660 MW汽輪發電機組真空泵節能改造

金緯

(江蘇華電能源有限公司望亭發電分公司，江蘇 蘇州 215155)

1 改造背景

江蘇華電能源有限公司望亭發電分公司#4機組汽輪機是上海汽輪機有限公司采用德國西門子技術制造的660 MW超超臨界汽輪發電機，為一次中間再熱、單軸、四缸四排汽凝汽式機組，于2009年10月投產運行。2012年2月凝汽器抽真空系統改造后，高、低壓凝汽器采用單獨、并聯抽真空的運行方式。運行時關閉2個真空泵出口聯通閥，高壓凝汽器通過4A真空泵抽氣，低壓凝汽器通過4C真空泵抽氣，4B真空泵作為高、低壓凝汽器共用泵，即高、低壓凝汽器分別抽氣。在高、低壓凝汽器之間，內、外圈抽空氣管道上各有一個堵板，將高、低壓凝汽器抽空氣管隔離，在凝汽器外側設置了2個真空閘閥聯絡閥，高壓凝汽器內、外圈抽空氣管單獨經2個真空閘閥引出凝汽器后接入新抽真空母管?，F有的運行方式是通過調整液環真空泵的運行數量來實現節能。液環真空泵本身屬于高耗能的設備，僅有開和關2種狀態，單機功率達160 kW，實際電流約190 A，功耗極大。

目前投運的液環真空泵抽氣能力及極限真空度還與工作水溫有關。夏季水溫較高時，液環真空泵更容易氣蝕，抽氣能力大大衰減。當液環真空泵抽氣能力不能滿足凝汽器現階段抽真空需要時，凝汽器便無法維持最佳真空度，導致汽輪機效益變差，發電煤耗增加。隨著國家節能減排要求的提高，迫切需要對真空泵等輔機進行節能改造。

目前采用雙背壓凝汽器的火電機組，均是2臺真空泵并列運行，分別抽吸不同背壓的凝汽器。以機組啟動時抽真空速率(一般為30 min內要求達到某個真空值)和最大允許漏氣量作為選型原則。為保證機組啟動時能快速建立真空，設計時真空泵軸功率及電機功率選型往往較大。而機組穩定運行時，凝汽器中漏入的不凝結氣體量較小，遠小于真空泵的設計抽氣量，實際運行中真空泵效率可低至45%。鑒于目前真空泵配置存在的“大馬拉小車”狀況，選擇能耗更低的高效真空泵已勢在必行。

2 改造方案

羅茨真空泵的最大優點是在較低的入口壓力時具有較高的抽氣速率，但它不能單獨使用，必須有一臺前級真空泵串聯，待被抽系統中的壓力被前級真空泵抽至羅茨真空泵允許入口壓力時，羅茨真空泵才能開始工作。羅茨真空泵的極限真空度不但取決于泵本身的結構和制造精度，還取決于前級泵的極限真空度。為了提高羅茨真空泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯使用。此次改造將小功率的3級變頻調節羅茨真空泵和液環真空泵串聯布置，在羅茨泵排氣口配套小型易清理的冷卻器，作為一個整體與原有大型液環真空泵并列布置。采用3級羅茨真空泵分擔總壓縮量，降低每級泵的壓縮比，最大的好處是可以降低單級氣冷式羅茨真空泵壓縮氣體產生的熱量，減少對熱交換器的需求。使用的高效智能兩葉羅茨真空泵，其容積效率比三葉氣冷式羅茨真空泵高33%。普通三葉氣冷泵的排氣必須經過換熱器冷卻再返回羅茨真空泵冷卻泵體[1]，而高效智能兩葉羅茨真空泵無需做此類防卡死的低效率無用功，使得此類節能變頻真空泵組體積和質量均只有同等能力氣冷羅茨真空泵和單級液環真空泵機組的一半左右。

3 智能變頻真空泵組及相關設備參數

智能變頻真空泵組總功率為70.5 kW。高背壓凝汽器設計壓力為5.970 kPa，低背壓凝汽器設計壓力為4.547 kPa，真空系統漏氣率(實際值)為280 Pa/min。原有大型液環真空泵單機功率為132 kW。凝汽器運行最低背壓為4.540 kPa、真空泵冷卻水溫21.7 ℃時，2臺大真空泵并列運行出力為102 kg/h；凝汽器汽輪機額定功率(TRL)工況下背壓為9.810 kPa、真空泵冷卻水溫33.0 ℃時，2臺大真空泵并列運行出力為186 kg/h。

4 改造實施方案

在不改變原有3臺大型真空泵及系統的情況下，在高壓側凝汽器抽真空管道上接1臺高效智能真空泵組，在高、低壓側抽氣管路之間加裝可調節電動球閥，以保證高、低壓側抽氣管路可同時工作。

