黃力森

(深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳518054)

?

調(diào)峰機組真空系統(tǒng)安全節(jié)能改造實踐

黃力森

(深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳518054)

摘要：針對某電廠燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組真空系統(tǒng)能耗較高的問題，分析其水環(huán)真空泵正常運行時電耗較高的原因及其解決辦法，提出利用羅茨真空泵與水環(huán)真空泵組成高效真空泵組作為機組正常運行時抽真空的設備，原有的水環(huán)真空泵僅用于啟動和故障時備用的方案。按照該方案改造后，系統(tǒng)中真空泵的耗電量大幅降低。

關鍵詞：真空系統(tǒng)；節(jié)能；水環(huán)真空泵；調(diào)峰機組；羅茨真空泵

當前，我國正在建設節(jié)能型國家，內(nèi)部挖潛和節(jié)能改造成為火電廠提升經(jīng)濟效益的重要手段。眾所周知，火電機組的真空度對于機組的總體效率有重要的影響，而真空系統(tǒng)自身的能耗也會影響機組的總體能耗水平。目前廣泛應用于火電廠的抽真空設備主要是射水抽氣器和水環(huán)真空泵。而水環(huán)真空泵普遍存在容易發(fā)生汽蝕和能耗較高的問題，因此，如何解決上述問題成為降低真空系統(tǒng)能耗的關鍵。

文獻[1]結合某電廠真空泵在凝汽器高真空運行情況下發(fā)生振動加劇、電流突變、葉片彎曲斷裂等現(xiàn)象，進行了汽蝕故障診斷、系統(tǒng)改造及效果分析，提出水環(huán)真空泵汽蝕診斷思路及預防建議。文獻[2]對射水抽氣器和水環(huán)真空泵兩種凝汽器抽氣方式性能進行了比較，結合某火電機組凝汽器抽氣系統(tǒng)由射水抽氣器更換為水環(huán)真空泵的節(jié)能改造工作，介紹了制定的改造方案，分析了節(jié)煤收益和節(jié)電收益，抽氣性能得到提高。文獻[3]分析了真空泵工作水溫的變化對吸氣量、凝汽器壓力、機組熱耗率及煤耗率的影響，提出了增加一路工業(yè)水作為冷卻水的改造措施，改造后機組經(jīng)濟效益有所提高。文獻[4]提出對真空泵加裝前置式大氣噴射器的改造措施，消除了某電廠真空泵運行過程中的噪聲等問題，對防止真空泵汽蝕有較好效果。

綜上所述，目前對真空泵系統(tǒng)的研究及改造主要集中在提高真空泵運行穩(wěn)定性，降低冷卻水溫等方面，而根據(jù)運行工況進行真空泵系統(tǒng)配置改造以提高機組經(jīng)濟性方面的研究尚屬空白。

1真空系統(tǒng)分析

1.1系統(tǒng)介紹

某電廠3臺3×395 MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組真空系統(tǒng)按照130 MW汽輪機標準配置凝汽器抽真空系統(tǒng)，每臺機組采用2臺水環(huán)真空泵，并配備相應的水環(huán)真空泵供補水以及冷卻水系統(tǒng)，機組正常運行時真空泵一臺運行一臺備用，以維持機組真空所需。

圖1為水環(huán)真空泵工作原理示意圖。水環(huán)真空泵的葉輪與泵體存在偏心，兩端由側蓋封住，側蓋端面上的吸氣口和排氣口分別與泵的入口與出口相通，當泵內(nèi)有適量工作液體時，由于葉輪旋轉，液體向四周甩出，在泵體內(nèi)部與葉輪之間形成一個旋轉液環(huán)，液環(huán)內(nèi)表面與輪轂表面及側蓋端面之間形成了月牙型的工作空腔，葉輪上的葉片又將空腔分成若干不相通、容積不等的封閉小室。在葉輪前半轉，月牙型空腔逐漸增大，氣體被吸入；在后半轉，月牙型空腔逐漸減小，氣體被壓縮，然后經(jīng)排氣口排出。

圖1　水環(huán)式真空泵工作原理示意

1.2存在問題

1.2.1選型偏大

由于國內(nèi)聯(lián)合循環(huán)機組啟停多，在真空系統(tǒng)設計選型時，主要以快速啟機的響應速度(30 min內(nèi)達到啟機要求真空值)和最大的允許漏氣量作為選型原則，因此真空泵配置的容量較大，其額定功率為110 kW，額定電流218 A。但是這種設計在機組正常運行維持系統(tǒng)真空時有較大富余量，真空泵長期處于低負載狀態(tài)下運行。

