350MW機組凝汽器真空泵冷卻水系統改造

劉雪成，肖順春，張建忠

（華能瑞金電廠，江西贛州 341108）

0 引言

在火力發電廠中，凝汽器的作用之一是在汽輪機排汽口形成較高的真空，使機組排汽盡可能的膨脹做功，減少冷源損失。在機組真空系統中，壓力最低部分是真空泵，大概比凝汽器低0.8 kPa左右。真空泵的殼體輪廓形成一個偏心圓，且葉輪上帶有許多沿旋轉方向彎曲的葉片。當葉輪轉動時，殼體內的水便會被離心力壓向殼體的內表面，并形成偏心圓形狀的水層。這樣，如圖1中所示處便形成一空洞狀態，相鄰兩個葉片之間的空間形成氣缸，而水就像活塞一樣，沿著葉片上下移動，這種運行方式如同往復真空泵一樣。換句話說，當葉輪旋轉時，氣體通過殼體的吸入口處進入殼體，再從孔板的吸氣口進入葉輪，并在移動過程中經膨脹和壓縮后，從孔板排氣口向殼體的排出口排出。

在電廠冷端優化分析中，都集中在對影響機組真空的常規因素，如循環水流量、循環水溫度、真空嚴密性、凝汽器鋼管的清潔度等上面，而往往忽視了真空泵本身工作性能對真空的影響?，F在電廠中，凝汽器抽真空設備普遍采用偏心式水環真空泵，其具有能耗低、噪音小、抽吸能力強、運行穩定等突出優點。真空泵能抽吸到的極限真空為工作液溫度對應的飽和壓力，在冬季時，受凝汽器極限真空制約，真空泵很容易滿足工作需要；而南方夏季工況時，工作冷卻液溫度可達到40℃，對應飽和壓力7.38 kPa，再加上抽汽管道壓力損失，使得凝汽器背壓最低在8 kPa以上。受上述條件制約，冷端無論如何優化，都無法突破真空泵最低抽汽壓力限制。

圖1 水環真空泵工作示意

由此可見，夏季工況時，真空泵抽吸能力對機組的經濟性有顯著影響。有必要對真空泵工作液溫度對其性能的影響進行試驗研究，以給出切實有效的解決方案。

1 可行性試驗

華能瑞金電廠350 MW機組為國產首臺超臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽器式汽輪機組，采用自然通風濕式冷卻塔，循環水為閉式循環供水系統。真空泵為上海鶴見泵廠生產的200EVMA-07Y04210型真空泵。每臺機組配備兩臺真空泵，機組運行時一臺真空泵運行、一臺真空泵備用。設計在5.7 kPa、23.3℃抽空氣量75 m3/h，極限入口壓力為3.39 kPa。

可行性試驗選擇在春季進行，此時可調節工作液溫度。選擇300 MW工況，主再熱進汽參數穩定、循環水流量和溫度穩定、盡量按熱力試驗要求停止補水等操作，使得試驗結果具有可比性。

真空泵極限入口壓力為3.39 kPa，對應飽和溫度26.15℃，因此試驗工作液溫度從26℃開始，通過減小工作液冷卻水量提高其溫度，每升高3℃后穩定20 min，記錄一次參數。若工作液溫度過高，真空泵出力將急劇下降，所以最高試驗溫度為36℃，記錄見表1。

表1 可行性試驗參數記錄

圖2 工作液溫度和真空變化趨勢圖

從表1和圖2可知，隨著工作液溫度升高，機組真空同步下降，并呈現加速趨勢：當工作液溫度從27℃升高到30℃，真空下降0.22 kPa；當工作液溫度從30℃升高到33℃，真空下降0.39 kPa；當工作液溫度從33℃升高到36℃，真空下降0.76 kPa。隨著工作液溫度升高，其抽吸能力將不斷下降，并最終失去有效工作能力。

該機組凝汽器、真空泵工作液冷卻水都是循環水，因其在夏季溫度過高，真空泵在接近汽蝕或汽蝕工況下運行，不能徹底抽出凝汽器內漏入空氣而降低了機組真空。為使真空泵具有良好工作性能，應降低工作液溫度，及時抽出漏入的不凝結氣體。現場中降低工作液的方法有增加冷卻器面積、采用地下水冷卻、加裝制冷機等，根據現場實際和其它電廠經驗，認為可行的方案是加裝制冷機，夏季工況時，將工作液冷卻水切為制冷機提供。

