低温余热发电凝汽式汽轮机真空系统改造

范文礼，杨海林

1 引言

凝汽器、除氧器系统是凝汽式汽轮机组的重要组成部分，凝汽器真空度是汽轮机运行的重要指标，也是反映凝汽器综合性能的一项主要考核指标。凝汽器真空度下降1%，汽轮机组热耗将上升0.6%～1%。因此，保持凝汽器的最有利真空度和良好的运行工况，直接关系到整个汽轮机组的经济性能。

2 运行现状

我公司汽轮机组型号为BN12-1.05/0.20，额定功率12MW，使用老式双通道射水抽气器，抽气器参数为：抽干空气量12kg/h，工作水流量120t/h，吸入室压力0.005MPa。射水泵两台，型号为IS150-125-250A，其中，汽轮机冷凝器射水泵电机功率为45kW，除氧器射水泵电机功率为22kW。

自投产以来汽轮机组存在如下问题：真空表指示降低；排汽温度升高；凝结水过冷度增加；凝汽器端差增大；在调节汽门开度不变的情况下，汽轮机的负荷降低；用水量大，射水箱排污置换用水量15t/h；自用电耗量大，汽轮机发电时，当负荷在11 000kW时，凝汽器真空度在-88kPa～-90.6kPa，除氧器真空度在-87.5kPa左右，除氧效率不高，达不到汽轮机满负荷运行要求。分析影响凝汽器真空度的原因发现，系统使用的射水抽气设备耗能严重，机组运行成本高，有必要对原有系统进行技术改造。

3 原真空泵机组与气冷罗茨水循环机组的比较

3.1 影响水喷射真空泵性能的因素

工作液温度对水喷射真空泵性能的影响较大，高液温工况下，工作真空快速下降，抽气能力大大降低，甚至在某一入口压力下抽气量为零，这就是有些机组在夏天需启动两台真空泵来维持凝汽器真空的原因。另外，工作液温度上升对水喷射真空泵的长期运行也极为不利。随着工作液温度升高，对应的饱和压力也不断升高，当水喷射真空泵抽吸压力小于或等于工作液温度对应的饱和压力时，将使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工作介质汽化产生的气体而挤占了抽气量，造成出力严重不足。不凝性气体将使传热效果恶化并在凝汽器内积聚，破坏凝汽器真空，水蒸气质量含量占1%的空气能使凝汽器表面传热系数降低60%，从而降低机组的经济性。

除氧器和凝汽器的真空装置在改造前均使用水喷射真空泵，存在同样的问题。

3.2 气冷罗茨水循环机组的优点

（1）在真空设备建立真空的实际正常运行中，可以通过提高机组效率达到节能目的。

（2）常规水喷射真空泵（或喷射泵）效率低（30%），应用高性能气冷罗茨水循环的机组在不同环境、不同设备及不同技术要求下，节能效率可高达70%～90%。

（3）抽吸的气体包括不凝气体（空气）及可凝气体（水蒸气），通过减少真空泵压缩气体总负荷，节能率可达40%～60%。对于真空严密性不合格或在夏季运行的机组，可以提高凝汽器的真空值200～2 000Pa，相应减少发电用煤0.5～5.0g/kW·h。

（4）可节省大量的水循循环系统设备，节约用水，减少管理环节和运行费用。

（5）气冷罗茨水循环机组性能完全不受工作液温度限制，具有提高凝汽器真空的可能性。

（6）启动快，能立即工作。

（7）对被抽气体中的灰尘和水蒸气不敏感。

（8）转子不用润滑，泵腔内无油，驱动功率小，机械摩擦损失小。

（9）结构紧凑，占地面积小。

（10）振动小，转子动平衡条件较好，无排气阀，运行平稳，噪声大幅度减少，符合环保要求。

（11）可靠性高，转子损坏风险低。

3.3 高效节能真空装置的工作原理

在抽真空过程中，增加罗茨泵可增大抽速，节能，同时可提高真空度。

气体在压缩过程中会产生大量的热，这种热量会使罗茨泵，尤其是转子温度升高，因此一般罗茨泵在较低压力下工作，此时气体总量小，发热量有限。当罗茨泵在较高压力下工作时，会产生大量热，为使罗茨泵正常工作，必须使转子降温，降温最常用的方法为气冷法，原理如下。

图1所示为进气阶段，此时图中阴影部分腔体与进气口接通。

当转子旋转到图2所示位置时，图中阴影部分与进气口隔离。此时换热器中的气体为冷凝后的气体，温度较低，而其压力与罗茨泵排气端相同，因此冷凝后的气体进入封闭腔使之压力升高，温度降低。

当转子旋转到图3所示位置时，图中阴影部分与排气口接通，温度升高较小，升温后气体进入换热器冷却，冷却后的气体一部分通过换热器进入下一级，另一部分作为冷却气体进入泵腔，对罗茨泵进行冷却。冷却后的气体体积缩小，使前级泵负荷减小，可靠性增加，更加节能。

图1 进气阶段

图2 压缩阶段

图3 排气阶段

4 实施改造

经过研究讨论和实地考察，公司决定采用先进的气冷罗茨水循环机组代替原来的真空泵机组。气冷罗茨水循环系统最大的特点是能耗低（较原系统降低能耗70%）、零耗水、占地空间小、运行稳定、效率高。技术改造方案如下：

4.1 工艺参数

真空度工作压力：500Pa；抽气量：200L/s；总功率：15kW；抽气要求：节能、耐腐蚀、环保。

4.2 工作过程及主要设备

罗茨泵为气冷罗茨水循环真空泵，设计抽气量为200L/s（12m3/min），额定转速50Hz。气体在压缩过程中会产生大量的热，此热量与压缩比有关。在此种组合的工作状态下，罗茨泵采用闭式水循环冷却系统，无外排废水。罗茨泵主要材料采用灰铸铁，转子采用球墨铸铁，过流部件采用化学浸渗镍磷合金。轴承、密封件采用进口元件。

4.3 改造

利用停窑3d时间，投资28.8万元对凝汽器、除氧器真空装置进行节能技术改造。

表1 改造前后的节能效果

表2 改造前后的真空度情况

5 改造效果

改造前后的节能效果及真空度情况见表1、表2。改造后，经近一年时间的运行，该系统装置节能效果明显，凝汽器真空装置节电率为67.5%，除氧器真空装置节电率为58.8%，按年运行330d、电价0.62元/kW·h计算，仅节电效益每年合计22.55万元，1.28年可全部收回投资。技改后，同工况下凝汽器真空度提高了2.6kPa，发电量提高了520kW，按年运行330d、电价0.62元/kW·h计算，每年多创造效益411.8万元。