1.2.2水環(huán)真空泵性能、出力受制于工作水溫的變化

圖2為離心式真空泵的典型特性曲線。

圖2　離心式真空泵的典型特性曲線

由圖2可看出，在抽吸一定空氣量時，工作水溫愈高，吸入壓力愈高，真空就愈低，這是因為水溫高，部分水汽化，造成吸入口壓力高。而水環(huán)真空泵內(nèi)工作水，由于高速旋轉的機械摩擦會產(chǎn)生熱量，同時從凝汽器抽出的混合汽體也有一定溫度，這些熱量都會導致工作水溫升高，雖然這些水由閉式工業(yè)水冷卻，但在夏季氣溫較高時難免有達不到要求的情況，從而影響真空泵工作及凝汽器真空[5-6]。有研究表明，當工作水溫達到35 ℃以上，抽氣能力急劇下降80%及以上，這是夏天凝汽器真空降到-90 kPa及以下的主要原因。

1.2.3汽蝕現(xiàn)象

根據(jù)相關理論，當水環(huán)真空泵入口壓力低到泵內(nèi)水溫飽和值附近時，容易出現(xiàn)汽蝕工況，導致凝汽器真空受限，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等。水環(huán)真空泵設備的內(nèi)部機械性能(如裂紋問題)受汽蝕現(xiàn)象影響大，設備維護成本高，也影響設備的安全運行。

1.2.4能耗大

啟機時，為了快速(一般30 min)建立起真空，一般啟動2臺真空泵運行，凝汽器進汽后，真空的維持靠凝汽器內(nèi)蒸汽凝結成水時的容積差來實現(xiàn)，這時只保留1臺真空泵運行來抽出蒸汽中的不凝結氣體，維特凝汽器真空，為防止高真空時水環(huán)真空泵發(fā)生嚴重汽蝕，原系統(tǒng)水環(huán)真空泵前加裝有大氣噴射器，但這種方法不但會增加水環(huán)真空泵的運行電流，而且會導致凝汽器實際抽氣能力下降，因此凝汽器真空到一定值后，其真空與真空泵電流隨機組負荷變化不大(見表1)。由表1可知，真空泵電流并不會因真空建立后而變小，因此能耗只與真空泵功率有關。

表1水環(huán)真空泵系統(tǒng)改造前運行參數(shù)表

負荷/MW電流/A真空/kPa負荷/MW電流/A真空/kPa240180-95.8320181-95.8260182-95.7340183-94.3280183-95.7360182-95.0300182-95.6370184-94.7

2改造設想及系統(tǒng)分析

2.1系統(tǒng)設想

為了解決正常運行時能耗高和容易發(fā)生汽蝕的問題，考慮到啟動過程和正常運行時真空系統(tǒng)運行特性的不同，決定在原系統(tǒng)基礎上構建改造方案，增加一套高效小功率真空泵組，泵組由前置羅茨真空泵和后置水環(huán)泵組成，前置羅茨真空泵和后置水環(huán)泵的額定功率均為7.5 kW，額定電流15.4 A，整個泵組的總功率為15 A。系統(tǒng)啟動時采用原有2臺大功率水環(huán)真空泵，正常運行時切換到小功率真空泵組上。改造方案如圖3的虛線部分所示。

圖3　水環(huán)真空泵抽真空系統(tǒng)原理

2.2高效真空泵組工作原理

高效真空泵組由小功率的水環(huán)真空泵和防汽蝕的羅茨真空泵串聯(lián)組成，蒸汽和不凝結氣體進入羅茨真空泵，加壓后經(jīng)冷卻器冷凝進入下級水環(huán)真空泵，由于提高了水環(huán)真空泵的入口壓力，可保證水環(huán)真空泵高效穩(wěn)定運行，有效防止汽蝕的形成。

