中小型機組真空系統(tǒng)選型及節(jié)能研究

(上海市機電設計研究院有限公司，上海 200040)

1 引 言

汽輪發(fā)電機組在啟動初期建立凝汽器真空以及運行過程中保持凝汽器真空都需要抽真空系統(tǒng)來實現(xiàn)。常規(guī)凝汽器抽真空系統(tǒng)的設計范圍為凝汽器抽空氣接口至抽真空系統(tǒng)設備的排大氣管道排出口，包括抽真空設備以及之間的連接管道、閥門及附件。凝汽器抽真空系統(tǒng)的抽真空設備主要有水環(huán)式真空泵、射水抽氣器和射汽抽氣器等。

1.1 水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)

水環(huán)式真空泵由泵體、葉輪、吸氣口、排氣口等組成，屬于變?nèi)莘e式泵。水環(huán)式真空泵的工作原理為：葉輪偏心的安裝在泵體中，泵體中裝有適量的水作為工作介質(zhì)。由于葉輪偏心安裝，當葉輪旋轉時，水在離心力的作用下形成一個偏心封閉水環(huán)，水環(huán)與葉輪輪轂之間的形成一個月牙形的空腔，當葉輪旋轉至與吸氣口相通時，空腔的容積由小變大，氣體被吸入，吸氣終了時空腔與吸氣口隔絕；當葉輪繼續(xù)旋轉時，空腔的容積由大變小，使氣體被壓縮，空腔與排氣口相通時，氣體被排出泵外。

水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)流程圖

水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)由水環(huán)式真空泵、汽水分離器、板式換熱器組成，系統(tǒng)流程圖如上圖所示，中小型機組系統(tǒng)配置為：每臺機組配置2×100%容量的水環(huán)式真空泵，機組啟動時，為加快真空建立，2臺真空泵同時運行，正常運行時一用一備。

1.2 射水抽氣器抽真空系統(tǒng)

射水抽氣器抽真空系統(tǒng)由射水泵、射水箱和射水抽氣器組成，其工作原理為：射水箱中的工作水經(jīng)射水泵升壓后進入射水抽氣器水室，經(jīng)射水抽氣器噴嘴將工作水的壓力能轉化為速度能，高速水流從噴嘴射中射出使得水室中形成高度真空的負壓區(qū)，凝汽器中的汽氣混合物被吸入水室，工作水和汽氣混合物一起進入射水抽氣器的擴散管速度降低而壓力升高，最后排出擴散管進入射水箱。射水箱通常為具有較大容積的開放式水池，通過自然蒸發(fā)、對流散熱對工作水進行冷卻，該系統(tǒng)的工作水為工業(yè)水，考慮工作過程中的損失，射水箱還應設置有工業(yè)水補水管。

射水抽氣器抽真空系統(tǒng)配置為：每臺機組配置2×100%容量的射水抽氣器，機組啟動時2套射水抽氣器同時運行，，用于減少啟動抽真空時間，正常運行時2 套射水抽氣器一用一備。

1.3 射汽抽氣器抽真空系統(tǒng)

射汽抽氣器抽真空系統(tǒng)的工作原理為：射汽抽氣器的工作介質(zhì)為過熱蒸汽，其工作原理與射水抽氣器工作原理相似，工作蒸汽先經(jīng)過射汽抽氣器噴嘴將蒸汽的壓力能轉變?yōu)樗俣饶?，降壓后的蒸汽從噴嘴中高速噴出在蒸汽室中形成高度真空的負壓區(qū)，使凝汽器中的汽氣混合物被吸入蒸汽室內(nèi)，工作蒸汽和汽氣混合物一起進入擴散管速度降低而壓力升高，最終進入冷卻器進行冷卻，不凝結氣體以略高于大氣壓的壓力排出，凝結水經(jīng)疏水閥排至凝汽器加以回收。啟動射汽抽氣器無冷卻器，射出的蒸汽和空氣混合物經(jīng)消音器直接排向大氣。

