泵汽蚀有较好效果。

综上所述，目前对真空泵系统的研究及改造主要集中在提高真空泵运行稳定性，降低冷却水温等方面，而根据运行工况进行真空泵系统配置改造以提高机组经济性方面的研究尚属空白。

1真空系统分析

1.1系统介绍

某电厂3台3×395 MW燃气蒸汽联合循环机组真空系统按照130 MW汽轮机标准配置凝汽器抽真空系统，每台机组采用2台水环真空泵，并配备相应的水环真空泵供补水以及冷却水系统，机组正常运行时真空泵一台运行一台备用，以维持机组真空所需。

图1为水环真空泵工作原理示意图。水环真空泵的叶轮与泵体存在偏心，两端由侧盖封住，侧盖端面上的吸气口和排气口分别与泵的入口与出口相通，当泵内有适量工作液体时，由于叶轮旋转，液体向四周甩出，在泵体内部与叶轮之间形成一个旋转液环，液环内表面与轮毂表面及侧盖端面之间形成了月牙型的工作空腔，叶轮上的叶片又将空腔分成若干不相通、容积不等的封闭小室。在叶轮前半转，月牙型空腔逐渐增大，气体被吸入；在后半转，月牙型空腔逐渐减小，气体被压缩，然后经排气口排出。

图1　水环式真空泵工作原理示意

1.2存在问题

1.2.1选型偏大

由于国内联合循环机组启停多，在真空系统设计选型时，主要以快速启机的响应速度(30 min内达到启机要求真空值)和最大的允许漏气量作为选型原则，因此真空泵配置的容量较大，其额定功率为110 kW，额定电流218 A。但是这种设计在机组正常运行维持系统真空时有较大富余量，真空泵长期处于低负载状态下运行。

1.2.2水环真空泵性能、出力受制于工作水温的变化

图2为离心式真空泵的典型特性曲线。

图2　离心式真空泵的典型特性曲线

由图2可看出，在抽吸一定空气量时，工作水温愈高，吸入压力愈高，真空就愈低，这是因为水温高，部分水汽化，造成吸入口压力高。而水环真空泵内工作水，由于高速旋转的机械摩擦会产生热量，同时从凝汽器抽出的混合汽体也有一定温度，这些热量都会导致工作水温升高，虽然这些水由闭式工业水冷却，但在夏季气温较高时难免有达不到要求的情况，从而影响真空泵工作及凝汽器真空[5-6]。有研究表明，当工作水温达到35 ℃以上，抽气能力急剧下降80%及以上，这是夏天凝汽器真空降到-90 kPa及以下的主要原因。

1.2.3汽蚀现象

根据相关理论，当水环真空泵入口压力低到泵内水温饱和值附近时，容易出现汽蚀工况，导致凝汽器真空受限，系统运行不稳定等。水环真空泵设备的内部机械性能(如裂纹问题)受汽蚀现象影响大，设备维护成本高，也影响设备的安全运行。

1.2.4能耗大

启机时，为了快速(一般30 min)建立起真空，一般启动2台真空泵运行，凝汽器进汽后，真空的维持靠凝汽器内蒸汽凝结成水时的容积差来实现，这时只保留1台真空泵运行来抽出蒸汽中的不凝结气体，维特凝汽器真空，为防止高真空时水环真空泵发生严重汽蚀，原系统水环真空泵前加装有大气喷射器，但这种方法不但会增加水环真空泵的运行电流，而且会导致凝汽器实际抽气能力下降，因此凝汽器真空到一定值后，其真空与真空泵电流随机组负荷变化不大(见表1)。由表1可知，真空泵电流并不会因真空建立后而变小，因此能耗只与真空泵功率有关。

表1水环真空泵系统改造前运行参数表

负荷/MW电流/A真空/kPa负荷/MW电流/A真空/kPa240180-95.8320181-95.8260182-95.7340183-94.3280183-95.7360182-95.0300182-95.6370184-94.7

2改造设想及系统分析

2.1系统设想

为了解决正常运行时能耗高和容易发生汽蚀的问题，考虑到启动过程和正常运行时真空系统运行特性的不同，决定在原系统基础上构建改造方案，增加一套高效小功率真空泵组，泵组由前置罗茨真空泵和后置水环泵组成，前置罗茨真空泵和后置水环泵的额定功率均为7.5 kW，额定电流15.4 A，整个泵组的总功率为15 A。系统启动时采用原有2台大功率水环真空泵，正常运行时切换到小功率真空泵组上。改造方案如图3的虚线部分所示。

图3　水环真空泵抽真空系统原理

2.2高效真空泵组工作原理

高效真空泵组由小功率的水环真空泵和防汽蚀的罗茨真空泵串联组成，蒸汽和不凝结气体进入罗茨真空泵，加压后经冷却器冷凝进入下级水环真空泵，由于提高了水环真空泵的入口压力，可保证水环真空泵高效稳定运行，有效防止汽蚀的形成。

