湯國琪

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 043000）

0 引言

山西臨汾熱電有限公司2×300 MW 亞臨界直接空冷供熱汽輪機(jī)組，每臺機(jī)組配備3 臺功率160 kW 的水環(huán)真空泵，一運兩備，用于維持汽輪機(jī)組真空。水環(huán)真空泵采用閉式水作為冷卻水，由于冷卻水溫高，造成水環(huán)真空泵工作水溫高，不僅使水環(huán)真空泵出力受限，無法維持機(jī)組高真空，對機(jī)組能耗產(chǎn)生較大影響[1]，而且易使水環(huán)真空泵發(fā)生氣蝕，噪聲增大，葉輪出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，增加了設(shè)備維護(hù)成本。此外，水環(huán)式真空泵運行時氣水分離器乏汽凝水存在外排溢流，增加了工質(zhì)損失。為了有效解決上述問題，經(jīng)研究與論證，山西臨汾熱電有限公司實施了高效抽真空節(jié)能系統(tǒng)改造與應(yīng)用。

1 高效抽真空節(jié)能技術(shù)

1.1 工作原理

高效抽真空節(jié)能系統(tǒng)采用蒸汽噴射器技術(shù)，吸氣側(cè)直接以機(jī)組最低背壓為設(shè)計點，考慮系統(tǒng)最大可能的漏空氣量，動力側(cè)以0.3 MPa 以上壓力的蒸汽作為動力源，通過動力噴嘴以超音速射流產(chǎn)生真空來抽吸空冷凝汽器里的不凝氣體，兩股氣體充分混合后，進(jìn)入冷凝器，水蒸氣冷凝成水，回收到排汽裝置熱井。蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，蒸汽噴射器D 側(cè)為動力蒸汽側(cè)，通過動力噴嘴以超音速射流，在抽吸端A 側(cè)產(chǎn)生高真空，與D 側(cè)的蒸汽混合后通過排出側(cè)E 排出。

圖1 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)

蒸汽噴射器動力蒸汽通過噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)換為動能，形成超音速射流，被抽流體由于與動力流體之間極強(qiáng)的剪切作用而被引入吸入室。射流邊界層的紊流擴(kuò)散作用使得兩股流體發(fā)生質(zhì)量、動量及能量交換，于是動力流體的速度不斷減少，而被抽介質(zhì)的速度不斷增大，并在混合段某一截面處漸趨一致，從而形成一股單一均勻的混合流體。在擴(kuò)散段中的動能轉(zhuǎn)化成壓力能，混合流體減速蒸壓至一定背壓后排出噴射器[2]。

1.2 技術(shù)特點

1.2.1 高真空

采用該技術(shù)可產(chǎn)生極高的真空，在低壓區(qū)出力相對較大，為真空泵的2～3 倍；根據(jù)機(jī)組最低背壓設(shè)計，可保證機(jī)組背壓不受真空泵性能的影響，處于最佳真空狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能、經(jīng)濟(jì)運行目的。

1.2.2 高可靠性

與目前采用的真空泵系統(tǒng)相比，蒸汽噴射器性能穩(wěn)定，工作特性與外界溫度無關(guān)，對于機(jī)組真空嚴(yán)密性的影響不敏感。

1.2.3 免維修

蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)簡單，無轉(zhuǎn)動部件，因此沒有機(jī)械磨損和其他機(jī)械問題的產(chǎn)生。

1.2.4 冷凝水回收

采用凝結(jié)水作為排氣的冷卻水，回收動力蒸汽熱能和被抽取乏汽的大量潛熱，冷凝水通過密封回路或者蒸汽疏水系統(tǒng)返回到汽輪機(jī)排汽裝置，既減輕了空冷島負(fù)擔(dān)，又回收了冷源損失的熱量。

1.2.5 操作簡單

高效抽真空系統(tǒng)啟動、調(diào)整、停運只需閥門操作，控制系統(tǒng)可接入到DCS 系統(tǒng)。

2 高效抽真空改造方案

2.1 改造思路

保留原有抽真空系統(tǒng)的3 臺真空泵及其連接管路，作為在機(jī)組啟動階段預(yù)抽系統(tǒng)真空和高效抽真空系統(tǒng)的備用設(shè)備；增設(shè)高效抽真空系統(tǒng)，采用蒸汽噴射器用于抽取汽輪機(jī)組真空；三級噴射器采用串聯(lián)關(guān)系，核心部件為進(jìn)口蒸汽噴射器，動力蒸汽通過動力噴嘴以超音速射流，產(chǎn)生真空來抽吸空冷島換熱管束內(nèi)的不凝氣體及乏汽。

2.2 改造方案

機(jī)組在原真空系統(tǒng)上加裝一套高效抽真空節(jié)能設(shè)備（改造圖略），動力汽源由機(jī)組輔汽提供，冷凝器的冷凝水回收至排汽裝置熱井，冷卻水使用凝結(jié)水。

2.2.1 高效抽真空裝置

新增高效抽真空裝置采用三級蒸汽噴射器（設(shè)備性能參數(shù)見表1） 串聯(lián)，每級分別設(shè)置蒸汽噴射器。第一級蒸汽噴射器對空冷島換熱管束內(nèi)不凝結(jié)氣體進(jìn)行抽吸；第二級蒸汽噴射器抽吸第一級冷凝器的不凝結(jié)氣體；第三級蒸汽噴射器抽吸第二級冷凝器的不凝結(jié)氣體，最后經(jīng)第三級冷凝器冷卻后將不凝結(jié)氣體排到大氣。

