沙角A電廠 吳奔

1 引言

現(xiàn)階段國家經(jīng)濟發(fā)展與電力體制改革對發(fā)電廠的運營能力提出較高要求，且我國電力系統(tǒng)的運行效率存在較大的提高空間。本文分別探討了改造原因、改造方法研究與改造結(jié)果三個部分，判斷真空系統(tǒng)節(jié)能改造方案的可行性，驗證結(jié)果為可以提升發(fā)電廠用電系統(tǒng)的運行效率。

2 改造原因

溫室效應(yīng)及一次能源的日趨缺乏和價格居高不下，給火電廠的經(jīng)營造成了很大的挑戰(zhàn)，經(jīng)營者需要挖掘潛力、降低成本、增強競爭力。真空泵節(jié)能改造的主要目的：一方面使真空泵的能耗水平降低；另一方面，改善真空泵的工作狀況，提高真空泵的性能，能夠快速及時地將漏入真空系統(tǒng)的空氣抽出，減少傳熱阻力，以達(dá)到提高凝汽器真空的目的，從而達(dá)到降低機組煤耗的最終追求。

沙角A 電廠二期#5 機組是上海汽輪機廠生產(chǎn)的，型號為N330-16.7／538／538，型式為亞臨界、中間再熱、單軸雙缸、兩排汽、高中壓合缸、凝汽式、給水泵汽輪機排汽到主機冷凝器。額定工況0.0064MPa，冷卻水溫額定25℃，最大值為35℃。

汽輪機凝汽器真空具有經(jīng)濟性、安全性。汽輪機正常運轉(zhuǎn)過程中，排汽壓力的變化對汽輪機的經(jīng)濟性、安全性存在很大影響，可以提高凝汽器真空，可以減少汽輪機的汽耗來得到較高的經(jīng)濟性。凝汽器真空越高，排汽壓力越低，蒸汽中的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能效率越高，被循環(huán)水帶走的熱量損失越小，凝汽器壓力降低1000Pa，將大約提高汽輪機額定負(fù)荷的2%。但是凝汽器真空并非越高越好，真空越高，循環(huán)水泵需要使用的能量越多，汽輪機末級葉片濕度越大，軸向推力增加。若凝汽器的真空劣化，排汽壓力異常升高，蒸汽中的熱能被循環(huán)水帶走的熱量就越多，熱能損失率越大，在相同的蒸汽流量下，相同的初始參數(shù)，不能帶到額定負(fù)荷值。如要保證額定負(fù)荷必須增加蒸汽流量，汽輪機葉片存在過負(fù)荷危險，軸向推力增大，因此機組在正常運行過程中需要盡量將真空維持在合理的范圍內(nèi)，以獲得較好的經(jīng)濟性。

沙角A電廠#5機組凝汽器真空在建立和維護的過程中，汽輪機運行時會排汽排入凝汽器，因為排汽壓力較低、容積較大，排汽受到連續(xù)通過鈦管的循環(huán)水冷卻凝結(jié)成水，其體積會大幅縮小，由蒸汽充滿的容積空間內(nèi)會形成高度真空。在循環(huán)水不斷水的情況下，凝汽器真空將會維持在一定范圍內(nèi)，但機組在正常運行中，汽輪機排汽中長期摻雜些許未被凝結(jié)的氣體，在高度真空狀態(tài)下的凝汽器及相關(guān)系統(tǒng)也無法做到完全密封，部分空氣會通過不夠密封的部位漏進真空系統(tǒng)內(nèi)。改造前機組的抽真空系統(tǒng)分別配有兩臺水環(huán)真空泵，運行方式是一臺運行一臺備用。真空泵型號為2BW4350-0EK4，配用電機型號為Y355L-10 水封真空泵連續(xù)運行，不斷地將凝汽器中的不凝結(jié)氣體抽出，以維持凝汽器內(nèi)部真空。

