羅茨高效真空泵應(yīng)用探討

徐海榮,呂 峰,金利鵬

(浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602)

0 前 言

近年來，隨著國家對燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作的積極推動，特別是《煤電節(jié)能減排升級與行動計劃 (2014-2020年)》的出臺，各火電廠對節(jié)能改造的重視程度達到了一個新的高度。在汽輪機熱端節(jié)能增效改造工作日益深入的同時, 凝汽器真空系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化也逐步得到各電廠的重視，由此出現(xiàn)了許多新的節(jié)能改造方案與設(shè)備。

凝汽器是電站汽輪機輔助設(shè)備中的一個主要部分，抽真空系統(tǒng)的功能是將凝汽器中的不凝結(jié)氣體抽出。目前采用的抽真空設(shè)備主要是射水泵和水環(huán)真空泵，其在運行中普遍存在能耗大、效率低、選型偏大、維護成本高、極限真空低、受工作水溫影響大等問題 ，為此有必要進行相關(guān)改造來保證真空系統(tǒng)的安全、 經(jīng)濟和高效運行。

其中一種氣冷羅茨高效真空機組技術(shù)逐漸得到推廣與應(yīng)用，并取得良好的節(jié)能效果。

1 真空泵技術(shù)改造的必要性

1.1 冷凝器原水環(huán)真空系統(tǒng)簡介

國內(nèi)多數(shù)燃煤電廠抽真空系統(tǒng)采用水環(huán)式真空泵。水環(huán)式真空泵在選型時，主要以快速建立真空和最大允許漏氣量為設(shè)計選型原則，但其存在如下問題：

(1)設(shè)計部門在設(shè)計選型時，主要以快速啟動和最大的允許漏氣量作為選型原則，存在當機組正常運行時，真空泵維持系統(tǒng)真空的裕量較大、功率配置過大問題。

(2)水環(huán)真空泵自身的特性決定了它的效率較低。正常運行時，真空泵葉輪通過攪拌工作水流建立水環(huán)，以此來抽吸不凝結(jié)氣體，在此過程中能量損失較大，故其效率很低，一般只有30%左右。水環(huán)真空泵在高真空下出力急劇下降，且容易發(fā)生汽蝕。

(3)水環(huán)真空泵的抽吸能力受工作水溫度的影響較大，當工作水達到 35 ℃以上時，其抽氣能力急劇下降。這是因為工作水溫度升高到水環(huán)真空泵入口壓力下對應(yīng)的飽和溫度時發(fā)生了汽化現(xiàn)象，水環(huán)泵主要應(yīng)付于抽取汽化蒸汽，導(dǎo)致抽空氣能力大幅下降；同時，工作水溫度的升高對真空泵的極限真空值產(chǎn)生較大的影響，這是因為極限真空值就是工作水溫度所對應(yīng)的飽和壓力。

1.2 節(jié)能氣冷羅茨水環(huán)真空機組簡介

氣冷羅茨水環(huán)真空機組主要由氣冷羅茨泵、水環(huán)真空泵、級間冷卻器、工作液換熱器、氣液分離器五大部分組成。

氣冷羅茨真空泵一個重要的特點是能承受高壓差。借助于外置冷卻器使氣體自動進行循環(huán)冷卻轉(zhuǎn)子和泵體，泵可在很高的壓差下連續(xù)工作，而不會發(fā)生熱過載。與前級水環(huán)真空泵串聯(lián)成機組，可在高壓范圍內(nèi)獲得接近于主泵抽氣量的大抽速。氣冷羅茨真空泵具有如下優(yōu)點：

(1)氣冷羅茨水環(huán)真空機組采用容積式抽吸原理，具有抽氣效率高，抽氣效率不受冷卻水影響的特點(雖然羅茨水環(huán)機組內(nèi)的前級水環(huán)泵的氣量隨著工作液溫度升高也會有所衰減，根據(jù)蓋·呂薩克定律，衰減不過10%；但是在合理的壓縮比情況下，羅茨泵所抽的飽和水汽排氣至級間冷凝器會被冷凝掉大部分，或者冷凝后直接進入水環(huán)真空泵充當工作液，被冷凝的這部分水蒸氣量絕對高于10%)。

