罗茨高效真空泵应用探讨

徐海荣,吕 峰,金利鹏

(浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325602)

0 前 言

近年来，随着国家对燃煤电厂超低排放和节能改造工作的积极推动，特别是《煤电节能减排升级与行动计划 (2014-2020年)》的出台，各火电厂对节能改造的重视程度达到了一个新的高度。在汽轮机热端节能增效改造工作日益深入的同时, 凝汽器真空系统的节能优化也逐步得到各电厂的重视，由此出现了许多新的节能改造方案与设备。

凝汽器是电站汽轮机辅助设备中的一个主要部分，抽真空系统的功能是将凝汽器中的不凝结气体抽出。目前采用的抽真空设备主要是射水泵和水环真空泵，其在运行中普遍存在能耗大、效率低、选型偏大、维护成本高、极限真空低、受工作水温影响大等问题 ，为此有必要进行相关改造来保证真空系统的安全、 经济和高效运行。

其中一种气冷罗茨高效真空机组技术逐渐得到推广与应用，并取得良好的节能效果。

1 真空泵技术改造的必要性

1.1 冷凝器原水环真空系统简介

国内多数燃煤电厂抽真空系统采用水环式真空泵。水环式真空泵在选型时，主要以快速建立真空和最大允许漏气量为设计选型原则，但其存在如下问题：

(1)设计部门在设计选型时，主要以快速启动和最大的允许漏气量作为选型原则，存在当机组正常运行时，真空泵维持系统真空的裕量较大、功率配置过大问题。

(2)水环真空泵自身的特性决定了它的效率较低。正常运行时，真空泵叶轮通过搅拌工作水流建立水环，以此来抽吸不凝结气体，在此过程中能量损失较大，故其效率很低，一般只有30%左右。水环真空泵在高真空下出力急剧下降，且容易发生汽蚀。

(3)水环真空泵的抽吸能力受工作水温度的影响较大，当工作水达到 35 ℃以上时，其抽气能力急剧下降。这是因为工作水温度升高到水环真空泵入口压力下对应的饱和温度时发生了汽化现象，水环泵主要应付于抽取汽化蒸汽，导致抽空气能力大幅下降；同时，工作水温度的升高对真空泵的极限真空值产生较大的影响，这是因为极限真空值就是工作水温度所对应的饱和压力。

1.2 节能气冷罗茨水环真空机组简介

气冷罗茨水环真空机组主要由气冷罗茨泵、水环真空泵、级间冷却器、工作液换热器、气液分离器五大部分组成。

气冷罗茨真空泵一个重要的特点是能承受高压差。借助于外置冷却器使气体自动进行循环冷却转子和泵体，泵可在很高的压差下连续工作，而不会发生热过载。与前级水环真空泵串联成机组，可在高压范围内获得接近于主泵抽气量的大抽速。气冷罗茨真空泵具有如下优点：

(1)气冷罗茨水环真空机组采用容积式抽吸原理，具有抽气效率高，抽气效率不受冷却水影响的特点(虽然罗茨水环机组内的前级水环泵的气量随着工作液温度升高也会有所衰减，根据盖·吕萨克定律，衰减不过10%；但是在合理的压缩比情况下，罗茨泵所抽的饱和水汽排气至级间冷凝器会被冷凝掉大部分，或者冷凝后直接进入水环真空泵充当工作液，被冷凝的这部分水蒸气量绝对高于10%)。

(2)以气冷罗茨泵为主泵、水环泵为前级泵的串联方式，克服了单台水环真空泵极限压力高、在一定压力下抽气速率低及受冷却水温度影响大的缺点，同时保留了气冷罗茨泵能迅速工作，有较大抽气量的优势。

(3)大幅提升真空机组的极限真空度，提高泵组抽吸效率，同时极大降低泵组能耗，节能效果显著。

(4)电机功率降低，噪音减小；设备维修件变小，维修更加方便，由于设备在合理的工作点，故障率降低。在改善工作噪音环境的同时，缩减了原大水环机组的维护保养成本。

1.3 真空泵技术改造的必要性

通过上述对原水环真空系统和气冷罗茨水环真空机组的介绍及对比，采用节能罗茨水环真空泵组既可有效解决当前水环泵汽蚀、抽气性能下降的问题，同时通过减少过大的设计裕量，可以节电70%以上。这不仅符合国家节能减排的政策性要求，而且对企业的可持续发展、增强企业竞争力有着重要意义。