高效真空泵組中的水環(huán)真空泵，除了功率小、泵體小之外，其特性與普通水環(huán)真空泵一樣。羅茨真空泵是一種雙轉子的容積式真空泵[7]，其結構如圖4所示，工作原理如下：

a)2個葉輪之間以很小的間隙相向旋轉運動，葉輪將泵室分為小的空間。

b)葉輪位置為I和II時，進氣室空間增大。

c)葉輪位置III時，部分空間與進氣口隔開。

d)在位置IV，被隔離空間與更高壓強的出氣口相連，并由于進入更多氣體受到壓縮。

e)葉輪繼續(xù)旋轉，被壓縮的氣體通過出氣口法蘭排出。

圖4　羅茨真空泵工作原理簡圖

從圖4及其工作原理可知，羅茨真空泵在設計上相當于2個螺桿在轉動，其抗汽蝕能力強，做前置泵能有效保證其后水環(huán)真空泵的工作安全，保證系統(tǒng)利用較小的功率達到較高的真空度。

2.3運行維護及可靠性分析

系統(tǒng)改造后，其運行方式如下：

a)機組啟動時，按原運行方式將原有抽真空設備投入運行；

b)機組運行正常、真空穩(wěn)定情況下，切換到高效真空泵組運行時原有抽真空設備切除做備用；

c)機組真空系統(tǒng)發(fā)生嚴重泄漏，高效真空泵不能維持凝汽器真空時，由真空值觸發(fā)或手動啟動原有抽真空設備中一組投入運行，滿足真空要求；

d)高效真空泵組在檢修或設備故障時，原有抽真空設備投入運行，確保真空要求。

改造前2臺真空泵為一運一備方式，改造后機組正常運行時主要以高效真空泵組維持真空，實現(xiàn)一運兩備，設備之間有可靠的聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，因此，改造后系統(tǒng)備用可靠性加大了50%。此外，羅茨真空泵結構決定其具有耐高真空的能力，由它做前置泵，可有效保證后置水環(huán)真空泵入口壓力，克服了水環(huán)真空泵入口真空高時泵體水汽化引起機組真空波動大的缺點，因此，改造后機組真空系統(tǒng)的安全可靠性得到大幅提升。

3系統(tǒng)改造效果

3.1改造后的運行情況

表2為系統(tǒng)改造前后，在不同的機組負荷下穩(wěn)定運行時真空系統(tǒng)的運行電流及真空度情況。由表2可以看到，在相同的負荷下真空度基本一致，由于原真空泵電機功率大(110 kW)，高效真空泵組電機功率小(羅茨真空泵電機7.5 kW，水環(huán)泵電機7.5 kW)，因此改造前真空泵電流與改造后高效真空泵組電流相差極大。

表2水環(huán)真空泵系統(tǒng)改造前后運行參數(shù)

負荷/MW水環(huán)真空泵電流/A改造前改造后真空/kPa改造前改造后羅茨真空泵電流/A24018012.2-95.8-95.79.526018212.1-95.7-95.39.328018313.1-95.7-95.39.130018212.0-95.6-95.59.332018112.0-95.8-95.39.434018312.3-94.3-95.09.136018212.1-95.0-94.79.237018413.0-94.7-94.79.3

3.2經(jīng)濟性分析

系統(tǒng)改造的主要投入包括2個方面，一是增設高性能真空泵組，二是配套相應的管道和控制聯(lián)鎖邏輯等。改造后，機組正常運行時真空系統(tǒng)運行的電耗率明顯降低，因此，其經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在真空系統(tǒng)運行電耗的降低方面。

一般來說，三相電機輸入功率[8]

(1)

式中：U為線電壓；I為線電流；cosφ為功率因數(shù)。

改造前后線電壓和功率因數(shù)不變，因此真空系統(tǒng)電功率消耗僅與真空泵電流相關，系統(tǒng)節(jié)電率

(2)

式中：P1、I1為改造前的有功功率和電流，P2、I2為改造后的有功功率和電流；Ip為羅茨真空泵電流。

改造后年節(jié)約開支

Q=ΔP×c×t=(P1-P2)×c×t.

(3)

式中：c為機組上網(wǎng)電價；t為年運行時間。

因此，對于本例而言，上網(wǎng)電價為0.53元/kWh，年運行時間為5 000 h。計算得到系統(tǒng)的節(jié)電率為88%，年節(jié)約開支28.01萬元。由于此系統(tǒng)改造投資小，初投資在50萬元以內(nèi)，而系統(tǒng)維護費用低，因此系統(tǒng)改造后1～2年即可收回投資，改造效果十分明顯。

4結論

通過對某電廠3臺燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組凝汽器水環(huán)式抽真空系統(tǒng)的改造，用小功率羅茨真空泵與水環(huán)真空泵組成高效真空泵組，不僅可充分發(fā)揮兩種泵的優(yōu)點，還可以保證系統(tǒng)的抗汽蝕能力，以及保障系統(tǒng)的真空度，實現(xiàn)良好的節(jié)能效果。同時，高效真空泵組的系統(tǒng)投入少，維護簡單，運行穩(wěn)定性高，改造方案不僅適合于聯(lián)合循環(huán)機組，也適用于各火電廠機組的真空系統(tǒng)改造，具有良好的經(jīng)濟效益和推廣價值。

參考文獻：

[1] 張子敬，毛河玉. 電站水環(huán)式真空泵汽蝕診斷及對策研究[J]. 汽輪機技術，2013, 55(3):219-221.

