林萬安，宋瀾波，張 衛(wèi)，付岳峰，鄧永康

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司能源總廠，湖南婁底 417009）

1 凝汽器真空問題概述

凝汽器真空系統(tǒng)對于電廠運(yùn)行非常重要，直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。水環(huán)真空泵是建立和維持汽輪機(jī)機(jī)組的低背壓和凝汽器真空的成套裝置，正常運(yùn)行時，真空泵為一用一備，不斷地抽出由不同途徑漏入汽輪機(jī)及凝汽器的不凝結(jié)氣體。凝汽器配套選用水環(huán)式真空泵的大小，是根據(jù)凝汽器干空氣泄漏量的大小來確定。如果不及時將凝汽器中泄漏的干空氣及時抽出來，汽輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性很難保證。相關(guān)研究表明，凝汽器真空每提高1 kPa，機(jī)組帶負(fù)荷能力提高約1%，改善真空可達(dá)到降耗節(jié)能的目的[2]。

華菱漣鋼能源總廠擁有多套煤氣鍋爐-汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，凝汽器均配套采用水環(huán)式真空泵，工作原理如圖1 所示，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)工作液溫度直接影響機(jī)組的真空。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的能力問題，真空泵工作液長期處于較高的運(yùn)行溫度（≥35 ℃），夏季尤為明顯。真空泵能抽吸到的極限真空為工作液溫度對應(yīng)的飽和壓力，當(dāng)工作液溫度達(dá)40 ℃時，對應(yīng)的飽和壓力為7.4 kPa，此時可建立的極限真空達(dá)到8 kPa 以上，再提高抽吸能力也無法突破這個極限值。如果可以將工作液溫度穩(wěn)定到20 ℃以下，對應(yīng)飽和壓力為2.4 kPa，對應(yīng)可建立的極限真空可以達(dá)到3.3 kPa 以內(nèi)，則真空度存在提升空間[3,4]。

圖1 水環(huán)式真空泵工作示意圖

綜上所述，真空泵工作液溫度對其抽吸能力有直接影響，而真空泵的抽吸能力則直接影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。因此，本文針對真空泵工作液溫度對真空和汽機(jī)負(fù)荷的影響展開研究，以指導(dǎo)進(jìn)行全廠真空泵工作液冷卻系統(tǒng)的下一步改造[5,6]。

2 可行性試驗(yàn)

能源總廠現(xiàn)有3 套M251S 型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（CCPP）發(fā)電機(jī)組，總機(jī)組容量為50 MW，其中，余熱鍋爐機(jī)組采用凝汽器式汽輪機(jī)組，汽機(jī)發(fā)電負(fù)荷為22 MW，采用冷卻塔工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。汽輪機(jī)凝汽器配備2臺肯富來水環(huán)式真空泵（一用一備），型號為2BW4 203-0MY4，工作液（脫鹽水）流量為10 m3/h，補(bǔ)充工作液流量為0.5 m3/h，冷卻水流量為16 m3/h，吸入壓力為88～1013 kPa，排出壓力為1015 kPa，抽汽量1128 m3/h，抽速為7.5～18.8 m3/min。進(jìn)氣溫度20 ℃，進(jìn)水溫度15 ℃，設(shè)計極限壓力為3.3 kPa。

為了驗(yàn)證真空泵工作液溫度對汽機(jī)真空和負(fù)荷的影響，在CCPP 機(jī)組上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，本試驗(yàn)是在保持燃機(jī)負(fù)荷基本不變的情況下，控制真空泵冷卻水流量，調(diào)節(jié)真空泵工作液溫度，觀察真空及機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢。如圖2 所示，隨著冷卻水流量減少，燃機(jī)負(fù)荷基本維持在25 MW 左右，工作液溫度從29.2 ℃升高至39.7 ℃，此時，真空從-92.8 kPa 降到了-91.7 kPa，真空下降1.1 kPa。隨著冷卻水的復(fù)投，工作液溫度從39.7 ℃逐漸回降到29.5 ℃，真空上升到-92.7 kPa，上升1.1 kPa。

圖2 汽輪機(jī)負(fù)荷和真空隨溫度的變化趨勢

如圖3所示，隨著真空泵工作液溫度的上升，汽輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷逐漸下降，工作液溫度從29.2 ℃升高至39.7 ℃，對應(yīng)的負(fù)荷從20.28 MW 下降到19.82 MW，負(fù)荷下降約460 kW。重新投入冷卻水后，工作液溫度恢復(fù)至29.5 ℃，此時負(fù)荷從20.05 MW 上升至20.385 MW，負(fù)荷增加約335 kW。由此可見，降低真空泵工作液運(yùn)行溫度能夠顯著提高凝汽器的真空度和汽輪機(jī)的發(fā)電效率。

