凝汽器水環式真空泵工作液冷卻系統的優化改造

林萬安，宋瀾波，張 衛，付岳峰，鄧永康

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底 417009）

1 凝汽器真空問題概述

凝汽器真空系統對于電廠運行非常重要，直接影響電廠的經濟性和系統運行的穩定性[1]。水環真空泵是建立和維持汽輪機機組的低背壓和凝汽器真空的成套裝置，正常運行時，真空泵為一用一備，不斷地抽出由不同途徑漏入汽輪機及凝汽器的不凝結氣體。凝汽器配套選用水環式真空泵的大小，是根據凝汽器干空氣泄漏量的大小來確定。如果不及時將凝汽器中泄漏的干空氣及時抽出來，汽輪機組的運行穩定性很難保證。相關研究表明，凝汽器真空每提高1 kPa，機組帶負荷能力提高約1%，改善真空可達到降耗節能的目的[2]。

華菱漣鋼能源總廠擁有多套煤氣鍋爐-汽輪機發電機組，凝汽器均配套采用水環式真空泵，工作原理如圖1 所示，運行中發現工作液溫度直接影響機組的真空。在實際運行過程中，由于循環冷卻水系統的能力問題，真空泵工作液長期處于較高的運行溫度（≥35 ℃），夏季尤為明顯。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，當工作液溫度達40 ℃時，對應的飽和壓力為7.4 kPa，此時可建立的極限真空達到8 kPa 以上，再提高抽吸能力也無法突破這個極限值。如果可以將工作液溫度穩定到20 ℃以下，對應飽和壓力為2.4 kPa，對應可建立的極限真空可以達到3.3 kPa 以內，則真空度存在提升空間[3,4]。

圖1 水環式真空泵工作示意圖

綜上所述，真空泵工作液溫度對其抽吸能力有直接影響，而真空泵的抽吸能力則直接影響機組的經濟性。因此，本文針對真空泵工作液溫度對真空和汽機負荷的影響展開研究，以指導進行全廠真空泵工作液冷卻系統的下一步改造[5,6]。

2 可行性試驗

能源總廠現有3 套M251S 型燃氣-蒸汽聯合循環（CCPP）發電機組，總機組容量為50 MW，其中，余熱鍋爐機組采用凝汽器式汽輪機組，汽機發電負荷為22 MW，采用冷卻塔工業循環冷卻水系統進行冷卻。汽輪機凝汽器配備2臺肯富來水環式真空泵（一用一備），型號為2BW4 203-0MY4，工作液（脫鹽水）流量為10 m3/h，補充工作液流量為0.5 m3/h，冷卻水流量為16 m3/h，吸入壓力為88～1013 kPa，排出壓力為1015 kPa，抽汽量1128 m3/h，抽速為7.5～18.8 m3/min。進氣溫度20 ℃，進水溫度15 ℃，設計極限壓力為3.3 kPa。

為了驗證真空泵工作液溫度對汽機真空和負荷的影響，在CCPP 機組上進行了實驗研究，本試驗是在保持燃機負荷基本不變的情況下，控制真空泵冷卻水流量，調節真空泵工作液溫度，觀察真空及機組負荷的變化趨勢。如圖2 所示，隨著冷卻水流量減少，燃機負荷基本維持在25 MW 左右，工作液溫度從29.2 ℃升高至39.7 ℃，此時，真空從-92.8 kPa 降到了-91.7 kPa，真空下降1.1 kPa。隨著冷卻水的復投，工作液溫度從39.7 ℃逐漸回降到29.5 ℃，真空上升到-92.7 kPa，上升1.1 kPa。

圖2 汽輪機負荷和真空隨溫度的變化趨勢

如圖3所示，隨著真空泵工作液溫度的上升，汽輪機發電負荷逐漸下降，工作液溫度從29.2 ℃升高至39.7 ℃，對應的負荷從20.28 MW 下降到19.82 MW，負荷下降約460 kW。重新投入冷卻水后，工作液溫度恢復至29.5 ℃，此時負荷從20.05 MW 上升至20.385 MW，負荷增加約335 kW。由此可見，降低真空泵工作液運行溫度能夠顯著提高凝汽器的真空度和汽輪機的發電效率。

