劉雪成，肖順春，張建忠

（華能瑞金電廠，江西贛州 341108）

0 引言

在火力發(fā)電廠中，凝汽器的作用之一是在汽輪機(jī)排汽口形成較高的真空，使機(jī)組排汽盡可能的膨脹做功，減少冷源損失。在機(jī)組真空系統(tǒng)中，壓力最低部分是真空泵，大概比凝汽器低0.8 kPa左右。真空泵的殼體輪廓形成一個(gè)偏心圓，且葉輪上帶有許多沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲的葉片。當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，殼體內(nèi)的水便會(huì)被離心力壓向殼體的內(nèi)表面，并形成偏心圓形狀的水層。這樣，如圖1中所示處便形成一空洞狀態(tài)，相鄰兩個(gè)葉片之間的空間形成氣缸，而水就像活塞一樣，沿著葉片上下移動(dòng)，這種運(yùn)行方式如同往復(fù)真空泵一樣。換句話說(shuō)，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣體通過(guò)殼體的吸入口處進(jìn)入殼體，再?gòu)目装宓奈鼩饪谶M(jìn)入葉輪，并在移動(dòng)過(guò)程中經(jīng)膨脹和壓縮后，從孔板排氣口向殼體的排出口排出。

在電廠冷端優(yōu)化分析中，都集中在對(duì)影響機(jī)組真空的常規(guī)因素，如循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度、真空嚴(yán)密性、凝汽器鋼管的清潔度等上面，而往往忽視了真空泵本身工作性能對(duì)真空的影響?，F(xiàn)在電廠中，凝汽器抽真空設(shè)備普遍采用偏心式水環(huán)真空泵，其具有能耗低、噪音小、抽吸能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)。真空泵能抽吸到的極限真空為工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，在冬季時(shí)，受凝汽器極限真空制約，真空泵很容易滿足工作需要；而南方夏季工況時(shí)，工作冷卻液溫度可達(dá)到40℃，對(duì)應(yīng)飽和壓力7.38 kPa，再加上抽汽管道壓力損失，使得凝汽器背壓最低在8 kPa以上。受上述條件制約，冷端無(wú)論如何優(yōu)化，都無(wú)法突破真空泵最低抽汽壓力限制。

圖1 水環(huán)真空泵工作示意

由此可見，夏季工況時(shí)，真空泵抽吸能力對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。有必要對(duì)真空泵工作液溫度對(duì)其性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，以給出切實(shí)有效的解決方案。

1 可行性試驗(yàn)

華能瑞金電廠350 MW機(jī)組為國(guó)產(chǎn)首臺(tái)超臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽器式汽輪機(jī)組，采用自然通風(fēng)濕式冷卻塔，循環(huán)水為閉式循環(huán)供水系統(tǒng)。真空泵為上海鶴見泵廠生產(chǎn)的200EVMA-07Y04210型真空泵。每臺(tái)機(jī)組配備兩臺(tái)真空泵，機(jī)組運(yùn)行時(shí)一臺(tái)真空泵運(yùn)行、一臺(tái)真空泵備用。設(shè)計(jì)在5.7 kPa、23.3℃抽空氣量75 m3/h，極限入口壓力為3.39 kPa。

可行性試驗(yàn)選擇在春季進(jìn)行，此時(shí)可調(diào)節(jié)工作液溫度。選擇300 MW工況，主再熱進(jìn)汽參數(shù)穩(wěn)定、循環(huán)水流量和溫度穩(wěn)定、盡量按熱力試驗(yàn)要求停止補(bǔ)水等操作，使得試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

真空泵極限入口壓力為3.39 kPa，對(duì)應(yīng)飽和溫度26.15℃，因此試驗(yàn)工作液溫度從26℃開始，通過(guò)減小工作液冷卻水量提高其溫度，每升高3℃后穩(wěn)定20 min，記錄一次參數(shù)。若工作液溫度過(guò)高，真空泵出力將急劇下降，所以最高試驗(yàn)溫度為36℃，記錄見表1。

表1 可行性試驗(yàn)參數(shù)記錄

圖2 工作液溫度和真空變化趨勢(shì)圖

從表1和圖2可知，隨著工作液溫度升高，機(jī)組真空同步下降，并呈現(xiàn)加速趨勢(shì)：當(dāng)工作液溫度從27℃升高到30℃，真空下降0.22 kPa；當(dāng)工作液溫度從30℃升高到33℃，真空下降0.39 kPa；當(dāng)工作液溫度從33℃升高到36℃，真空下降0.76 kPa。隨著工作液溫度升高，其抽吸能力將不斷下降，并最終失去有效工作能力。

該機(jī)組凝汽器、真空泵工作液冷卻水都是循環(huán)水，因其在夏季溫度過(guò)高，真空泵在接近汽蝕或汽蝕工況下運(yùn)行，不能徹底抽出凝汽器內(nèi)漏入空氣而降低了機(jī)組真空。為使真空泵具有良好工作性能，應(yīng)降低工作液溫度，及時(shí)抽出漏入的不凝結(jié)氣體。現(xiàn)場(chǎng)中降低工作液的方法有增加冷卻器面積、采用地下水冷卻、加裝制冷機(jī)等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和其它電廠經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可行的方案是加裝制冷機(jī)，夏季工況時(shí)，將工作液冷卻水切為制冷機(jī)提供。

