左進(jìn)峰

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

工業(yè)化應(yīng)用

氣冷羅茨真空機(jī)組在熱電廠的應(yīng)用

左進(jìn)峰

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，上海 200540)

熱電廠抽凝式汽輪機(jī)原配置的水環(huán)式真空泵存在選型偏大、效率較低等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)氣冷羅茨真空機(jī)組特點(diǎn)的分析，確定增加一臺(tái)氣冷羅茨真空機(jī)組與原水環(huán)式真空泵混合使用。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)使用原水環(huán)式真空泵，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)使用氣冷羅茨真空機(jī)組，不僅節(jié)約了大量電能，而且汽輪機(jī)凝汽器的真空也有一定程度的提升，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

氣冷羅茨真空機(jī)組 水環(huán)式真空泵 節(jié)能 熱電廠

中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部6號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱6號(hào)機(jī)組)為該部主力供熱發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為CC100-8.83/3.8/1.47，型式為單軸、雙缸、雙排汽、雙抽汽、反動(dòng)式、凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組配套兩臺(tái)水環(huán)式真空泵，型號(hào)為AT-1006，在正常情況下為一用一備方式運(yùn)行。真空泵的主要作用是將凝汽器內(nèi)的不凝結(jié)氣體、空氣混合氣體抽出，以維持凝汽器的高真空[1]。但原真空泵選型偏大，造成維持凝汽器真空的電能消耗較大，不利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的提高，也不能滿足國(guó)家提倡節(jié)能降耗的要求。另外，水環(huán)式真空泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件受汽蝕沖刷較大，容易發(fā)生損壞，檢修費(fèi)用較大。因此需對(duì)此進(jìn)行研究，并提出改進(jìn)的措施，達(dá)到降低真空泵能耗的目的，并盡可能進(jìn)一步提高凝汽器真空。

1 水環(huán)式真空泵基本情況

6號(hào)汽輪機(jī)裝備的2臺(tái)水環(huán)式真空泵原葉輪與泵體安裝時(shí)，兩者中心并不重疊，設(shè)置存在偏心[2]。在啟動(dòng)前向泵體內(nèi)注入一定量的二級(jí)除鹽水作為工作液，當(dāng)葉輪按照順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因離心力作用，葉輪帶動(dòng)工作液在泵體內(nèi)表面上形成一個(gè)與泵體形狀類似的等厚水環(huán)。水環(huán)內(nèi)表面的上部與葉輪的葉根處相切，下部略高于葉頂，在葉輪輪轂與水環(huán)之間形成了若干個(gè)大小不一的空腔。從上部開始按順時(shí)針方向觀察，空腔體積由小變大，下部達(dá)到最大后，逐漸變小。因此當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空腔體積不斷擴(kuò)大，壓強(qiáng)降低，則從吸入孔不斷吸入混合氣體，待轉(zhuǎn)過(guò)180°時(shí)，空腔體積不斷減小，壓強(qiáng)逐步提高，氣體通過(guò)排氣孔排除，實(shí)現(xiàn)了抽吸不凝結(jié)氣體和空氣的過(guò)程。

水環(huán)式真空泵主要參數(shù)見表1。

表1 水環(huán)式真空泵主要參數(shù)

2 水環(huán)式真空泵存在的主要問(wèn)題

2.1 選型過(guò)大，實(shí)際運(yùn)行處于不經(jīng)濟(jì)狀態(tài)

汽輪機(jī)凝汽器的設(shè)計(jì)目的是以純凝工況條件為依據(jù)，滿足汽輪機(jī)各種運(yùn)行工況，并能長(zhǎng)期、連續(xù)、安全運(yùn)行。而實(shí)際工況中，機(jī)組基本上沒有純凝工況，實(shí)際排入到凝汽器中的蒸汽遠(yuǎn)小于純凝工況。另外，水環(huán)式真空泵的選型要求是其運(yùn)行時(shí)能滿足汽輪機(jī)在各種負(fù)荷工況下，抽出凝汽器內(nèi)的空氣及不凝結(jié)氣體的需要，啟動(dòng)時(shí)，2臺(tái)真空泵并列運(yùn)行，并滿足啟動(dòng)時(shí)間的要求。因此，在凝汽器嚴(yán)密性能夠做到較好的情況下，正常運(yùn)行時(shí)，原真空泵明顯是選型過(guò)大，電耗較高，造成能源浪費(fèi)。

