凝汽器真空系統節能改造應用與分析

江蘇徐塘發電有限責任公司 駱偉

1 概述

某發電公司裝備有4臺N300-16.7/538，/538型國產純凝濕冷汽輪發電機組，設計排汽壓力為4.9千帕，采用對分雙流程單背壓表面式凝汽器。每臺機組凝汽器真空系統配備2臺武漢水泵廠生產的2BE1-353-0型100%容量水環真空泵。機組日常運行保持一臺真空泵運行另一臺真空泵備用。設計水環真空泵補水來自于凝泵出口，每臺真空泵配備一臺管式表面工作水冷卻器，采用經自然通風對流冷卻塔冷卻后的循環水冷卻真空泵工作水。

圖1 真空系統流程圖

2 真空系統存在的問題

2.1 真空泵工作水溫偏高

水環真空泵是依靠改變工作水與泵葉之間形成空腔的大小來達到抽吸氣體的目的。工作水溫度升高到對應泵吸入壓力下的飽和溫度后則發生氣化，從而導致抽空氣能力大幅下降，泵效率降低。

根據試驗試驗表明，某廠30萬千瓦機組水環真空泵的工作水溫從20℃上升到41℃時，真空泵的抽氣能力減少了89.37%，當真空泵工作水超過35℃時，真空泵性能下降使凝汽器真空下降[1]。因此真空泵工作水溫度高是造成真空泵效率下降，抽吸能力降低的主要原因。

而致使真空泵工作水溫升高的主要原因是：

（1）設計真空泵工作水冷卻器冷卻水源采用來自冷卻塔的閉式循環水。根據統計，循環水年平均溫度在21℃左右，在夏季氣溫溫度較高時循環水溫在35℃以上。循環水不足以帶走真空泵運行工作水產生的熱量，導致工作水溫度升高。

（2）設計排汽壓力4.9千帕對應的排汽溫度為32.5℃，當凝汽器背壓升高時凝汽器內排汽溫度隨之升高，真空泵吸入汽（氣）混合物溫度升高，傳給工作水的熱量也增加，不僅加劇了真空泵工作水溫的上升，而且降低了真空泵的效率和實際抽吸能力。

（3）真空泵工作水冷卻器采用管式表面式冷卻器，工作水在冷卻器表面流動狀態基本為層流，對流換熱系數較低、換熱效果差。循環水由于壓頭較低，在管內的流速低，管內對流換熱系數也較低，致使管式冷卻器的整體換熱效率不高。

（4）真空泵分離器補水來自于凝結水，排汽溫度較高時不僅不能降低泵工作水溫度，而且會將大量熱量傳遞給工作水，使分離器中的工作水溫度升高。

2.2 真空泵設計選型偏大

火電廠的抽真空系統主要作用是在機組啟動沖轉前抽吸汽輪機汽水系統管路中存在的空氣建立一定的真空；正常運行時真空泵主要作用是抽吸真空系統中的不凝結氣體，減小凝汽器換熱端差維持機組真空。

火力廠真空系統設計選型原則主要是參照HEI2629《表面式凝汽器標準》，要求在凝汽器最大允許漏氣量范圍內，應在30分鐘內使汽輪機真空從零抽至34千帕。按照HEI對抽氣設備的選型要求，30萬千瓦雙缸雙排汽機組的真空泵抽干空氣量應為61.3千克/小時。然而在真空嚴密性為400帕時，漏入凝汽器的空氣量僅為40千克/小時，當真空嚴密性為133帕時，漏入凝汽器的最大空氣量只有13.3千克/小時[2]。因此在機組正常運行時，真空泵多耗用50～80%的廠用電量，真空泵的選型存在大馬拉小車的狀況。