圖3 汽輪機(jī)負(fù)荷隨工作液溫度的變化趨勢

3 系統(tǒng)改造方案

能源總廠發(fā)電二車間的CCPP 聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組利用溴化鋰制冷機(jī)組對燃機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，以提高夏季高溫條件下燃機(jī)的帶負(fù)荷能力。利用這個條件，總廠通過對真空泵冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，從溴化鋰制冷機(jī)的冷凍液管接出一個旁路連入原真空泵板式換熱器上的循環(huán)冷卻水管上，如圖4所示。溴化鋰制冷機(jī)組可穩(wěn)定提供8 ℃至12 ℃的冷凍水，由于管道存在熱損，實(shí)際到達(dá)燃機(jī)的冷凍液溫度維持在15 ℃左右。

圖4 真空泵冷卻系統(tǒng)改造示意圖

4 改造效果

項(xiàng)目改造完成后，技術(shù)設(shè)備科組織車間進(jìn)行了工作液冷卻試驗(yàn)，觀察工作液溫度對汽輪機(jī)真空和負(fù)荷的影響。在維持燃機(jī)負(fù)荷一定的情況下，通過控制冷凍水流量調(diào)整工作液溫度，在每個溫度點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，記錄發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各參數(shù)的變化趨勢

如圖5 所示，試驗(yàn)第一階段隨著冷凍水流量減小，工作液溫度逐漸升高，從22.2 ℃上升至40.8 ℃，此時汽輪機(jī)的真空逐漸降低，從-93.7 kPa下降到-89.5 kPa，真空度降低達(dá)4.2 kPa。試驗(yàn)第二階段，逐漸增加冷凍水流量，工作液溫度逐漸降低，從40.8 ℃下降到20.9 ℃，真空從-89.5 kPa 恢復(fù)到-93.6 kPa，真空提高達(dá)4.1 kPa。

圖5 汽機(jī)真空隨工作液溫度的變化趨勢

如圖6 所示，試驗(yàn)期間除了因煤氣熱值波動導(dǎo)致燃機(jī)負(fù)荷波動的少數(shù)情況外，其他大部分時間燃機(jī)負(fù)荷基本維持在26.05 MW 左右。因此，余熱鍋爐的蒸汽量大部分時間也基本維持穩(wěn)定，主蒸汽平均流量為78.4 t/h，補(bǔ)汽平均流量為4.3 t/h，因此汽輪機(jī)負(fù)荷受燃機(jī)和余熱鍋爐的影響較小，對后面的分析不會造成太顯著的影響。

圖6 燃機(jī)和余熱鍋爐的運(yùn)行參數(shù)變化趨勢

如圖7 所示，在保持燃機(jī)和余熱鍋爐運(yùn)行較為穩(wěn)定的前提下，真空泵工作液溫度的變化對汽輪機(jī)的發(fā)電效率造成了一定的影響，汽機(jī)所帶負(fù)荷呈現(xiàn)出一定的變化。工作液升溫期間，溫度從22.2 ℃上升至40.8 ℃，汽機(jī)負(fù)荷則從21.88 MW 下降到20.6 MW，負(fù)荷下降1280 kWh。當(dāng)工作液溫度從40.8 ℃下降到20.9 ℃時，汽機(jī)發(fā)電負(fù)荷從20.6 MW 上升到22.05 MW，負(fù)荷增加1450 kWh。此時，負(fù)荷變化基本與1 kPa 真空影響汽機(jī)效率1%的理論對應(yīng)一致。

另外，13 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，真空提高汽機(jī)負(fù)荷降低是由于燃?xì)廨啓C(jī)受煤氣熱值波動導(dǎo)致其負(fù)荷有所降低，余熱鍋爐的蒸汽流量也有2 t/h 的波動，從而導(dǎo)致汽機(jī)負(fù)荷明顯下降。

圖7 汽輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷隨工作液溫度的變化趨勢

為了進(jìn)一步確認(rèn)實(shí)際運(yùn)行過程中，真空泵工作液溫度對汽輪機(jī)真空以及發(fā)電負(fù)荷的影響，利用溴化鋰制冷機(jī)組檢修時間補(bǔ)充了一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。只投入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻，燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)負(fù)荷均會增加，汽輪機(jī)真空會有略微下降。在燃?xì)廨啓C(jī)投入進(jìn)氣冷卻后，進(jìn)行真空泵工作液冷卻系統(tǒng)的切換，工作液溫度分別有10 ℃和14.3 ℃的變化，此時燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷受到的影響較小，汽輪機(jī)真空分別有3.3 kPa 和2 kPa 的增長，汽輪機(jī)負(fù)荷分別增加了600 kWh和560 kWh。

表2 制冷系統(tǒng)投退對汽機(jī)運(yùn)行的影響

5 結(jié)論

降低真空泵工作液溫度可增加真空泵的抽吸能力，提高汽輪機(jī)的真空，而真空的提升則顯著提高機(jī)組的發(fā)電效率。試驗(yàn)當(dāng)天，其他條件保持不變的情況下，制冷系統(tǒng)和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的倒換影響真空2 kPa 左右，影響汽機(jī)負(fù)荷500 kWh。夏季高溫季節(jié)，工作液和循環(huán)冷卻水溫度將會更高，制冷系統(tǒng)的投入對真空的提升將會更加明顯。因此，可以利用制冷裝置優(yōu)化改造真空泵冷卻系統(tǒng)，降低真空泵運(yùn)行時的工作液溫度，提高機(jī)組的發(fā)電效率。