2.2 汽蝕對(duì)設(shè)備的影響

如果出現(xiàn)壓力低于其溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，水環(huán)式真空泵工作液形成的水環(huán)就會(huì)出現(xiàn)汽化，并形成汽泡。當(dāng)汽泡運(yùn)行至超過(guò)飽和壓力區(qū)域時(shí)，汽泡內(nèi)蒸汽將會(huì)凝結(jié)，汽泡破裂引起周圍水快速填充該區(qū)域。如果發(fā)生在葉輪表面附近，則對(duì)葉輪形成了沖擊，該沖擊頻率很高，且瞬間壓力達(dá)到30 MPa。葉輪受到高頻沖擊，薄弱處和沖擊頻次較多之處會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)甚至是凹坑，造成葉輪的損壞。雖然不銹鋼葉輪相比鑄鐵葉輪要有明顯的抗汽蝕性，但仍會(huì)有緩慢損傷，并造成真空泵效率下降，葉輪和真空泵的維修增加了檢修費(fèi)用。

2.3 效率較低

目前水環(huán)式真空效率較低，一般為30%左右，尚有較大的改善空間。

2.4 在夏季時(shí)極限真空較低

水環(huán)式真空泵受制于工作液溫度，在夏季工作液溫度較高時(shí)，其性能和出力會(huì)下降，從而影響凝汽器的真空，降低汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

盡管存在以上缺陷，但是水環(huán)式真空泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作時(shí)氣體壓縮是等溫過(guò)程，可以抽除可燃性氣體等優(yōu)點(diǎn)，并且其沒有排氣閥和摩擦表面，可以抽除可凝性氣體及汽水混合物，因此還是獲得到了較為廣泛的應(yīng)用。在汽輪發(fā)電機(jī)組中，它已經(jīng)取代了射水抽氣系統(tǒng)。但是在如今強(qiáng)調(diào)節(jié)能降耗，精細(xì)化管理的背景下，其效率、耗能較多的問(wèn)題也顯得比較突出，因此，效率更高的氣冷羅茨真空機(jī)組得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

3 氣冷羅茨真空機(jī)組的特點(diǎn)及應(yīng)用方案

3.1 氣冷羅茨真空機(jī)組簡(jiǎn)介

氣冷羅茨真空機(jī)組主要由氣冷羅茨泵、水環(huán)式真空泵、換熱器、氣體分離器、配套電動(dòng)機(jī)以及配套的管路、儀表設(shè)備組成。

該機(jī)組中水環(huán)式真空泵的功率比汽輪機(jī)原配套的水環(huán)式真空泵小很多，只有水環(huán)式真空泵功率的15%左右。

羅茨泵工作原理與羅茨風(fēng)機(jī)類似，如圖1所示。

(a)第一次吸氣 (b)第一次排氣

(c)第二次吸氣 (d)第二次排氣
圖1 羅茨泵的工作原理

運(yùn)行時(shí)羅茨泵吸氣口與凝汽器來(lái)管道相連，經(jīng)過(guò)兩個(gè)相互咬合的轉(zhuǎn)子一個(gè)圓周的轉(zhuǎn)動(dòng)，有4個(gè)體積為V的腔室內(nèi)的氣體排入到出口?？梢钥闯鰵怏w在泵內(nèi)部未被壓縮，但與排出口相通時(shí)，因排氣口處壓力較高，排氣口外氣體沖進(jìn)體積為V的腔室內(nèi)，氣體才被壓縮。壓縮是瞬間的，且不連續(xù)，氣體壓縮及泵內(nèi)摩擦產(chǎn)生的熱量如果無(wú)法帶走，則會(huì)造成羅茨泵溫度的升高。采用氣冷方式，帶走熱量的個(gè)體為氣冷羅茨泵，其工作原理如圖2所示。在羅茨泵的兩側(cè)設(shè)置冷氣返回口，向泵內(nèi)體積為V的腔室提供一定的冷氣，冷氣來(lái)自羅茨泵出口的換熱器末端經(jīng)冷卻的氣體。連續(xù)冷卻將使得氣冷羅茨泵可以在任意壓力下啟動(dòng)，一般當(dāng)羅茨泵處于中間級(jí)或者第一級(jí)時(shí)需要配備氣冷結(jié)構(gòu)。