2.3 真空泵汽蝕影響

當真空泵內工作水溫度高于真空泵內壓力對應的飽和溫度時，工作水會在真空泵吸入口壓力較低區域發生氣化產生氣泡，當空腔旋轉至排氣區域時由于壓力升高氣泡會破裂，從而導致真空泵內發生汽蝕，產生振動發出巨大的響聲。真空泵長期處于汽蝕狀態運行不僅會降低真空泵效率，而且會造成真空泵葉輪損壞，甚至會造成葉輪斷裂。

3 真空系統的節能改造

真空系統節能改造一般有兩種技術路線。第一種技術路線側重于降低水環真空泵工作水的溫度，主要方法有改變冷卻水源，更換高效換熱器，冷卻水側串聯低溫冷媒水等方法。

在降低真空泵工作水溫度方面串聯低溫冷媒水是效果較好的方法。公司4、5號機組真空泵工作水冷卻水中串聯電制冷冷媒水后，雖然工作水溫度得到了較大幅度的降低，但是大部分時間內機組背壓下降并不明顯，節能效果不佳。只是在循環水溫較高的季節，機組背壓才有小幅度下降。

第二種技術路線側重于使用兩級真空泵（組）。其主要方法有使用雙級水環真空泵，水環真空泵串聯使用大氣噴射器，前置蒸汽噴射裝置等。兩級真空泵（組）不僅能夠提高真空泵（組）抽吸的極限真空和抽吸能力，而且由于蒸汽噴射器的排汽壓力較高使得后一級水環真空泵的吸入壓力升高，有效的避免了水環真空泵的汽蝕。

真空系統加裝蒸汽噴射裝置改造是在原真空系統抽氣母管上安裝前置蒸汽噴射裝置，進行凝汽器真空首次抽吸。來自輔汽聯箱的過熱蒸汽經減壓后噴入拉瓦爾噴嘴，蒸汽在噴嘴內壓縮加速，至喉部時達到超音速產生真空抽吸凝汽器中的水蒸汽（氣）。混合后的汽體在擴壓管內速度逐漸降低、壓力隨之升高。蒸汽噴射器排汽中的大部分水蒸汽被管式換熱器凝結成水后返回凝汽器熱井，少量不凝結氣體經降溫后再經水環真空泵抽走。由于蒸汽噴射器排出的不凝結氣體容積流量較小，因此只需配備一臺30千瓦的真空泵就可滿足運行需求。

真空系統前置蒸汽噴射裝置具有抽吸能力大、免維護、排汽壓力恒定等優點，不僅可以提高極限真空到1千帕（理論上），而且由于水環真空泵的入口壓力提高（蒸汽噴射器出口壓力設計為10～13千帕），對應的工作水氣化溫度也隨之升高（為46℃～51℃左右），可以有效的避免真空泵汽蝕和轉子損壞、斷裂等問題。

圖2 真空系統節能改造后流程圖

4 運行效果對比

真空系統加裝前置蒸汽噴射裝置后，準確的評估真空系統抽吸能力的提高對凝汽器背壓的影響難度較大。這不僅與凝汽器的熱負荷，循環水進水溫度，循環水量等情況相關，而且與凝汽器銅管的清潔程度，機組年度運行的負荷分配等因素密切相關。

有資料認為前置蒸汽噴射裝置可以提高真空0.28千帕[3]，但是其比較的基礎是在單一穩定負荷工況下循環水溫度為15.7℃時，對比蒸汽噴射裝置投退對真空系統的影響得出的結論。由于這種比較未考慮機組負荷、循環進水溫度對抽真空系統的影響，不能充分反映真空系統節能改造在全年的運行效果。

為了準確評估真空系統改造后對機組凝汽器背壓的影響，分別選取夏季和冬季兩個時間段對真空系統的運行數據進行全方位詳細的比較。為了降低

其他參數對凝汽器真空的干擾，選取的工況點的蒸汽參數和循環水參數盡量保持一致。

表1 夏季真空系統節能改造對比情況表

表2 冬季真空系統節能改造對比情況表

表1是6、7號機組夏季各工況下的背壓對比，循環水溫從22℃上升至34.5℃，6、7號機組凝汽器背壓變化情況。（當負荷從24.8萬千瓦開始切換為兩臺循環水泵運行，凝汽器循環水溫升下降。）從表1可以清晰的看出，在夏季各負荷工況下加裝前置蒸汽噴射裝置的6號機組凝汽器背壓比未改造的7號機組都低。前置蒸汽噴射裝置改造后夏季凝汽器背壓平均下降了0.21千帕，真空泵電流下降124安培。