射汽抽氣器抽真空系統(tǒng)配置為：每臺機組配置2×100%容量運行射汽抽氣器和1套啟動射汽抽氣器。機組啟動時啟動射汽抽氣器投運，正常運行時運行射汽抽氣器一用一備。啟動射汽抽氣器的汽源通常由主蒸汽或輔助蒸汽提供，運行射汽抽氣器汽源一般由低壓抽汽提供。

1.4 性能比較

抽真空設備的性能主要分兩部分，一是啟動性能，二是持續(xù)運行性能。下面就從這兩個方面進行分析比較。

(1)啟動性能

抽真空設備的啟動性能直接影響凝汽器建立真空所需時間，表1是不同容量的汽輪機組分別設置不同的抽真空設備在啟動工況下的性能參數(shù)比較見表1。

表1各種型式抽氣器啟動工況性能參數(shù)表

機組容量抽真空設備凝汽器平均背壓從101.3kPa(a)至34kPa(a)的抽真空時間(min)凝汽器平均背壓從34kPa(a)至4.9kPa(a) 的抽真空時間(min)18MW凝汽式汽輪機兩級射汽抽氣器507230MW抽汽凝汽式汽輪機射水抽氣器285015MW抽汽凝汽式汽輪機水環(huán)式真空泵51430MW抽汽凝汽式汽輪機水環(huán)式真空泵1.73

從上表可以看出，在汽輪機啟動工況下，水環(huán)式真空泵建立真空所需時間遠遠小于使用射水抽氣器或者射汽抽氣器建立同等真空所需的時間。

(2)持續(xù)運行性能

抽真空設備的持續(xù)運行性能能夠直接反應出抽真空設備在額定運行工況下的經(jīng)濟性能指標，是決定抽真空設備性能的關鍵指標，表2是不同容量的汽輪機組分別設置不同的抽真空設備在持續(xù)運行工況下的性能參數(shù)比較見表2。

表2各種型式抽氣器持續(xù)運行工況抽吸能力及單位耗功

機組容量抽真空設備吸入壓力/kPa抽吸干空氣量/kg·h-1計算耗功/熱/kW單位耗功/熱/kWh·kg-118[]MW凝汽式汽輪機兩級射汽抽氣器4.915.31278.3030MW抽汽凝汽式汽輪機射水抽氣器420452.2515MW抽汽凝汽式汽輪機水環(huán)式真空泵4.917191.1230MW抽汽凝汽式汽輪機水環(huán)式真空泵4.922200.91

從上表可以看出，在持續(xù)運行工況下，水環(huán)式真空泵的單位耗功僅為射水抽氣器單位耗功的40%～50%，而水環(huán)式真空泵的單位耗功僅為兩級射汽抽氣器單位耗熱量的10%左右。

綜上所述，抽真空設備的性能無論從啟動性能方面比較，還是從持續(xù)運行性能方面比較，水環(huán)式真空泵均大大優(yōu)于射水抽氣器和射汽抽氣器。

1.5 選型推薦

水環(huán)式真空泵除了在性能方面大大優(yōu)于射水抽氣器和射汽抽氣器以外，還有運行自動化程度高、操作安全簡捷方便，汽水損失較小，結構緊湊、占地面積小，檢修、維護周期長，檢修工作量小等優(yōu)點。因此，雖然水環(huán)式真空泵一次性投資較大，但在新建中小型機組中已被廣泛采用，文中接下來僅針對水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)進行相關的研究及討論。