經(jīng)長期運行發(fā)現(xiàn)原有的兩臺離心式水環(huán)真空泵在運行中存在若干問題是真空泵的設(shè)計選型功率較大、真空泵的效率低，存在抽氣能力降低和汽化汽蝕等現(xiàn)象。經(jīng)多方討論和理論研究得出結(jié)論，從真空系統(tǒng)的設(shè)備保養(yǎng)與維護、機組經(jīng)濟性的上升、廠用電率的進一步降低、度電煤耗的下降、企業(yè)的經(jīng)濟收入提高等多方面考慮，對電廠的本身設(shè)計使用的真空泵進行技術(shù)改造升級十分必要。

3 改造方法

抽真空設(shè)備真空泵在設(shè)計選型時，往往只考慮快速啟機的響應(yīng)速度和最大的允許漏氣量作為選型原則，導(dǎo)致真空泵的功率較大，水環(huán)式真空泵的效率相對較低（30%～45%），而且出力受制于工作水溫度的變化，不可避免地存在抽氣能力降低和汽化汽蝕現(xiàn)象。在原有兩臺真空泵組的基礎(chǔ)上接入一臺小功率的羅茨-水環(huán)真空泵（型號為BK1-1200），改造后具備如下優(yōu)點：一是新泵效率高，功耗低；二是新泵工作性能不因工作水溫度升高而下降；三是配套的新水環(huán)泵不會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子損壞的風(fēng)險低；四是新泵極限真空比常規(guī)水環(huán)泵高；五是多配置一臺小功率真空泵，在機組正常運行、真空穩(wěn)定情況下，將羅茨真空泵投入運行，大功率離心真空泵在停運聯(lián)鎖備用狀態(tài)，當(dāng)真空系統(tǒng)存在泄漏，羅茨真空泵維持不到凝汽器系統(tǒng)真空的情況下，聯(lián)動離心式真空泵。當(dāng)羅茨式真空泵跳閘時聯(lián)鎖啟動離心式真空泵，在配置一臺羅茨式真空泵運行時，增加了一臺離心式真空泵聯(lián)鎖備用，真空系統(tǒng)的安全可靠性比原設(shè)計布局的系統(tǒng)可靠性更高[1]。

本廠使用的真空泵運行電流為200A，配置160kW 電機，正常運行功耗為116kW，若選用總功率為52kW 的真空泵組，以年運行8000h 計算，每年可以節(jié)約電量35 萬kWh。新泵極限真空比常規(guī)水環(huán)泵高，在夏季與常規(guī)水環(huán)真空泵相比，在相同的工作水溫度下真空值高0.5kPa 左右，節(jié)省標(biāo)煤耗1g/kWh，經(jīng)濟效益顯著。

4 處理效果

研究人員首先列出改造前水環(huán)泵投運時的情況，A、B 水環(huán)真空泵運行方式為一臺運行、一臺備用。#5機B 真空泵因電機軸承燒毀更換備用舊電機，該電機電流過大。改造前水環(huán)泵投運時各負(fù)荷下的參數(shù)見表1。加裝羅茨-水環(huán)真空泵組后各負(fù)荷下運行功率變化見表2。

表1 改造前水環(huán)泵投運時各負(fù)荷下的參數(shù)

表2 加裝羅茨-水環(huán)真空泵組后各負(fù)荷下運行功率變化

羅茨真空泵組第一次并入系統(tǒng)前，運行方式為B 離心式水環(huán)泵運行、A 泵備用。以B 泵作為參照對象進行對比，可得出離心式水環(huán)泵運行時，凝汽器抽氣設(shè)備運行時功率的變化見表3。再以機組負(fù)荷300MW 計算，羅茨真空泵改造后，原離心式水環(huán)泵備用，凝汽器抽氣設(shè)備用電率下降70.8%，機組廠用電率下降0.031%。（#5 機組廠用電率約為6.28%）對比離心式水環(huán)泵和羅茨真空泵組單獨運行時機組的參數(shù)見表4。

表3 凝汽器抽氣設(shè)備運行時功率的變化

表4 離心式水環(huán)泵和羅茨真空泵組單獨運行時機組的參數(shù)

由4 表可以看出，兩種抽氣設(shè)備單獨運時機組參數(shù)變化不大，煤耗基本無變化[2]。羅茨真空泵在運行參數(shù)達(dá)到了設(shè)計要求。