高效真空泵组中的水环真空泵，除了功率小、泵体小之外，其特性与普通水环真空泵一样。罗茨真空泵是一种双转子的容积式真空泵[7]，其结构如图4所示，工作原理如下：

a)2个叶轮之间以很小的间隙相向旋转运动，叶轮将泵室分为小的空间。

b)叶轮位置为I和II时，进气室空间增大。

c)叶轮位置III时，部分空间与进气口隔开。

d)在位置IV，被隔离空间与更高压强的出气口相连，并由于进入更多气体受到压缩。

e)叶轮继续旋转，被压缩的气体通过出气口法兰排出。

图4　罗茨真空泵工作原理简图

从图4及其工作原理可知，罗茨真空泵在设计上相当于2个螺杆在转动，其抗汽蚀能力强，做前置泵能有效保证其后水环真空泵的工作安全，保证系统利用较小的功率达到较高的真空度。

2.3运行维护及可靠性分析

系统改造后，其运行方式如下：

a)机组启动时，按原运行方式将原有抽真空设备投入运行；

b)机组运行正常、真空稳定情况下，切换到高效真空泵组运行时原有抽真空设备切除做备用；

c)机组真空系统发生严重泄漏，高效真空泵不能维持凝汽器真空时，由真空值触发或手动启动原有抽真空设备中一组投入运行，满足真空要求；

d)高效真空泵组在检修或设备故障时，原有抽真空设备投入运行，确保真空要求。

改造前2台真空泵为一运一备方式，改造后机组正常运行时主要以高效真空泵组维持真空，实现一运两备，设备之间有可靠的联锁控制系统，因此，改造后系统备用可靠性加大了50%。此外，罗茨真空泵结构决定其具有耐高真空的能力，由它做前置泵，可有效保证后置水环真空泵入口压力，克服了水环真空泵入口真空高时泵体水汽化引起机组真空波动大的缺点，因此，改造后机组真空系统的安全可靠性得到大幅提升。

3系统改造效果

3.1改造后的运行情况

表2为系统改造前后，在不同的机组负荷下稳定运行时真空系统的运行电流及真空度情况。由表2可以看到，在相同的负荷下真空度基本一致，由于原真空泵电机功率大(110 kW)，高效真空泵组电机功率小(罗茨真空泵电机7.5 kW，水环泵电机7.5 kW)，因此改造前真空泵电流与改造后高效真空泵组电流相差极大。

表2水环真空泵系统改造前后运行参数

负荷/MW水环真空泵电流/A改造前改造后真空/kPa改造前改造后罗茨真空泵电流/A24018012.2-95.8-95.79.526018212.1-95.7-95.39.328018313.1-95.7-95.39.130018212.0-95.6-95.59.332018112.0-95.8-95.39.434018312.3-94.3-95.09.136018212.1-95.0-94.79.237018413.0-94.7-94.79.3

3.2经济性分析

系统改造的主要投入包括2个方面，一是增设高性能真空泵组，二是配套相应的管道和控制联锁逻辑等。改造后，机组正常运行时真空系统运行的电耗率明显降低，因此，其经济性主要体现在真空系统运行电耗的降低方面。

一般来说，三相电机输入功率[8]

(1)

式中：U为线电压；I为线电流；cosφ为功率因数。

改造前后线电压和功率因数不变，因此真空系统电功率消耗仅与真空泵电流相关，系统节电率

(2)

式中：P1、I1为改造前的有功功率和电流，P2、I2为改造后的有功功率和电流；Ip为罗茨真空泵电流。

改造后年节约开支

Q=ΔP×c×t=(P1-P2)×c×t.

(3)

式中：c为机组上网电价；t为年运行时间。

因此，对于本例而言，上网电价为0.53元/kWh，年运行时间为5 000 h。计算得到系统的节电率为88%，年节约开支28.01万元。由于此系统改造投资小，初投资在50万元以内，而系统维护费用低，因此系统改造后1～2年即可收回投资，改造效果十分明显。

4结论

通过对某电厂3台燃气蒸汽联合循环机组凝汽器水环式抽真空系统的改造，用小功率罗茨真空泵与水环真空泵组成高效真空泵组，不仅可充分发挥两种泵的优点，还可以保证系统的抗汽蚀能力，以及保障系统的真空度，实现良好的节能效果。同时，高效真空泵组的系统投入少，维护简单，运行稳定性高，改造方案不仅适合于联合循环机组，也适用于各火电厂机组的真空系统改造，具有良好的经济效益和推广价值。

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黄力森(1966)，男，广东深圳人。工程师，主要从事电站锅炉、汽轮机、燃气轮机运行及检修方面研究。

(编辑阚杰)

Safety Energy-saving Reformation Practice of Vacuum System of

Peak-shaving Unit

HUANG Lisen

(Shenzhen Qianwan LNG Power Plant, Shenzhen, Guangdong 518054, China)

Abstract：In allusion to the problem of high energy consumption of the vacuum system of gas-steam combined cycle turbine in some power plant, this paper analyzes reasons for high power consumption of its water ring vacuum pump in normal running state and solutions, proposes to use Roots vacuum pump and water ring vacuum pump to combine a high efficient vacuum pump system which may be taken as an equipment for vacuumizing when the unit is in normal operation, and the original water ring vacuum pump is only used for backup at the time of startup and fault. Power consumption of the vacuum pump in the system reduces greatly after taking this reformation scheme.

Key words：vacuum system; energy-saving; water ring vacuum pump; peak-shaving unit; Roots vacuum pump

作者简介：

中图分类号：TB753

文献标志码：B

文章编号：1007-290X(2016)01-0027-04

收稿日期：2015-08-12修回日期：2015-12-03

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.006