(a)左側(cè)轉(zhuǎn)子與汽缸間的空腔內(nèi)進(jìn)入冷氣

(b)左側(cè)轉(zhuǎn)子與汽缸間的空腔即將排氣

(c)左側(cè)轉(zhuǎn)子與汽缸形成空腔內(nèi)氣體排出、冷卻

3.2 氣冷羅茨真空機(jī)組的特點(diǎn)

由于有較高的加工與安裝精度，氣冷羅茨泵的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵殼之間并不接觸，只有很小的間隙。轉(zhuǎn)子之間不需使用潤(rùn)滑，從而摩擦損失小，降低了驅(qū)動(dòng)功率，可在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。因此氣冷羅茨泵具有運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用低、抽速大、效率高等特點(diǎn)，并且對(duì)被抽氣體中的灰塵和水蒸汽不敏感，特別是配置氣冷后，可以在任意壓力下啟動(dòng)，并能夠在進(jìn)口建立高度真空。

氣冷羅茨真空機(jī)組中采用氣冷羅茨泵后面再串聯(lián)一臺(tái)小型液環(huán)真空泵的配置，經(jīng)過(guò)羅茨泵第一步壓縮后，使液環(huán)真空泵吸入口壓力增加。這樣可以充分發(fā)揮兩臺(tái)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，因此氣冷羅茨真空機(jī)組有如下特點(diǎn)：

(1)機(jī)組電能消耗很低，節(jié)能效果明顯。與選用單獨(dú)的氣冷羅茨泵或單獨(dú)水環(huán)式真空泵相比，采用氣冷羅茨真空機(jī)組均能大大降低電能的消耗，機(jī)組與單獨(dú)水環(huán)式真空泵耗能比約為1∶5。

(2)氣冷羅茨真空機(jī)組可以在高壓差下工作，用于凝汽器時(shí)可以建立更高的真空[3]。串聯(lián)水環(huán)式真空泵可以降低氣冷羅茨泵的前后壓差，而水冷式真空泵有較高的排氣壓力，因此機(jī)組可以在高壓差下工作。

(3)氣冷羅茨真空機(jī)組可以減少水環(huán)式真空泵的汽蝕。氣冷羅茨泵的換熱器對(duì)進(jìn)入水環(huán)式真空泵的氣體預(yù)冷卻，減少進(jìn)入水環(huán)式真空泵的熱量，降低水環(huán)式真空泵工作液的溫度，因此可以減少水環(huán)式真空泵的汽蝕，并且抽氣量也有了保證。

3.3 氣冷羅茨真空機(jī)組的應(yīng)用方案

6號(hào)機(jī)組原真空泵單機(jī)出力是120 kg/h(夏季最大)，可維持機(jī)組正常運(yùn)行。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)某廠2BW9型高效氣冷羅茨真空泵機(jī)組的單機(jī)出力是360 m3/h(相當(dāng)于465 kg/h)，可以滿足凝汽器抽汽的需要。針對(duì)氣冷羅茨真空機(jī)組的特點(diǎn)，并結(jié)合相似汽輪機(jī)組真空泵的配置情況，確定6號(hào)機(jī)組采用增加1套2BW9型高效氣冷羅茨真空泵機(jī)組，同時(shí)保留原水環(huán)式真空泵的方案。

(1)不改變?cè)兴h(huán)式真空泵等抽氣設(shè)備及系統(tǒng)的功能和作用。

(2)增加1套2BW9高效氣冷羅茨真空泵機(jī)組，與原兩臺(tái)水環(huán)式真空泵并聯(lián)使用，布置在兩臺(tái)水環(huán)式真空泵一側(cè)，進(jìn)口管道由原水環(huán)式真空泵入口管道接入，具體如圖3所示。