2 系統改造方案

2.1 凝汽器真空泵制冷裝置的選擇計算

機組運行中，凝汽器真空是汽輪機排汽凝結形成的，真空泵作用是抽出凝汽器中不凝結氣體，以保證凝汽器在循環水溫度下正常工作，所以真空泵入口壓力滿足：＜凝汽器正常背壓（對應循環水流量和溫度等）-抽氣管道壓損。管道壓損取1 kPa足夠，在正常冷卻范圍內，4℃溫差基本對應1 kPa飽和壓力差，加上真空泵溫升2℃，取工作液溫度下降6℃進行設計計算：

真空泵密封水參數：真空泵密封水總容量約：20 T/h，如果按密封水每通過制冷裝置下降6℃計算：

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

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

選擇的制冷機組能效比取3，由以上計算，可以選擇50 kW（按耗電量）容量的制冷機組。

2.2 真空泵制冷裝置系統布置

制冷裝置選擇特靈空調系統公司生產的CGWP0505BKRCRA型水冷式冷水機組，名義制冷量為146.5 kW，冷凍水流量25 m3/h。制冷裝置的冷卻水為閉式水，冷凍水為真空泵工作液。每臺機組增設一套冷水機組，向兩臺真空泵分別提供冷凍水，通過管道切換實現向一臺真空泵制冷，備用真空泵仍采用循環水冷卻。制冷裝置在循環水溫度高于27℃時投入，低于26℃時切除，接入系統見圖3、4。

圖3 真空泵上增加壓縮制冷裝置系統

圖4 真空泵加裝制冷裝置

3 凝汽器真空泵制冷裝置改造效果試驗

系統改造后，在夏季工況進行了真空泵冷卻裝置投入/退出對比試驗，裝置切換完畢后，停留足夠時間，待工作液溫度穩定后再進行記錄。

表2 制冷裝置投/切試驗數據

280MW負荷時制冷裝置投入、切除試驗數據分析：

機組真空變化值=91.68-91.16=0.52 kPa

350MW負荷時制冷裝置投入、切除試驗數據分析：

機組真空變化值=90.43-90.06=0.37 kPa

4 真空泵加裝壓縮制冷系統項目評估

每臺機組一套水冷機組設備、安裝費用共計28萬元；夏季高溫季節按3個月，共投入2 000 h冷水機組，冷水機組功耗按50 kW計算；夏季機組按80%負荷率即280 MW工況計算；當真空變化時，對機組功率影響如圖5所示。

圖5 機組排汽壓力對功率修正曲線

280 MW負荷制冷裝置投入、切除機組真空變化值在91.68～91.16 kPa之間，由圖4可知，機組功率約變化0.3%，即

280MW×0.3%=280×1000×0.3/100kW=840 kW

當制冷裝置投入后，因機組真空提高，在不增加燃料等成本的情況下，凈增機組功率為：

840-50=790 kW

上述功率的增加未帶來其它成本的增加，屬于凈收益，按0.45元上網電價計算，每年凈收益為：

790×0.45×2 000=71.1萬元

夏季投入制冷裝置后，僅一個多月時間就可收回28萬元投資成本。

5 結論及建議

1）安全、操作可行性：制冷裝置串聯在密封水回路中，并設有旁路。在制冷裝置出現故障時可以切除制冷裝置，密封水走旁路，只是影響經濟性，不影響設備的安全運行。系統上只是增加六個閥門，且在正常情況下每年切換一次，所以對運行操作量沒有影響。

2）指標影響：現在國家對節能減排非常重視，提高機組運行指標迫在眉睫。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，對于提高機組運行指標是非常必要的。

3）綜上所述，本次改造在安全性、操作可行性、運行指標、經濟性上是成功的，建議同類型冷卻機組可進行此種改造。

[1]CHO2汽輪機說明書，哈爾濱汽輪機廠[Z].