(2)以氣冷羅茨泵為主泵、水環(huán)泵為前級泵的串聯(lián)方式，克服了單臺水環(huán)真空泵極限壓力高、在一定壓力下抽氣速率低及受冷卻水溫度影響大的缺點，同時保留了氣冷羅茨泵能迅速工作，有較大抽氣量的優(yōu)勢。

(3)大幅提升真空機組的極限真空度，提高泵組抽吸效率，同時極大降低泵組能耗，節(jié)能效果顯著。

(4)電機功率降低，噪音減小；設(shè)備維修件變小，維修更加方便，由于設(shè)備在合理的工作點，故障率降低。在改善工作噪音環(huán)境的同時，縮減了原大水環(huán)機組的維護保養(yǎng)成本。

1.3 真空泵技術(shù)改造的必要性

通過上述對原水環(huán)真空系統(tǒng)和氣冷羅茨水環(huán)真空機組的介紹及對比，采用節(jié)能羅茨水環(huán)真空泵組既可有效解決當前水環(huán)泵汽蝕、抽氣性能下降的問題，同時通過減少過大的設(shè)計裕量，可以節(jié)電70%以上。這不僅符合國家節(jié)能減排的政策性要求，而且對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、增強企業(yè)競爭力有著重要意義。

高效羅茨水環(huán)真空泵組做為目前成熟可行的技術(shù)方案已獲得國內(nèi)外電廠的廣泛運用，在提高設(shè)備可靠性、節(jié)能降耗方面效果十分明顯。

2 節(jié)能羅茨水環(huán)真空機組的技術(shù)改進及優(yōu)勢

2.1 氣冷羅茨泵的密封

氣冷羅茨泵進出口壓差較大，為了進一步提高系統(tǒng)的密封性，對此問題進行了技術(shù)改進：氣冷羅茨泵采用的密封型式為機械密封和唇形密封組合的方式，較之單一的密封，此改進有效地保證了羅茨泵的密封性，在一定程度上可以提升系統(tǒng)真空度。改進后的羅茨真空泵和傳統(tǒng)型羅茨真空泵的密封對比見表1。

表1 改進后的羅茨真空泵和傳統(tǒng)型羅茨真空泵的密封對比

2.2 羅茨真空泵過流部分防腐處理

在對電廠真空機組做了深入使用調(diào)查研究后得知，由于氣冷羅茨泵抽氣介質(zhì)中含有大量水蒸氣，隨著機組使用年限的增長，過流部分受水蒸氣的腐蝕日漸嚴重。將真空機組羅茨泵過流部分做滲磷鎳處理，有效地減少了羅茨泵轉(zhuǎn)子、泵腔等被腐蝕的程度，加長了機組的使用年限。

圖1 機械密封與迷宮密封結(jié)構(gòu)

2.3 針對羅茨泵溫升過高的技術(shù)改進

針對某些電廠改造后出現(xiàn)羅茨泵溫升過高的這一問題[1]，經(jīng)過研究找出了導(dǎo)致羅茨真空泵溫升過高的原由為一級冷凝室積水。造成此問題的原因是由于凝汽器真空嚴密性良好，不凝結(jié)氣體較少，抽真空設(shè)備主要抽吸的是飽和蒸汽，蒸汽經(jīng)管道冷卻后凝結(jié)并積聚在一級冷凝室處，當一級冷凝室滿水時，一級冷凝室流通面積減少形成堵塞，反映在溫度上就是一級冷凝室溫度與環(huán)境溫度無異。羅茨真空泵的前級轉(zhuǎn)子排氣受阻，前級轉(zhuǎn)子憋泵運轉(zhuǎn)，加上后級轉(zhuǎn)子排氣減少無法給羅茨真空泵泵體提供足夠的冷卻氣體，最終導(dǎo)致了羅茨真空泵泵體的溫度升高現(xiàn)象。

針對此問題，做出以下技術(shù)改進：增添一套自動排水罐且排水期間對系統(tǒng)真空度不產(chǎn)生任何影響。方案如圖2所示：

圖2 改進后的自動排水系統(tǒng)

此儲水罐與級間冷卻器一級冷凝室相通，通過儲水罐上的電磁閥、破空閥、赫斯曼浮子液位計等部件，實現(xiàn)對一級冷凝室的自動排液，解決了羅茨泵溫升過高的這一問題。