2 水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)存在的問題

2.1 水環(huán)式真空泵能耗較高

水環(huán)式真空泵的能耗較高，主要有設計選型偏大和真空泵效率偏低兩個方面的原因。

國內(nèi)真空系統(tǒng)設計選型原則主要參照HEI《表面式凝汽器標準》，為了在機組啟動時快速建立真空，或者在機組的真空嚴密性受到破壞時維持較高真空，通常設計中選擇的真空泵抽吸能力較高。而在實際運行中，凝汽器真空是依靠蒸汽凝結成水、體積大大縮小而形成的。真空系統(tǒng)嚴密性合格時，漏入凝汽器的空氣量較少，較低的抽吸能力就可以滿足維持凝汽器真空的需要。以某型號為N25的汽輪機為例，設計工況下，真空泵的抽干空氣能力為22 kg/h，配置的電動機功率為37 kW，而實際運行中，根據(jù)真空嚴密度評價指標，N25汽輪機的合格漏氣量約為4.86 kg/h，允許漏氣量為8.1 kg/h。因此，實際運行中，真空泵的選型存在大馬拉小車的情況，導致耗能偏高。

另外，水環(huán)式真空泵自身的特點決定了泵的效率較低，一般為30%～50%，導致真空泵的耗能較高。

2.2 水環(huán)式真空泵抽吸能力降低

水環(huán)式真空泵抽吸能力降低，主要跟水環(huán)式真空泵的工作水溫度相關。真空泵的工作水溫度偏高，超過真空泵吸入口壓力對應的飽和溫度時，工作水就會發(fā)生汽化現(xiàn)象，導致水環(huán)式真空泵的效率降低，泵抽吸干空氣的能力大幅下降。據(jù)某電廠實際運行經(jīng)驗，30 MW 機組水環(huán)式真空泵的工作水溫度從23 ℃上升到36 ℃時，泵抽吸干空氣的能力減少了30%左右。因此，水環(huán)式真空泵工作水溫度高是導致真空泵抽吸能力降低的主要影響因素。水環(huán)式真空泵工作水溫度升高的常見原因有：(1)工作水冷卻器的冷卻水溫度過高，常規(guī)設計中工作水冷卻器的冷卻水取自冷卻塔的循環(huán)冷卻水，夏季運行工況時，循環(huán)冷卻水溫度偏高，導致冷卻器冷卻效果降低，工作水溫度升高。(2)當凝汽器的真空降低時，凝汽器的排汽壓力升高，相應的排汽溫度也升高，水環(huán)式真空泵進口吸入的汽(氣)混合物溫度同步提高，引起真空泵的工作水溫度上升，進一步降低真空泵的抽吸能力。(3)真空泵工作水冷卻器的換熱效率偏低。(4)汽水分離器的補水常規(guī)設計取自就近的凝結水管，當凝汽器的排汽溫度較高時，凝結水溫度也相應升高，將溫度較高的凝結水補入汽水分離器會導致工作水溫度升高。

2.3 真空泵汽蝕問題

當凝汽器在額定排汽壓力或更低的排汽壓力工況下運行時，凝汽器內(nèi)部達到高度真空，這時會出現(xiàn)真空泵內(nèi)的工作水溫度高于泵入口壓力對應的飽和溫度，工作水會在真空泵入口壓力較低的區(qū)域發(fā)生汽化，工作水中產(chǎn)生汽泡，當泵內(nèi)空腔旋轉至排氣區(qū)域時，由于壓力突然升高，工作水中的汽泡會發(fā)生破裂，從而導致真空泵內(nèi)發(fā)生汽蝕。汽蝕現(xiàn)象不僅會降低真空泵的效率，還會嚴重損壞真空泵的葉輪及其他部件，當汽蝕破壞到一定程度時，會使葉輪葉片斷裂，導致真空泵徹底癱瘓。

3 水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)的節(jié)能改造

針對水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)存在的三個問題，真空系統(tǒng)的節(jié)能改造可以分別沿三種不同的技術路線來研究。