圖3 汽輪機負荷隨工作液溫度的變化趨勢

3 系統改造方案

能源總廠發電二車間的CCPP 聯合循環發電機組利用溴化鋰制冷機組對燃機進氣進行冷卻，以提高夏季高溫條件下燃機的帶負荷能力。利用這個條件，總廠通過對真空泵冷卻水系統進行改造，從溴化鋰制冷機的冷凍液管接出一個旁路連入原真空泵板式換熱器上的循環冷卻水管上，如圖4所示。溴化鋰制冷機組可穩定提供8 ℃至12 ℃的冷凍水，由于管道存在熱損，實際到達燃機的冷凍液溫度維持在15 ℃左右。

圖4 真空泵冷卻系統改造示意圖

4 改造效果

項目改造完成后，技術設備科組織車間進行了工作液冷卻試驗，觀察工作液溫度對汽輪機真空和負荷的影響。在維持燃機負荷一定的情況下，通過控制冷凍水流量調整工作液溫度，在每個溫度點穩定運行一段時間后，記錄發電機組的運行數據，試驗數據如表1所示。

表1 聯合循環機組各參數的變化趨勢

如圖5 所示，試驗第一階段隨著冷凍水流量減小，工作液溫度逐漸升高，從22.2 ℃上升至40.8 ℃，此時汽輪機的真空逐漸降低，從-93.7 kPa下降到-89.5 kPa，真空度降低達4.2 kPa。試驗第二階段，逐漸增加冷凍水流量，工作液溫度逐漸降低，從40.8 ℃下降到20.9 ℃，真空從-89.5 kPa 恢復到-93.6 kPa，真空提高達4.1 kPa。

圖5 汽機真空隨工作液溫度的變化趨勢

如圖6 所示，試驗期間除了因煤氣熱值波動導致燃機負荷波動的少數情況外，其他大部分時間燃機負荷基本維持在26.05 MW 左右。因此，余熱鍋爐的蒸汽量大部分時間也基本維持穩定，主蒸汽平均流量為78.4 t/h，補汽平均流量為4.3 t/h，因此汽輪機負荷受燃機和余熱鍋爐的影響較小，對后面的分析不會造成太顯著的影響。

圖6 燃機和余熱鍋爐的運行參數變化趨勢

如圖7 所示，在保持燃機和余熱鍋爐運行較為穩定的前提下，真空泵工作液溫度的變化對汽輪機的發電效率造成了一定的影響，汽機所帶負荷呈現出一定的變化。工作液升溫期間，溫度從22.2 ℃上升至40.8 ℃，汽機負荷則從21.88 MW 下降到20.6 MW，負荷下降1280 kWh。當工作液溫度從40.8 ℃下降到20.9 ℃時，汽機發電負荷從20.6 MW 上升到22.05 MW，負荷增加1450 kWh。此時，負荷變化基本與1 kPa 真空影響汽機效率1%的理論對應一致。

另外，13 組試驗數據，真空提高汽機負荷降低是由于燃氣輪機受煤氣熱值波動導致其負荷有所降低，余熱鍋爐的蒸汽流量也有2 t/h 的波動，從而導致汽機負荷明顯下降。

圖7 汽輪機發電負荷隨工作液溫度的變化趨勢

為了進一步確認實際運行過程中，真空泵工作液溫度對汽輪機真空以及發電負荷的影響，利用溴化鋰制冷機組檢修時間補充了一系列試驗，試驗數據如表2 所示。只投入燃氣輪機進氣冷卻，燃氣輪機和汽輪機負荷均會增加，汽輪機真空會有略微下降。在燃氣輪機投入進氣冷卻后，進行真空泵工作液冷卻系統的切換，工作液溫度分別有10 ℃和14.3 ℃的變化，此時燃氣輪機負荷受到的影響較小，汽輪機真空分別有3.3 kPa 和2 kPa 的增長，汽輪機負荷分別增加了600 kWh和560 kWh。

表2 制冷系統投退對汽機運行的影響

5 結論

降低真空泵工作液溫度可增加真空泵的抽吸能力，提高汽輪機的真空，而真空的提升則顯著提高機組的發電效率。試驗當天，其他條件保持不變的情況下，制冷系統和循環冷卻水系統的倒換影響真空2 kPa 左右，影響汽機負荷500 kWh。夏季高溫季節，工作液和循環冷卻水溫度將會更高，制冷系統的投入對真空的提升將會更加明顯。因此，可以利用制冷裝置優化改造真空泵冷卻系統，降低真空泵運行時的工作液溫度，提高機組的發電效率。