2.4 級間冷卻器的改進

傳統(tǒng)的冷卻器大多采用光管式換熱管，由于光管外表面積的限制，傳統(tǒng)的冷卻器在保障換熱效果的同時，冷卻器普遍做得比較笨拙。

針對電廠真空房空間緊湊這一現(xiàn)象，可以采用高效翅片式換熱管替代傳統(tǒng)的光管式(見圖3)。在普通的基管上加裝翅片來強化傳熱這一方法具有傳熱性能良好、穩(wěn)定、空氣通過阻力小等優(yōu)點，蒸汽或熱水流經(jīng)鋼管管內(nèi)，熱量通過緊繞在鋼管上翅片傳給經(jīng)過翅片間的空氣，達到加熱或冷卻空氣的目的[2-3]。較之傳統(tǒng)型光管式級間冷卻器，翅片式冷卻器在外型尺寸相同的情況下有效加大了換熱器的換熱面積，進一步提高飽和空氣中的水蒸氣的冷凝量，降低了前級水環(huán)真空泵的壓力。

圖3 翅片換熱圖實樣

3 某汽輪機組凝汽器抽真空泵組技改實例

3.1 技改背景

某汽輪機組為660 MW國產(chǎn)超超臨界燃煤機組，凝汽器主要技術(shù)參數(shù)見表2：

表2 某汽輪機組凝汽器主要技術(shù)參數(shù)

原有真空系統(tǒng)：一臺機組配置3臺水環(huán)式真空泵，型號為2BE1 353-0MY4，配用電機132KW。

3.2 節(jié)能羅茨水環(huán)真空機組選型

根據(jù)DL/T932-2005《凝汽器與真空運行強制維護導(dǎo)則》，嚴密性達到優(yōu)異水平為真空下降速度≦133 Pa/min,對于大型濕冷汽輪發(fā)電機組空氣漏入率可采用經(jīng)驗公式計算,即：

Gha=1.5*(Q/100+a)

(1)

式(1)中：

Gha——空氣泄漏率，kg/h;

Q——凝汽器氣量，600 MW機組一般取1 400 t/h;

a——與凝汽器殼數(shù)和附加排氣口數(shù)相關(guān)的系數(shù)，在此取2；

根據(jù)計算和機組真空嚴密性與漏氣流量定量關(guān)系表(見表3)，機組按空氣漏氣率24 kg/h計算。

表3 機組真空嚴密性與漏氣流量之間的定量關(guān)系表

已知循環(huán)水溫為20 ℃時，凝汽器背壓為4.36 kPa(對應(yīng)凝結(jié)水的飽和溫度為30 ℃)，凝汽器空冷區(qū)設(shè)計溫度4.2 ℃，則實際吸氣溫度為25.8 ℃。

根據(jù)理想氣體方程有:

VG=mG*RG*Tmix/Pmix

(2)

式(2)中：

VG——空氣的體積流量, m3/h；

mG——漏入的空氣質(zhì)量流量，即空氣泄露率24 kg/h;

RG——空氣的氣體常熟，287.05 J/kg*K;

Tmix——空氣-水蒸氣混合物的熱力學(xué)溫度，Tmix=273+tmix，tmix=25.8 ℃;

Pmix——工作壓力，即真空泵入口空氣-水蒸氣混合物的壓力，為4.36 kPa;

計算可得夏季工況7#機凝汽器漏入的干空氣體積流量為472 m3/h。

計算需真空泵抽出的空氣一水蒸汽混合物容積流量，根據(jù)飽和蒸汽分壓定律(道爾頓定律)有：

VG/Vmix=PG/Pmix=(Pmix-PD)/Pmix

(3)

式(3)中：

Vmix——空氣-水蒸氣混合氣體體積流量，m3/h；

PG——干空氣的分壓，kPa;

PD——水蒸氣的分壓,kPa，25.8℃時水的飽和蒸汽壓為3.363 kPa;

經(jīng)計算可得，不凝汽干空氣的體積流量為1 592 m3/h。

可知此工況下，干空氣-水蒸氣的混合氣體總體積流量為2 064 m3/h，即真空機組需抽出的混合氣體總量。

所以節(jié)能氣冷羅茨水環(huán)真空機組選型為2FW2-2160-153-OSYO(50 Hz時最大抽氣量為2 160 m3·h，機組總功率為37 kW)。圖4為氣冷羅茨水環(huán)真空機組性能曲線。