2.2.2 蒸汽冷凝器裝置

新增蒸汽冷凝器（設(shè)備性能參數(shù)見表2） 作為三級噴射器的冷卻裝置，蒸汽冷凝器由一級與二、三級2 臺冷凝器組成，其中二、三級冷凝器汽側(cè)通過中間隔板隔離，分為二級冷凝器與三級冷凝器，冷凝器冷卻水采用凝結(jié)水，產(chǎn)生的疏水經(jīng)U 形管水封及疏水器回收至排汽裝置熱井。

表1 蒸汽噴射器設(shè)備性能參數(shù)

表2 蒸汽冷凝器設(shè)備性能參數(shù)

2.2.3 動力蒸汽系統(tǒng)

新加動力蒸汽管道至蒸汽穩(wěn)壓裝置，動力蒸汽經(jīng)穩(wěn)壓后分別接引至三級噴射器動力側(cè)吸入口。

2.2.4 凝結(jié)水冷卻系統(tǒng)

新增加凝結(jié)水管道，冷卻水管路經(jīng)過蒸汽冷凝裝置，保證各級蒸汽噴射器的排汽充分冷卻。

2.3 實施方案

2.3.1 抽真空側(cè)

先在原真空泵抽真空管線母管上開孔，然后接出DN300 mm 抽真空管道，依次安裝手動閘閥和氣動蝶閥，并接到一級蒸汽噴射器的抽真空吸入口。

2.3.2 動力蒸汽側(cè)

從輔汽聯(lián)箱引出DN125 mm 蒸汽管道，依次安裝手動閘閥和氣動球閥，氣動球閥后接DN25 mm蒸汽疏水管路，蒸汽分別接入一、二、三級蒸汽噴射器的動力蒸汽口，一級蒸汽噴射器設(shè)動力蒸汽手動門。

2.3.3 冷凝器側(cè)

冷凝器氣側(cè)入口：一級蒸汽噴射器的排氣口通過DN250 mm 管道與一級冷凝器入口連接。二級蒸汽噴射器的排氣口通過DN150 mm 管道與二級冷凝器入口連接。三級蒸汽噴射器的排氣口通過DN80 mm 管道與三級冷凝器入口連接。

冷凝器氣側(cè)出口：一級冷凝器氣側(cè)出口用DN150 mm 管道與二級蒸汽噴射器抽真空口連接，二級冷凝器氣側(cè)出口用DN80 mm 管道與三級蒸汽噴射器抽真空口連接，三級冷凝器氣側(cè)出口經(jīng)DN80 mm 管道排入大氣。

冷凝器疏水側(cè)出口：一、二、三級冷凝器分別用DN50 mm 管道，經(jīng)兩個U 型水封和一個疏水閥，匯合后接入排汽裝置熱井。

冷凝器冷卻水采用凝結(jié)水，冷凝器進(jìn)口安裝一個DN350 mm 手動閘閥，出口安裝一個DN350 mm手動閘閥，凝結(jié)水旁路安裝一個DN350 mm 氣動閘閥。

3 高效抽真空節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 運行方式

在機(jī)組啟機(jī)階段，機(jī)組抽真空系統(tǒng)的3 臺水環(huán)真空泵全部啟動，預(yù)抽機(jī)組背壓到20 kPa 后，啟動高效抽真空系統(tǒng)運行，并停運全部水環(huán)真空泵。高效抽真空系統(tǒng)的投停，由DCS 控制動力蒸汽、疏水、抽真空氣動閥門開啟、關(guān)閉來實現(xiàn)，通過氣動閥門的開關(guān)來達(dá)到系統(tǒng)的投入和退出。當(dāng)空冷凝汽器的背壓＜20 kPa 時，投運一、二、三級蒸汽噴射器對空冷凝汽器的不凝氣進(jìn)行抽吸，抽吸的不可凝結(jié)氣體和相應(yīng)的水蒸氣進(jìn)入蒸汽冷凝器。當(dāng)空冷凝汽器的背壓＞20 kPa 時，不投運一級蒸汽噴射器，僅投運二、三級蒸汽噴射器，降低了動力蒸汽汽耗。高效抽真空故障停運時，聯(lián)鎖啟動備用水環(huán)真空泵。

3.2 運行效果

高效抽真空投運后，能夠維持機(jī)組高真空狀態(tài)，通過高效抽真空設(shè)備與真空泵分別單獨運行，經(jīng)對比試驗，采用高效抽真空設(shè)備可降低機(jī)組背壓0.6 kPa 左右，降低機(jī)組供電煤耗約0.72 g/（kW·h）。停運水環(huán)真空泵后，抽真空系統(tǒng)每小時節(jié)電約150 kW·h，回收乏汽余熱及工質(zhì)約1.5 t/h，降低了機(jī)組熱耗與補(bǔ)水量。原水環(huán)真空泵系統(tǒng)僅在系統(tǒng)投運時使用，長時間處于備用狀態(tài)，維護(hù)成本大幅降低；而蒸汽噴射器系統(tǒng)為靜設(shè)備，無需維護(hù)，每年可降低維護(hù)成本約10 萬元。蒸汽噴射器系統(tǒng)較原水環(huán)真空泵噪聲大幅降低，噪聲在85 dB以內(nèi)，噪聲低。

4 結(jié)束語

高效抽真空節(jié)能技術(shù)采用蒸汽作為動力源替代了傳統(tǒng)電動機(jī)驅(qū)動，純機(jī)械，沒有轉(zhuǎn)動設(shè)備，抽真空性能優(yōu)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，并可回收利用乏汽余熱及工質(zhì)，節(jié)能效果顯著，該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。