低溫余熱發電凝汽式汽輪機真空系統改造

范文禮，楊海林

1 引言

凝汽器、除氧器系統是凝汽式汽輪機組的重要組成部分，凝汽器真空度是汽輪機運行的重要指標，也是反映凝汽器綜合性能的一項主要考核指標。凝汽器真空度下降1%，汽輪機組熱耗將上升0.6%～1%。因此，保持凝汽器的最有利真空度和良好的運行工況，直接關系到整個汽輪機組的經濟性能。

2 運行現狀

我公司汽輪機組型號為BN12-1.05/0.20，額定功率12MW，使用老式雙通道射水抽氣器，抽氣器參數為：抽干空氣量12kg/h，工作水流量120t/h，吸入室壓力0.005MPa。射水泵兩臺，型號為IS150-125-250A，其中，汽輪機冷凝器射水泵電機功率為45kW，除氧器射水泵電機功率為22kW。

自投產以來汽輪機組存在如下問題：真空表指示降低；排汽溫度升高；凝結水過冷度增加；凝汽器端差增大；在調節汽門開度不變的情況下，汽輪機的負荷降低；用水量大，射水箱排污置換用水量15t/h；自用電耗量大，汽輪機發電時，當負荷在11 000kW時，凝汽器真空度在-88kPa～-90.6kPa，除氧器真空度在-87.5kPa左右，除氧效率不高，達不到汽輪機滿負荷運行要求。分析影響凝汽器真空度的原因發現，系統使用的射水抽氣設備耗能嚴重，機組運行成本高，有必要對原有系統進行技術改造。

3 原真空泵機組與氣冷羅茨水循環機組的比較

3.1 影響水噴射真空泵性能的因素

工作液溫度對水噴射真空泵性能的影響較大，高液溫工況下，工作真空快速下降，抽氣能力大大降低，甚至在某一入口壓力下抽氣量為零，這就是有些機組在夏天需啟動兩臺真空泵來維持凝汽器真空的原因。另外，工作液溫度上升對水噴射真空泵的長期運行也極為不利。隨著工作液溫度升高，對應的飽和壓力也不斷升高，當水噴射真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫度對應的飽和壓力時，將使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工作介質汽化產生的氣體而擠占了抽氣量，造成出力嚴重不足。不凝性氣體將使傳熱效果惡化并在凝汽器內積聚，破壞凝汽器真空，水蒸氣質量含量占1%的空氣能使凝汽器表面傳熱系數降低60%，從而降低機組的經濟性。

除氧器和凝汽器的真空裝置在改造前均使用水噴射真空泵，存在同樣的問題。

3.2 氣冷羅茨水循環機組的優點

（1）在真空設備建立真空的實際正常運行中，可以通過提高機組效率達到節能目的。

（2）常規水噴射真空泵（或噴射泵）效率低（30%），應用高性能氣冷羅茨水循環的機組在不同環境、不同設備及不同技術要求下，節能效率可高達70%～90%。

（3）抽吸的氣體包括不凝氣體（空氣）及可凝氣體（水蒸氣），通過減少真空泵壓縮氣體總負荷，節能率可達40%～60%。對于真空嚴密性不合格或在夏季運行的機組，可以提高凝汽器的真空值200～2 000Pa，相應減少發電用煤0.5～5.0g/kW·h。

（4）可節省大量的水循循環系統設備，節約用水，減少管理環節和運行費用。

（5）氣冷羅茨水循環機組性能完全不受工作液溫度限制，具有提高凝汽器真空的可能性。

（6）啟動快，能立即工作。

（7）對被抽氣體中的灰塵和水蒸氣不敏感。

（8）轉子不用潤滑，泵腔內無油，驅動功率小，機械摩擦損失小。

（9）結構緊湊，占地面積小。

（10）振動小，轉子動平衡條件較好，無排氣閥，運行平穩，噪聲大幅度減少，符合環保要求。

（11）可靠性高，轉子損壞風險低。

3.3 高效節能真空裝置的工作原理

在抽真空過程中，增加羅茨泵可增大抽速，節能，同時可提高真空度。

氣體在壓縮過程中會產生大量的熱，這種熱量會使羅茨泵，尤其是轉子溫度升高，因此一般羅茨泵在較低壓力下工作，此時氣體總量小，發熱量有限。當羅茨泵在較高壓力下工作時，會產生大量熱，為使羅茨泵正常工作，必須使轉子降溫，降溫最常用的方法為氣冷法，原理如下。

圖1所示為進氣階段，此時圖中陰影部分腔體與進氣口接通。

當轉子旋轉到圖2所示位置時，圖中陰影部分與進氣口隔離。此時換熱器中的氣體為冷凝后的氣體，溫度較低，而其壓力與羅茨泵排氣端相同，因此冷凝后的氣體進入封閉腔使之壓力升高，溫度降低。

當轉子旋轉到圖3所示位置時，圖中陰影部分與排氣口接通，溫度升高較小，升溫后氣體進入換熱器冷卻，冷卻后的氣體一部分通過換熱器進入下一級，另一部分作為冷卻氣體進入泵腔，對羅茨泵進行冷卻。冷卻后的氣體體積縮小，使前級泵負荷減小，可靠性增加，更加節能。

圖1 進氣階段

圖2 壓縮階段

圖3 排氣階段

4 實施改造

經過研究討論和實地考察，公司決定采用先進的氣冷羅茨水循環機組代替原來的真空泵機組。氣冷羅茨水循環系統最大的特點是能耗低（較原系統降低能耗70%）、零耗水、占地空間小、運行穩定、效率高。技術改造方案如下：

4.1 工藝參數

真空度工作壓力：500Pa；抽氣量：200L/s；總功率：15kW；抽氣要求：節能、耐腐蝕、環保。

4.2 工作過程及主要設備

羅茨泵為氣冷羅茨水循環真空泵，設計抽氣量為200L/s（12m3/min），額定轉速50Hz。氣體在壓縮過程中會產生大量的熱，此熱量與壓縮比有關。在此種組合的工作狀態下，羅茨泵采用閉式水循環冷卻系統，無外排廢水。羅茨泵主要材料采用灰鑄鐵，轉子采用球墨鑄鐵，過流部件采用化學浸滲鎳磷合金。軸承、密封件采用進口元件。

4.3 改造

利用停窯3d時間，投資28.8萬元對凝汽器、除氧器真空裝置進行節能技術改造。

表1 改造前后的節能效果

表2 改造前后的真空度情況

5 改造效果

改造前后的節能效果及真空度情況見表1、表2。改造后，經近一年時間的運行，該系統裝置節能效果明顯，凝汽器真空裝置節電率為67.5%，除氧器真空裝置節電率為58.8%，按年運行330d、電價0.62元/kW·h計算，僅節電效益每年合計22.55萬元，1.28年可全部收回投資。技改后，同工況下凝汽器真空度提高了2.6kPa，發電量提高了520kW，按年運行330d、電價0.62元/kW·h計算，每年多創造效益411.8萬元。