圖4 氣冷羅茨水環(huán)真空機組性能曲線

由于機組主泵氣冷羅茨泵選型為變頻調(diào)節(jié)，羅茨真空泵的理論抽氣速率Vth與轉(zhuǎn)子的理論關(guān)系式為：

Vth=2πR2NLλ*10-6/60

(4)

式(4)中：

N——羅茨泵轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min；

R——羅茨泵轉(zhuǎn)子的半徑, mm；

L——羅茨泵轉(zhuǎn)子的長度，mm;

λ——容積利用系數(shù)。

由此可知，抽氣速率與氣冷羅茨泵的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，故在機組真空嚴密性變差的工況下，可通過增加羅茨泵轉(zhuǎn)速來增大抽氣量，仍可維持機組真空。2FW2-2160-153-OSYO真空機組工頻下額定抽速為 2 160 m3/h，當凝汽器被抽氣體高于此容積時，可以加大羅茨泵電機頻率，從50 Hz調(diào)整到60 Hz，即轉(zhuǎn)速增加1.2倍，則泵組的實際抽速可達到2 592 m3/h，從而滿足維持真空機組的需要。

3.3 改造實施方案

實施高效抽真空泵組改造，并不改變原有的水環(huán)真空泵，只是在凝汽器抽真空母管上并接一套羅茨真空泵組(見圖5)。當高效抽真空泵組運行時，蒸汽和不凝結(jié)氣體經(jīng)節(jié)能羅茨水環(huán)真空機組自帶的級間冷凝器冷卻進入前級水環(huán)泵，由于羅茨真空泵的增壓和級間冷凝器的冷凝作用，使得水蒸汽基本在級間冷凝器內(nèi)凝結(jié)，其汽化潛熱由級間冷凝器的冷卻水帶走，水環(huán)真空泵吸入的氣體基本都是不凝結(jié)氣體；同時羅茨真空泵的增壓，使水環(huán)真空泵的入口壓力提高一倍以上，可保證水環(huán)真空泵高效穩(wěn)定運行。

圖5 改進后羅茨真空泵組系統(tǒng)

3.4 節(jié)能性分析

3.4.1 節(jié)電效益

原水環(huán)真空泵所配電機132 kW，真空泵運行電流約為153 A。改造后，在正常運行階段，羅茨-水環(huán)高效真空機組的運行電流為35 A左右。按真空機組年運行6 000 h考慮，節(jié)電效益如下：

原水環(huán)真空泵 ：

原真空泵的平均運行電流為153 A，

平均運行功率153*380*1.732*0.866=87.2 kW·h；

年運行6 000 h用電量：

87.2*6 000=523 200 kW

按每度電0.37元上網(wǎng)電價，年運行費用：

523 200*0.37=19.36萬元

高效氣冷羅茨水環(huán)真空機組：

運行電流約35 A；

則平均運行功率35*380*1.732*0.866=20 kW·h；

年運行6 000小時用電量：

20*6 000=120 000 kW；

按每度電0.37元上網(wǎng)電價，年運行費用：

120 000*0.37=4.44萬元；

技改后年省電費用

19.36-4.44=14.92萬元.

3.4.2 節(jié)省真空泵維護費用：

改造后，因原配置的真空泵僅在啟機建立真空時投入運行，機組正常運行時，水環(huán)真空泵長期處于備用狀態(tài)，只做定期試啟，不存在汽蝕狀況、設(shè)備損壞的問題。因此，技改后原真空泵可大大減少維護次數(shù)，實現(xiàn)少維護或免維護的效果，從而節(jié)省大量的檢修費用并減少大量的檢修時間。按原有大真空泵2BE1-353每臺每年1萬元計算，兩臺真空泵每年節(jié)約維護費2萬元。

4 總 結(jié)

火力發(fā)電機組采用節(jié)能羅茨水環(huán)真空機組維持凝汽器運行真空，可以充分融合羅茨真空泵不受介質(zhì)溫度影響和水環(huán)式真空泵抽氣能力強的兩大技術(shù)優(yōu)勢，有效避免原有真空泵存在大馬拉小車現(xiàn)象，從而使凝汽器抽氣系統(tǒng)運行設(shè)備的廠用電耗降到最低。