第一種技術路線側重于降低真空泵的能耗。近年來，國內(nèi)部分發(fā)電廠開始采用水環(huán)式真空泵前置蒸汽噴射器或高效羅茨泵來替代一部分真空泵的功能，相應的減小水環(huán)式真空泵的容量，降低真空泵的能耗。通過前置蒸汽噴射器和高效羅茨泵可以使得真空泵入口汽氣混合物的壓力升高，當真空泵入口壓力高于其工作水溫對應的飽和壓力時，即可避免真空泵內(nèi)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。因此，配置小容量的水環(huán)式真空泵不但可以降低真空泵的能耗，也可以避免真空泵發(fā)生汽蝕。

第二種技術路線主要從降低水環(huán)式真空泵的工作水溫度方面著手。主要方法有改變工作水冷卻器冷卻水的水源，更換高效冷卻器，冷卻器的冷卻水側串聯(lián)低溫冷媒水等，另外，汽水分離器的工作水補水水源可以由凝結水改為溫度更低的除鹽水。不管是通過工作水冷卻器側間接降低工作水溫度，還是直接補充更低溫度的工作水，該技術路線都具有一定的局限性，只有在環(huán)境溫度較高的季節(jié)，工作水溫度的降低才能對機組真空的提高產(chǎn)生明顯影響。

第三種技術路線在于避免水環(huán)式真空泵的汽蝕。避免水環(huán)式真空泵的汽蝕主要從兩個方面入手，即“防”和“抗”?！胺馈奔捶乐蛊g，是指泵采取防汽蝕裝置，比如在泵入口的真空端補入汽封，防止汽泡破裂造成對泵體結構的破壞；“抗”是指泵內(nèi)的主要零部件如葉輪、葉片、泵體等采用抗汽蝕性能較好的不銹鋼材質(zhì)。通過“防”與“抗”的組合，可以有效的防止汽蝕對泵的損壞。

4 水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造的應用

對于水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造的技術應用，文中主要針對已建電廠來進行總結和分析。一是真空泵工作水冷卻器的冷卻水源的改造，對于冷卻水源為循環(huán)冷卻水的，增加來自工業(yè)冷卻水的水源，兩路水源可以自由切換，冬季運行時，使用循環(huán)冷卻水，夏季運行時切換至工業(yè)冷卻水，保證工作水溫度不會太高；二是真空泵能耗方面的改造，目前較常見的方案是采用前置蒸汽噴射裝置(或高效羅茨泵)與小容量水環(huán)式真空泵的組合，提高水環(huán)式真空泵入口壓力，解決水環(huán)式真空泵抽吸能力降低、能耗較高、汽蝕等問題。三是真空泵汽蝕方面的改造，主要從設備本體著手，進行泵本體結構的改進，增強泵的抗汽蝕性能，提高泵的運行可靠性和工作效率。值得注意的是，影響真空系統(tǒng)運行的各種因素之間并不是獨立的，而是會互相影響，因此水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)的節(jié)能改造不能單獨考慮影響真空泵運行的某一因素，而是應該從提高真空泵吸入口壓力(前置蒸汽噴射裝置或高效羅茨泵)，降低水環(huán)式真空泵的工作水溫度，減少真空泵的運行能耗等多方面來綜合考慮，這樣才能使水環(huán)式真空泵抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造的效益最大化。

5 結束語

對于中小型汽輪發(fā)電機組來說，其單機容量小、主機參數(shù)低的特點使得機組效率跟大機組相比處于較低水平，又由于中小型機組普遍面臨較大的成本壓力，因此，挖據(jù)機組節(jié)能潛力、研究節(jié)能技術對中小型機組降低運行成本、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。而抽真空系統(tǒng)設備的性能及效率對機組整體效率具有較大的影響，因此，中小型機組在進行抽真空系統(tǒng)設備選型和抽真空系統(tǒng)技術改造時，不能單純追求設備安全、極限真空和抽吸能力等指標，還應兼顧系統(tǒng)能耗和運行效率，只有這樣，才能有效提高機組的整體效率和運行經(jīng)濟性。