圖3 氣冷羅茨真空機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

(3)汽輪機(jī)組在啟動(dòng)拉真空時(shí)使用兩臺(tái)原水環(huán)式真空泵，當(dāng)凝汽器真空達(dá)到穩(wěn)定并能維持真空狀態(tài)后，啟動(dòng)2BW9氣冷羅茨真空機(jī)組，停原水環(huán)式真空泵，并保持聯(lián)備狀態(tài)。

(4)當(dāng)汽輪機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)凝汽器真空快速下降或者氣冷羅茨真空機(jī)組無(wú)法維持凝汽器真空時(shí)，緊急啟動(dòng)一臺(tái)原水環(huán)式真空泵。

2BW9氣冷羅茨真空機(jī)組主要參數(shù)見表2。

表2 氣冷羅茨真空機(jī)組主要參數(shù)

4 氣冷羅茨真空機(jī)組的應(yīng)用效果及節(jié)能分析

氣冷羅茨真空機(jī)組安裝完成后，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)試，正常投入運(yùn)行，原來(lái)2臺(tái)真空泵停機(jī)做備用。投運(yùn)后氣冷羅茨真空機(jī)組運(yùn)行十分穩(wěn)定，能夠保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。凝汽器真空在同工況時(shí)相比原兩臺(tái)水環(huán)式真空泵的平均值提高0.1 kPa。同時(shí)，因兩臺(tái)真空泵備用，能減少其修理費(fèi)用，而且氣冷羅茨真空機(jī)組自身的水環(huán)式真空泵也會(huì)因?yàn)闇p少汽蝕而減少修理費(fèi)用。

氣冷羅茨真空機(jī)組投用后在相同運(yùn)行工況下運(yùn)行電流下降194.4 A，改造后3個(gè)月的節(jié)能情況如表3所示。

表3 改造后3個(gè)月的節(jié)能情況

由表3可以看出：氣冷羅茨真空機(jī)組在6號(hào)機(jī)組的改造產(chǎn)生了十分良好的效益，不到一年即可收回成本，如果再考慮凝汽器真空提升和節(jié)省的檢修費(fèi)用，改造的節(jié)能效果更好。

5 結(jié)語(yǔ)

氣冷羅茨真空機(jī)組在汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)投用，汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)使用原水環(huán)式真空泵拉真空，這一混合使用方式能夠很好的保證汽輪機(jī)安全運(yùn)行，大量節(jié)約電能，降低了廠用電率，有很好的經(jīng)濟(jì)效益。在一定程度上還能提升凝汽器真空，提高了汽輪機(jī)整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)熱電廠的抽凝式汽輪機(jī)有推廣價(jià)值。

[1] 韓麗娜，李紹剛，王剛.凝汽器抽真空系統(tǒng)的節(jié)能改造[J].華電技術(shù)，2016(5)：70-72.

[2] 羅勤儉,趙燕凱.新型羅茨真空泵在萊州電廠的應(yīng)用[J].技術(shù)應(yīng)用，2017(2)：291-292,294.

[3] 宋哲.羅茨-水環(huán)真空泵組在電廠節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].電力安全，2015(12)：51-52.

Application of Air-cooled Roots Vacuum Unit in Thermal Power Plant

Zuo Jinfeng

(ThermalPowerDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The water-ring vacuum pump originally configured with the extraction condensing steam turbine in the thermal power plant has advantages of large size and low efficiency.Based on analysis of the characteristics of the air-cooled Roots vacuum unit,it is determined to add an air-cooled Roots vacuum unit to use cooperatively with the original water-ring vacuum pump.The original water-ring vacuum pump is used at the starting period of unit,and the air-cooled Roots vacuum unit is used in normal operation of the unit,which not only saved a lot of power,but also increased the vacuum degree of condenser of steam turbine,and achieved good economic benefits.

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2017-04-06。

左進(jìn)峰，男，1977年出生，2000年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，主要從事熱電生產(chǎn)管理工作。

1674-1099 (2017)03-0030-05

TM621.9

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