#5 機加裝羅茨-水環(huán)真空泵后，在不增加煤耗的基礎(chǔ)上，按機組負(fù)荷300MW 計算，凝汽器抽氣設(shè)備用電率下降70.8%，廠用電率下降0.031%（#5機平均廠用電率6.28%），節(jié)能效果顯著。

5 經(jīng)濟效益及社會效益

改造前設(shè)定的節(jié)能目標(biāo)為機組真空不變，節(jié)電率≥70%，真空泵組的總功率≤55kW。改造后節(jié)電經(jīng)濟性分析是某廠330MW單臺機組所使用的真空泵正常工況下運行時的平均電流約為250A，設(shè)備改造后的運行平均電流降至70A 以下，每年可以節(jié)省電量約47.7萬kWh。機組低負(fù)荷時原有大泵電機為定速電機，電流變化不大，但新加裝羅茨泵電機為變頻電機，其低負(fù)荷最低電流較滿負(fù)荷最大電流低約20%，此時節(jié)電效果更加明顯。改造前后機組滿負(fù)荷運行時經(jīng)濟性對比見表5。改造后真空泵系統(tǒng)如圖1所示。

表5 改造前后機組滿負(fù)荷運行時經(jīng)濟性對比

圖1 改造后真空泵系統(tǒng)

項目總投資在60 萬元左右，投資回收期不到3 年。全廠全年節(jié)省煤量為179t，可以減少CO2排放380t。實現(xiàn)真空泵終身免維護，減少大量的備件采購費用和檢修工作量。

改造后，因機組按原設(shè)計使用的真空泵只需要在機組啟動過程中建立系統(tǒng)真空時使用，按現(xiàn)在機組年均啟動6 次、啟動過程10h 計算，全年總的運行時間約為60h，按30 年的使用壽命計算運行時間在1800h左右（總計75d），原設(shè)計使用的真空泵在機組正常運行中處于備用狀態(tài)，不需要啟動運行，所以不存在發(fā)生汽蝕的情況，也降低了設(shè)備損壞的缺陷發(fā)生，而且因為增加羅茨-水環(huán)真空泵后，原設(shè)計使用的2 臺真空泵均在聯(lián)鎖備用狀態(tài)，顯著提高了真空系統(tǒng)在機組運行過程中的可靠性。在改造后，原設(shè)計使用的真空泵在設(shè)計壽命時間內(nèi)幾乎不需要解體檢修，并減少大量維護工時，實現(xiàn)少維護或免維護的改造目的，從而節(jié)省大量的檢修費用支出和檢修工作量，既降低了檢修工作帶來的各類安全風(fēng)險隱患，備品配件費用減少[3]。

機組原設(shè)計使用的2 臺真空泵常規(guī)檢修間隔為每4 年周期進行一次，檢修期間的費用約為2 萬元，真空泵轉(zhuǎn)子每15 年需要更換一次，轉(zhuǎn)子費用約為15 萬元，則30 年內(nèi)2 臺真空泵總節(jié)省費用為75萬元，產(chǎn)生的社會效益為每臺機組每年節(jié)省電量477000kWh（按5000運行小時計算），相當(dāng)于節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤179t，減少CO2排放量380t。

項目總體評估，改造后在設(shè)備的設(shè)計使用壽命20 年內(nèi)總增加經(jīng)濟效益21.94×20=438.8 萬元，加上節(jié)省的維護費用75 萬元，總效益為513.8 萬元，對比改造項目費用60 萬元計算具有可觀的經(jīng)濟效益，還可以減少CO2排放380×20=7600t，總體經(jīng)濟效益和社會效益非常明顯，改造的意義非常重要，不但滿足了機組提高長期安全性運行要求，而且積極響應(yīng)國家節(jié)能減排政策，起到良好的示范效應(yīng)。

6 結(jié)語

綜上所述，與以往真空系統(tǒng)運行相比較，火電廠的經(jīng)濟效益大幅度提升，設(shè)備維護所需投入的成本減少，改造后發(fā)電廠排放的二氧化碳總量降低，經(jīng)濟效益與社會效益明顯。