高效罗茨水环真空泵组做为目前成熟可行的技术方案已获得国内外电厂的广泛运用，在提高设备可靠性、节能降耗方面效果十分明显。

2 节能罗茨水环真空机组的技术改进及优势

2.1 气冷罗茨泵的密封

气冷罗茨泵进出口压差较大，为了进一步提高系统的密封性，对此问题进行了技术改进：气冷罗茨泵采用的密封型式为机械密封和唇形密封组合的方式，较之单一的密封，此改进有效地保证了罗茨泵的密封性，在一定程度上可以提升系统真空度。改进后的罗茨真空泵和传统型罗茨真空泵的密封对比见表1。

表1 改进后的罗茨真空泵和传统型罗茨真空泵的密封对比

2.2 罗茨真空泵过流部分防腐处理

在对电厂真空机组做了深入使用调查研究后得知，由于气冷罗茨泵抽气介质中含有大量水蒸气，随着机组使用年限的增长，过流部分受水蒸气的腐蚀日渐严重。将真空机组罗茨泵过流部分做渗磷镍处理，有效地减少了罗茨泵转子、泵腔等被腐蚀的程度，加长了机组的使用年限。

图1 机械密封与迷宫密封结构

2.3 针对罗茨泵温升过高的技术改进

针对某些电厂改造后出现罗茨泵温升过高的这一问题[1]，经过研究找出了导致罗茨真空泵温升过高的原由为一级冷凝室积水。造成此问题的原因是由于凝汽器真空严密性良好，不凝结气体较少，抽真空设备主要抽吸的是饱和蒸汽，蒸汽经管道冷却后凝结并积聚在一级冷凝室处，当一级冷凝室满水时，一级冷凝室流通面积减少形成堵塞，反映在温度上就是一级冷凝室温度与环境温度无异。罗茨真空泵的前级转子排气受阻，前级转子憋泵运转，加上后级转子排气减少无法给罗茨真空泵泵体提供足够的冷却气体，最终导致了罗茨真空泵泵体的温度升高现象。

针对此问题，做出以下技术改进：增添一套自动排水罐且排水期间对系统真空度不产生任何影响。方案如图2所示：

图2 改进后的自动排水系统

此储水罐与级间冷却器一级冷凝室相通，通过储水罐上的电磁阀、破空阀、赫斯曼浮子液位计等部件，实现对一级冷凝室的自动排液，解决了罗茨泵温升过高的这一问题。

2.4 级间冷却器的改进

传统的冷却器大多采用光管式换热管，由于光管外表面积的限制，传统的冷却器在保障换热效果的同时，冷却器普遍做得比较笨拙。

针对电厂真空房空间紧凑这一现象，可以采用高效翅片式换热管替代传统的光管式(见图3)。在普通的基管上加装翅片来强化传热这一方法具有传热性能良好、稳定、空气通过阻力小等优点，蒸汽或热水流经钢管管内，热量通过紧绕在钢管上翅片传给经过翅片间的空气，达到加热或冷却空气的目的[2-3]。较之传统型光管式级间冷却器，翅片式冷却器在外型尺寸相同的情况下有效加大了换热器的换热面积，进一步提高饱和空气中的水蒸气的冷凝量，降低了前级水环真空泵的压力。

图3 翅片换热图实样

3 某汽轮机组凝汽器抽真空泵组技改实例

3.1 技改背景

某汽轮机组为660 MW国产超超临界燃煤机组，凝汽器主要技术参数见表2：

表2 某汽轮机组凝汽器主要技术参数

原有真空系统：一台机组配置3台水环式真空泵，型号为2BE1 353-0MY4，配用电机132KW。

3.2 节能罗茨水环真空机组选型

根据DL/T932-2005《凝汽器与真空运行强制维护导则》，严密性达到优异水平为真空下降速度≦133 Pa/min,对于大型湿冷汽轮发电机组空气漏入率可采用经验公式计算,即：

Gha=1.5*(Q/100+a)

(1)

式(1)中：

Gha——空气泄漏率，kg/h;

Q——凝汽器气量，600 MW机组一般取1 400 t/h;

a——与凝汽器壳数和附加排气口数相关的系数，在此取2；

根据计算和机组真空严密性与漏气流量定量关系表(见表3)，机组按空气漏气率24 kg/h计算。

表3 机组真空严密性与漏气流量之间的定量关系表

已知循环水温为20 ℃时，凝汽器背压为4.36 kPa(对应凝结水的饱和温度为30 ℃)，凝汽器空冷区设计温度4.2 ℃，则实际吸气温度为25.8 ℃。

根据理想气体方程有:

VG=mG*RG*Tmix/Pmix

(2)

式(2)中：

VG——空气的体积流量, m3/h；

mG——漏入的空气质量流量，即空气泄露率24 kg/h;

RG——空气的气体常熟，287.05 J/kg*K;

