某660MW 超超臨界機組真空系統節能研究與應用

高宏福 尹立國 王傳啟

華潤電力（錫林郭勒）有限公司

1 概況

本項目2 臺660MW 超超臨界發電機組。每臺機組抽真空系統配置2×50%，2BW4 353-OEK4 型水環式真空泵組，主機與小機抽真空系統共用，設計抽氣量8040m3/h。單臺水環真空泵電機配套功率132kW。設計機組啟動時2 泵運行，正常運行時1 運1 備。

2 系統優化分析

水環真空泵的性能指標有：功率、空氣量、容量、氣體混合物和吸入壓力。在水環真空泵啟動時，真空泵抽氣壓力Pm 、功率PP、抽氣時間T與抽空氣量Da 的對應關系。水環真空泵的性能與工作液溫度、工作液的特性和抽吸的氣體狀態有關。當水環真空泵，特性曲線為0.1MPa、抽氣溫度20℃、工作液溫度為15℃和相對濕度70%的空氣時，抽氣的工作特性變化而引起的水環真空泵的特性變化，按理想氣體狀態方式進行推導計算。吸氣量受工作液溫度的影響，可推導如下計算公式：

其中：

式中pm—抽氣壓力，Pa；

ps(t)—t℃時的飽和壓力，Pa；

ps(15℃）—15℃時的飽和壓力， Pa；

Da—t℃時的吸氣量，m3/min；

Da(15℃)—15℃時的吸氣量， m3/min；

nt—水環真空泵實際轉速， r/min；

ng—泵額定轉速，r/min。

當工作超過15℃時，修正系數λ＜1、D＜Da(15℃)，水環真空泵工作性能降低，實際抽吸能力也降低，抽吸壓力也下降，抽吸的空氣量也將減少。在機組額定工況下運行，真空系統的漏空氣量趨于穩定。因此，必須時刻保持水環真空泵的工作液溫度，以維持汽輪機真空系統的穩定運行。

3 系統改造實施分析

3.1 真空泵系統改造優化

由公式（1）可知，真空泵的工作液溫度越高，λ 值越小于1，水環真空泵的工作性能越差，抽吸能力也越低，當工作液的溫度處于恒定狀態時，汽輪機組的凝汽器才能形成良好的真空。

本機組真空泵極限抽吸壓力為3.3kPa，對應的飽和溫度約25.7℃。即工作液溫度小于等于25.7℃時，將會使真空泵工作在極限抽吸壓力下，在凝汽器循環水溫度不變的條件下，對應的凝汽器真空就越好。由公式（1）可知，可通過提高真空泵的抽吸能力Da(單位為m3/min)，提高凝汽器的真空度。通過綜合分析采取如下優化方案。

方案1：降低真空泵工作液溫度。水環式真空泵使用除鹽水作為工作液補水，補水溫度較恒定，降低補水溫度實施條件有限。可增加水環真空泵工作液冷卻器換熱片數量，增大板式換熱面積，同時在真空泵入口抽氣管道處增加一臺前置冷卻器，降低真空泵入口抽氣溫度。以實現降低水環真空泵工作液溫度。

方案2：實施真空系統改造，在方案1的基礎上，增加1 臺100%高效羅茨真空泵組，提高真空系統抽氣能力的同時，降低廠用電。真空泵入口蒸汽和不凝結汽（氣）先經過前置冷卻器，使得抽氣管道內的水蒸氣在前置冷卻器內凝結，其汽化潛熱由前置冷卻器的閉式冷卻水帶走，冷凝水排至凝汽器內。高效羅茨真空泵組吸入的氣體基本上都是不凝結氣體，以降低進入高效羅茨真空泵組抽氣溫度，保證高效真空泵運行穩定。

經過計算選型，新增1 臺100%容量高效羅茨真空泵組（抽氣量9000m3/h），較原設計抽氣量（8040m3/h）增加12.2%。羅茨真空泵配套電機功率75kW,水環真空泵配套電機功率110kW，其中羅茨真空電機采用變頻控制，以適應不同工況調節需要。

3.2 可靠性分析

抽真空系統改造接入1 臺100%容量高效羅茨真空泵組。原有的2 臺50%容量水環真空泵組仍保留，通過修改控制邏輯實現泵與泵之間的自動切換，確保抽真空系統安全可靠。

汽輪機組正常啟動時，使用2 臺50%水環真空泵組抽真空，實現快速建立真空，在機組穩定運行后，使用1 臺高效羅茨真空泵組正常運行，通過羅茨真空泵變頻電機調節，適應機組各工況需要。

在機組真空系統發生嚴重泄漏時，高效羅茨真空泵組不能維持凝汽器真空，原有2 臺水環真空泵投入運行，滿足機組運行要求。

3 臺真空泵組互為備用，任意一臺真空泵故障，都能聯鎖啟動，實現快速切換。

4 效果評價

4.1 實施費用

項目總投資：1 臺管式前置換熱器：5.68萬元。1 臺100%高效羅茨真空泵組：62.97萬元。設備安裝施工費：4.5 萬元。單臺機組總投資73.15 萬元。

4.2 廠用電節能效果評價

改造后，對機組進行性能試驗，如表1。以單臺機組年運行7000h 計，原2 臺水環真空泵運行電流分別為170.40A 和170.97A，改造后高效羅茨真空泵組羅茨泵運行電流40.99A、水環泵運行電流163.50A。

表1 真空系統改造效果數據比較

式中T—真空泵電機1a 中運行時間，按7000h 計算；

P—真空泵一年運行所耗電量，kWh；

U—電機電壓，kV；

I—真空泵電機電流，A；

cosφ—真空泵電機功率因數，取0.85。

按公式（3）計算，原2 臺水環真空泵1a 運行所耗電量為：

1 套高效羅茨真空泵組1a 運行所耗電量為：

則年節約電量為：133.69 萬kWh -80.08萬kWh =53.61 萬kWh。

電價按0.345 元/ kWh 計算，單臺機組年節約電費約：0.345×53.61=18.49 萬元。

4.3 機組煤耗節能效果評價

分析試驗數據，如表1，在機組同負荷條件下，比較試驗方案1、試驗方案2，負荷660MW 時機組真空背壓降低2.48kPa，負荷330MW 時機組真空背壓降低3.9kPa。真空泵廠用電降低136.88A。比較試驗方案2、試驗方案3，在水環真空泵正常運行的條件下，投退真空泵入口前置冷卻器后，負荷660MW時機組真空背壓降低0.23kPa，負荷330MW時機組真空背壓降低1.28kPa，真空泵廠用電平均降低約1A。

按背壓變化對機組煤耗影響的定量計算方法比較計算，機組每降低1kPa 背壓，節約2.3gce，標準煤平均單價600元/t，單臺機組按降低背壓2.48kPa計算。機組年平均運行4800h，節煤：4800×660×103×2.48×2.3×10-6×600=1084.2萬元。

4.4 綜合經濟效果評價

單臺機組真空系統改造總投資73.15 萬元；單臺機組改造后節省廠用電18.49萬元/a；單臺機組改造后機組降低背壓2.48kPa，節約標煤1084.2 萬元/a；按靜態投資期法計算，約0.07a 收回投資，改造后經濟性優良，節能效果明顯。

5 結語

通過對真空系統改造，采用1 臺100%容量高效羅茨真空泵組系統運行可靠，實現機組能耗降低。減少了原水環真空泵組運行時間，降低設備維護成本；降低廠用電率和機組煤耗。節能、經濟性效果明顯，達到節能降耗目的，改造效果優良,可為同行類似機組改造提供參考。