表2是6、7號機組冬季各工況下的背壓對比，循環水泵全部采用單泵低速運行，循環水溫從4.22℃上升至11℃，在冬季各負荷工況下前置蒸汽噴射器改造后的6號機組凝汽器背壓比未改造的7號機組平均下降了0.11千帕，真空泵電流下降124安培。

綜合夏、冬兩季真空系統的數據對比可知，前置蒸汽噴射器改造后機組凝汽器背壓比未改造的機組下降0.16千帕，真空泵電流下降124安培。

5 節能效益計算

加裝蒸汽噴射裝置后，凝汽器真空系統經二級真空抽吸，不僅可以提高凝汽器真空，而且可以降低真空泵的耗電量。按照真空每升高1千帕供電煤耗降低3.4克/千瓦時，30萬千瓦機組年平均運行4000小時，每噸標煤單價為800元計算，蒸汽噴射裝置改造后全年可以節約燃煤成本0.16×3.4×300×103×4000/106×800/104=52.22萬元。

真空系統節能改造后可以停止大真空泵，保留小功率真空泵運行，每小時可以節約電流124安培，扣除運行電流為10安培的冷卻器增壓泵耗電量，真空系統節能改造后每小時可以節約電流114安培，按照每度廠用電量成本為0.61元，每年節約廠用電量成 本380×114×1.732×0.85/1000×0.61×4000/1 04=15.56萬元。

蒸汽噴射器運行時需耗費輔汽0.2噸/小時，取700千帕的蒸汽折標系數為0.1085，每小時耗費蒸汽折算成標煤為0.0217噸/小時，增加成本為0.2×0.1085×4000×800/104=6.94萬元。綜合各項運行成本，真空系統節能改造后可以每年節約成本52.22+15.56-6.94=60.84萬元。真空系統前置蒸汽噴射裝置改造需投資190萬元，年節約生產成本約為60.84萬元，不考慮設備折舊等因素的影響投資回收期為3.12年。

6 結論

實踐證明，前置蒸汽噴射裝置與小容量水環真空泵的組合完全可以滿足機組抽吸不凝結氣體的要求，較好的解決水環真空泵性能下降，水環真空泵汽蝕等問題，是火電廠真空系統節能改造的方向之一。

在進行前置蒸汽噴射裝置改造的同時，真空系統的冷卻水源改造仍需引起足夠重視，否則冷卻水溫度升高不僅會降低前置蒸汽噴射裝置效率使其抽氣量大幅度降低，而且會使水環真空泵的工作水溫度升高，引起水環真空泵效率下降。

因此，真空系統節能改造不能單獨從影響真空泵運行的個別因素著手，而應該全面考慮從提高真空泵吸入口壓力降低吸入溫度（前置蒸汽噴射裝置），降低水環真空泵工作水溫度，減少真空泵的運行能耗等多方面進行綜合節能改造，只有這樣才能使真空系統節能改造的效益最大化。

[1]居文平，李素芳等.工作水進口溫度對水環真空泵及凝汽器性能影響的試驗[J].熱力發電,2009,38(1):77-79.

[2]馬汀山，將安等.真空嚴密性與凝汽器漏入空氣流量的定量關系[J].熱力發電,2009,38(6):65-67.

[3]朱太春，張偉.真空系統加裝蒸汽噴射器的應用探討[J].湖南電力,2015,35(3):60-63.

[4]羅少榮.水環式真空泵加裝大氣噴射器的改造[J].機電信息,2010,(21):250-252.