由于汽機房原零米層地坪下為砂石回填，地坪沉降較為穩定，故高效真空泵組基礎施工方式為：將零米層地表面鑿毛，布設?16 mm×200 mm的鋼筋網片，基礎澆筑采用C30混凝土，高350 mm，高出地面200 mm；在基礎上鉆6個?100 mm的孔，孔深不小于300 mm，使用M16×300 mm的地腳螺栓固定；高效真空泵通過墊鐵找平、找正，調整完畢進行二次灌漿，灌漿層厚50 mm。

真空泵組就位后連接工藝管道，包括真空泵組進汽口管道和附屬管道，將原抽真空高、低側母管各割除一段加裝三通，接一路DN 200 mm的管道至真空泵進汽口并安裝一只手動閥(高效真空泵檢修用隔離閥)。高效真空泵的冷卻水采用機組凝結水，冷卻水管規格為DN 65 mm。圖1為改造后的真空系統布置圖。

圖1 改造后的真空系統布置

Fig.1 Vacuum system layout after transformation

羅茨真空泵采用連續反饋變頻控制方式，通過壓力變送器和電流反饋來實時控制，閉式循環冷卻水系統采用溫度控制變送器來實時監控循環冷卻水的溫度，實現安全連續運行；同時，高效變頻真空泵組還具備自動啟停、報警聯鎖等功能，當循環冷卻水溫度過高或冷卻水量減少時，可以自動進行補水。羅茨真空泵依靠設定壓力進行穩壓控制，當真空泵組入口壓力波動較大時，羅茨真空泵可進行自動減速運行保護，等到平穩時再次恢復最大轉速，實現智能調速，同時不會導致系統停機。改造后的高效真空泵組與原系統大真空泵的主要運行方式如下。

(1)機組啟動時，按原運行方式將原有抽真空設備投入運行，用以建立真空。

(2)機組運行正常、真空度穩定的情況下，高效真空泵組投入運行，用以維持真空度，原有抽真空設備切除作備用。

(3)機組真空系統發生嚴重泄漏，高效真空泵不能維持凝汽器真空度時，將原有抽真空設備中的1臺或2臺投入運行，以滿足真空要求。

(4)高效真空泵組檢修或設備故障時，原有抽真空設備投入運行，確保真空要求。

(5)改造后機組正常運行時主要以高效真空泵組維持真空度，設備之間有可靠的聯鎖控制系統。

5 改造后的效果分析

5.1 效果評價

#4機組真空系統節能改造后，還處于調試階段。在夏季高溫階段，真空嚴密性為280 Pa/min左右時，高效智能機械真空泵組的工作性能要優于系統原有大型液環真空泵，558 MW工況下凝汽器真空度嚴密性<300 Pa/min時的試驗數據見表1。試驗結果表明：高效真空泵組能維持甚至改善運行中凝汽器的真空度，其中低背壓平均下降0.460 kPa，高背壓平均下降0.440 kPa，高、低背壓凝汽器真空度提高0.450 kPa左右。高效真空泵組的電流遠遠小于水環真空泵，僅為2臺大液環真空泵的1/4；機組負荷對其工作性能影響不大，根據運行電流判斷，真空泵組的抽氣量會根據負荷率變化進行調節，實現智能調速，以維持真空度。

5.2 經濟效益

以558 MW負荷時的數據進行分析，原大液環真空泵停運，高效真空泵組投用時，高效真空泵組電流為110.60 A，高效真空泵組功率因數為0.870，效率為0.90。高效真空泵組的實際功耗為57 kW，以年運行小時數為6 000計算，其耗電量為342.0 MW·h。由于大液環真空泵僅在機組啟動時投運幾十min，則高效真空泵組全年替代運行可節約廠用電760.8 MW·h，以上網交易電價為0.38 元/(kW·h)計算，全年可節約28.9萬元。

另一方面，高效真空泵組在維持和提高凝汽器真空度方面也有顯著效益。按最保守估計，投用高效真空泵可提高0.2 kPa真空度，以全年運行6 000 h、平均負荷為520 MW、機組真空度每提高1.0 kPa影響供電煤耗2 g/(kW·h)、煤價為800元/t計算，全年可節約96.0萬元。

該節能改造項目投入成本約100.0萬元，而年電耗和煤耗共可節約124.9萬元，當年就可收回成本，經濟效益十分顯著。

表1 負荷558 MW時真空系統運行數據Tab.1 Vacuum system operation data at 558 MW load

6 結束語

羅茨真空泵入口壓力必須大于12 kPa才允許啟動，因此通常需要配置前級真空泵預抽。此次節能改造采用了3級羅茨真空泵以降低每級泵的壓縮比，由于羅茨真空泵轉子及腔室容易過熱，所以增加羅茨真空泵級數可以有效降低單個羅茨真空泵的發熱量，減少對額外熱交換器的換熱要求。雖然機組啟動建立真空時仍需要投運大液環真空泵，高效真空泵組還無法完全替代大液環真空泵，但從經濟效益方面來看，達到了節能減排的目的。