2 系統(tǒng)改造方案

2.1 凝汽器真空泵制冷裝置的選擇計(jì)算

機(jī)組運(yùn)行中，凝汽器真空是汽輪機(jī)排汽凝結(jié)形成的，真空泵作用是抽出凝汽器中不凝結(jié)氣體，以保證凝汽器在循環(huán)水溫度下正常工作，所以真空泵入口壓力滿足：＜凝汽器正常背壓（對(duì)應(yīng)循環(huán)水流量和溫度等）-抽氣管道壓損。管道壓損取1 kPa足夠，在正常冷卻范圍內(nèi)，4℃溫差基本對(duì)應(yīng)1 kPa飽和壓力差，加上真空泵溫升2℃，取工作液溫度下降6℃進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算：

真空泵密封水參數(shù)：真空泵密封水總?cè)萘考s：20 T/h，如果按密封水每通過(guò)制冷裝置下降6℃計(jì)算：

需要的制冷量＝Q×ΔT×C p=20×1 000×6×4.186=502 320 kJ/h

因?yàn)? kJ＝2.78×10-4kWh。所以制冷量＝502 320×2.78×10-4＝140 kW。

選擇的制冷機(jī)組能效比取3，由以上計(jì)算，可以選擇50 kW（按耗電量）容量的制冷機(jī)組。

2.2 真空泵制冷裝置系統(tǒng)布置

制冷裝置選擇特靈空調(diào)系統(tǒng)公司生產(chǎn)的CGWP0505BKRCRA型水冷式冷水機(jī)組，名義制冷量為146.5 kW，冷凍水流量25 m3/h。制冷裝置的冷卻水為閉式水，冷凍水為真空泵工作液。每臺(tái)機(jī)組增設(shè)一套冷水機(jī)組，向兩臺(tái)真空泵分別提供冷凍水，通過(guò)管道切換實(shí)現(xiàn)向一臺(tái)真空泵制冷，備用真空泵仍采用循環(huán)水冷卻。制冷裝置在循環(huán)水溫度高于27℃時(shí)投入，低于26℃時(shí)切除，接入系統(tǒng)見圖3、4。

圖3 真空泵上增加壓縮制冷裝置系統(tǒng)

圖4 真空泵加裝制冷裝置

3 凝汽器真空泵制冷裝置改造效果試驗(yàn)

系統(tǒng)改造后，在夏季工況進(jìn)行了真空泵冷卻裝置投入/退出對(duì)比試驗(yàn)，裝置切換完畢后，停留足夠時(shí)間，待工作液溫度穩(wěn)定后再進(jìn)行記錄。

表2 制冷裝置投/切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

280MW負(fù)荷時(shí)制冷裝置投入、切除試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

機(jī)組真空變化值=91.68-91.16=0.52 kPa

350MW負(fù)荷時(shí)制冷裝置投入、切除試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：

機(jī)組真空變化值=90.43-90.06=0.37 kPa

4 真空泵加裝壓縮制冷系統(tǒng)項(xiàng)目評(píng)估

每臺(tái)機(jī)組一套水冷機(jī)組設(shè)備、安裝費(fèi)用共計(jì)28萬(wàn)元；夏季高溫季節(jié)按3個(gè)月，共投入2 000 h冷水機(jī)組，冷水機(jī)組功耗按50 kW計(jì)算；夏季機(jī)組按80%負(fù)荷率即280 MW工況計(jì)算；當(dāng)真空變化時(shí)，對(duì)機(jī)組功率影響如圖5所示。

圖5 機(jī)組排汽壓力對(duì)功率修正曲線

280 MW負(fù)荷制冷裝置投入、切除機(jī)組真空變化值在91.68～91.16 kPa之間，由圖4可知，機(jī)組功率約變化0.3%，即

280MW×0.3%=280×1000×0.3/100kW=840 kW

當(dāng)制冷裝置投入后，因機(jī)組真空提高，在不增加燃料等成本的情況下，凈增機(jī)組功率為：

840-50=790 kW

上述功率的增加未帶來(lái)其它成本的增加，屬于凈收益，按0.45元上網(wǎng)電價(jià)計(jì)算，每年凈收益為：

790×0.45×2 000=71.1萬(wàn)元

夏季投入制冷裝置后，僅一個(gè)多月時(shí)間就可收回28萬(wàn)元投資成本。

5 結(jié)論及建議

1）安全、操作可行性：制冷裝置串聯(lián)在密封水回路中，并設(shè)有旁路。在制冷裝置出現(xiàn)故障時(shí)可以切除制冷裝置，密封水走旁路，只是影響經(jīng)濟(jì)性，不影響設(shè)備的安全運(yùn)行。系統(tǒng)上只是增加六個(gè)閥門，且在正常情況下每年切換一次，所以對(duì)運(yùn)行操作量沒有影響。

2）指標(biāo)影響：現(xiàn)在國(guó)家對(duì)節(jié)能減排非常重視，提高機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)迫在眉睫。真空泵改造后，在夏季可以提高0.5 kPa真空和降低1.2 g/kWh煤耗，對(duì)于提高機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)是非常必要的。

3）綜上所述，本次改造在安全性、操作可行性、運(yùn)行指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性上是成功的，建議同類型冷卻機(jī)組可進(jìn)行此種改造。

[1]CHO2汽輪機(jī)說(shuō)明書，哈爾濱汽輪機(jī)廠[Z].