ZHANG Zijing, MAO Heyu. Power Plant Water Ring Vacuum Pump Cavitation Diagnosis and Countermeasure Research[J]. Turbine Technology，2013, 55(3):219-221.

[2] 薛東發(fā)，王波，馬汀山，等. 300 MW火電機組凝汽器抽氣系統(tǒng)節(jié)能改造經(jīng)濟性分析[J]. 發(fā)電設備，2014, 28(1):40-42.

XUE Dongfa, WANG Bo, MA Tingshan, et al. Economic Analysis on Retrofit for Energy Conservation of Condenser Air Exhaust System in a 300 MW Thermal Power Unit[J]. Power Equipment，2014, 28(1):40-42.

[3] 張克凡, 黃景濤, 閆水河. 火電機組冷端系統(tǒng)運行經(jīng)濟性分析及優(yōu)化[J]. 華電技術，2013, 35(2):42-45.

ZHANG Kefan,HUANG Jingtao,YAN Shuihe. Analysis on Operation Economic Efficiency of Cold End System of Fossil Power Unit and Optimization[J]. Huadian Technology，2013, 35(2):42-45.

[4] 蔡玲. 水環(huán)真空泵前置大氣噴射器的改造[J]. 發(fā)電設備，2014, 28(4): 283-284.

CAI Ling. Retrofit on Front Air Ejector on Water Ring Vacuum Pumps[J]. Power Equipment，2014, 28(4):283-284.

[5] 白斌杰，馬玉霞. M701機組循環(huán)水泵運行方式優(yōu)化[J]. 廣東電力. 2013,26(7):66-69.

BAI Binjie, MA Yuxia. Optimization for Operation Way of Circulating Water Pump of M701 Unit[J]. Guangdong Electric Power，2013,26 (7):66-69.

[6] 霍鵬，李千軍，胡勇. 循環(huán)水泵高、低速運行時機組的經(jīng)濟性

比較. 廣東電力，2005, 18 (10): 44-46.

HUO Peng, LI Qianjun, HU Yong. Comparison of Economic Efficiency of Turbosets during High-speed and Low-speed Operation of Circulation Water Pumps[J]. Guangdong Electric Power，2005, 18 (10): 44-46.

[7] 劉新. 羅茨真空泵在化工生產(chǎn)中的應用[J]. 化學工程與裝備， 2009,28(4):78-81.

LIU Xin. Application of Lobed Element Pumps in Chemical Production [J]. Chemical Engineering & Equipment，2009,28(4):78-81.

[8] 張?zhí)v山.電工基礎[M].北京：中國電力出版社，2010.

黃力森(1966)，男，廣東深圳人。工程師，主要從事電站鍋爐、汽輪機、燃氣輪機運行及檢修方面研究。

(編輯闞杰)

Safety Energy-saving Reformation Practice of Vacuum System of

Peak-shaving Unit

HUANG Lisen

(Shenzhen Qianwan LNG Power Plant, Shenzhen, Guangdong 518054, China)

Abstract：In allusion to the problem of high energy consumption of the vacuum system of gas-steam combined cycle turbine in some power plant, this paper analyzes reasons for high power consumption of its water ring vacuum pump in normal running state and solutions, proposes to use Roots vacuum pump and water ring vacuum pump to combine a high efficient vacuum pump system which may be taken as an equipment for vacuumizing when the unit is in normal operation, and the original water ring vacuum pump is only used for backup at the time of startup and fault. Power consumption of the vacuum pump in the system reduces greatly after taking this reformation scheme.

Key words：vacuum system; energy-saving; water ring vacuum pump; peak-shaving unit; Roots vacuum pump

作者簡介：

中圖分類號：TB753

文獻標志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)01-0027-04

收稿日期：2015-08-12修回日期：2015-12-03

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.006