Tmix——空气-水蒸气混合物的热力学温度，Tmix=273+tmix，tmix=25.8 ℃;

Pmix——工作压力，即真空泵入口空气-水蒸气混合物的压力，为4.36 kPa;

计算可得夏季工况7#机凝汽器漏入的干空气体积流量为472 m3/h。

计算需真空泵抽出的空气一水蒸汽混合物容积流量，根据饱和蒸汽分压定律(道尔顿定律)有：

VG/Vmix=PG/Pmix=(Pmix-PD)/Pmix

(3)

式(3)中：

Vmix——空气-水蒸气混合气体体积流量，m3/h；

PG——干空气的分压，kPa;

PD——水蒸气的分压,kPa，25.8℃时水的饱和蒸汽压为3.363 kPa;

经计算可得，不凝汽干空气的体积流量为1 592 m3/h。

可知此工况下，干空气-水蒸气的混合气体总体积流量为2 064 m3/h，即真空机组需抽出的混合气体总量。

所以节能气冷罗茨水环真空机组选型为2FW2-2160-153-OSYO(50 Hz时最大抽气量为2 160 m3·h，机组总功率为37 kW)。图4为气冷罗茨水环真空机组性能曲线。

图4 气冷罗茨水环真空机组性能曲线

由于机组主泵气冷罗茨泵选型为变频调节，罗茨真空泵的理论抽气速率Vth与转子的理论关系式为：

Vth=2πR2NLλ*10-6/60

(4)

式(4)中：

N——罗茨泵转子的转速，r/min；

R——罗茨泵转子的半径, mm；

L——罗茨泵转子的长度，mm;

λ——容积利用系数。

由此可知，抽气速率与气冷罗茨泵的转子转速成正比，故在机组真空严密性变差的工况下，可通过增加罗茨泵转速来增大抽气量，仍可维持机组真空。2FW2-2160-153-OSYO真空机组工频下额定抽速为 2 160 m3/h，当凝汽器被抽气体高于此容积时，可以加大罗茨泵电机频率，从50 Hz调整到60 Hz，即转速增加1.2倍，则泵组的实际抽速可达到2 592 m3/h，从而满足维持真空机组的需要。

3.3 改造实施方案

实施高效抽真空泵组改造，并不改变原有的水环真空泵，只是在凝汽器抽真空母管上并接一套罗茨真空泵组(见图5)。当高效抽真空泵组运行时，蒸汽和不凝结气体经节能罗茨水环真空机组自带的级间冷凝器冷却进入前级水环泵，由于罗茨真空泵的增压和级间冷凝器的冷凝作用，使得水蒸汽基本在级间冷凝器内凝结，其汽化潜热由级间冷凝器的冷却水带走，水环真空泵吸入的气体基本都是不凝结气体；同时罗茨真空泵的增压，使水环真空泵的入口压力提高一倍以上，可保证水环真空泵高效稳定运行。

图5 改进后罗茨真空泵组系统

3.4 节能性分析

3.4.1 节电效益

原水环真空泵所配电机132 kW，真空泵运行电流约为153 A。改造后，在正常运行阶段，罗茨-水环高效真空机组的运行电流为35 A左右。按真空机组年运行6 000 h考虑，节电效益如下：

原水环真空泵 ：

原真空泵的平均运行电流为153 A，

平均运行功率153*380*1.732*0.866=87.2 kW·h；

年运行6 000 h用电量：

87.2*6 000=523 200 kW

按每度电0.37元上网电价，年运行费用：

523 200*0.37=19.36万元

高效气冷罗茨水环真空机组：

运行电流约35 A；

则平均运行功率35*380*1.732*0.866=20 kW·h；

年运行6 000小时用电量：

20*6 000=120 000 kW；

按每度电0.37元上网电价，年运行费用：

120 000*0.37=4.44万元；

技改后年省电费用

19.36-4.44=14.92万元.

3.4.2 节省真空泵维护费用：

改造后，因原配置的真空泵仅在启机建立真空时投入运行，机组正常运行时，水环真空泵长期处于备用状态，只做定期试启，不存在汽蚀状况、设备损坏的问题。因此，技改后原真空泵可大大减少维护次数，实现少维护或免维护的效果，从而节省大量的检修费用并减少大量的检修时间。按原有大真空泵2BE1-353每台每年1万元计算，两台真空泵每年节约维护费2万元。

4 总 结

火力发电机组采用节能罗茨水环真空机组维持凝汽器运行真空，可以充分融合罗茨真空泵不受介质温度影响和水环式真空泵抽气能力强的两大技术优势，有效避免原有真空泵存在大马拉小车现象，从而使凝汽器抽气系统运行设备的厂用电耗降到最低。