（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 广州 510663）
摘要：本文阐述了凝汽器抽真空系统的设备选型，分析其设备配置的优化空间，提出加装大气喷射器和罗茨-水环真空泵两种优化方案，并分析其优劣，选择满足本项目节能降耗要求的方案。
关键词：凝汽器；大气喷射器；罗茨真空泵；节能
1 项目概况
本工程为9F级燃气-蒸汽联合循环热电联产项目，建设2台460MW级燃气－蒸汽联合循环热电联产机组。机组年供热年利用小时数5000小时。
2 水环式真空泵
2.1 技术背景
对于凝汽式电站机组，通常认为凝汽器真空是由凝汽器建立，水环式真空泵抽气来维持[1]。而凝汽器漏空气是影响凝汽器真空度的一个重要因素[2][3]。机组正常运行时，进入凝汽器的空气量不到蒸汽量的万分之一，虽然很少，但危害很大[4]。首先，空气阻碍凝汽器内的蒸汽放热，使传热系数减小，端差增大，从而使真空下降[5]。此外，漏入凝汽器的空气增多将使凝结水的过冷度和含氧量增加，对给机组热经济性和安全性都带来不利影响[6]。
凝汽式汽轮机真空抽气系统配置的抽气器主要有射汽式抽气器、射水式抽气器及水环式真空泵三种形式。国内电站中的小型机组上一般用射汽式抽气器；大型单元再热机组上一般用射水式抽气器；由于水环式真空泵结构简单，工作平稳可靠，操作简单，维修方便等特点，因此，近些年，逐步采用水环式真空泵的运用比较广泛。
2.2 水环式真空泵选型
真空泵的运行情况和长期保证的抽空气能力，除了与特定的气象环境条件有关，也与汽轮机本体的结构设计、制造能力、安装工艺和全部与凝汽器相连接的系统及管道的严密性有关。抽真空设备的容量及配置应兼顾考虑以上因素。按照《GB50660 大中型火力发电厂设计规范》，目前300MW级以下容量的火电机组一般配置2台水环式真空泵，每台泵的容量满足凝汽器正常运行抽干空气量100%的需要。
水环式真空泵是依据美国HEI标准进行选型的。HEI标准已经给出了各种不同的排入凝汽器的乏汽量、凝汽器的数量及排汽口数量对应下的干空气泄漏量。依据本工程的实际情况，水环式真空泵的干空气入口流量为25.5kg/h。同时依据HEI标准，一般汽轮机启动初期要求快速建立真空：所有泵并列运行，从大气压抽到33.86 kPa（a），要少于30分钟。因此配置2x100%水环式真空泵，就可以满足系统的要求。启动时2台泵同时运行以满足快速启动要求；正常运行时可一台泵运行，一台泵备用。
2.3真空泵汽蚀
水环式真空泵所能达到的最小抽吸压力取决于真空泵工作液温度对应的饱和压力，当真空泵抽吸压力小于或等于工作液温度对应的饱和压力时，将使部分工作液汽化而产生汽泡，汽泡会排挤真空泵液环与叶轮之间腔室中空气量，导致真空泵容量下降，严重时汽泡破裂会冲击叶轮而产生汽蚀，使真空泵的叶片及内表面损坏，进一步降低真空泵的抽吸能力，同时对真空泵的安全运行造成威胁。即使在机组真空严密性较好的情况下，如果真空泵工作液温度过高，真空泵会发生汽蚀、抽吸能力不足问题，同样会造成凝汽器压力升高，高于并接近真空泵最小抽吸压力。
因此水环式真空泵在运行中会在叶轮表面发生局部水锤现象，运行噪音很大且会使叶片产生很大的拉应力，长时间运行易导致叶片的断裂，威胁机组的安全运行。
2.4泄漏量
在机组正常运行时，对真空泵的抽吸要求没有机组启动时的要求高，因此所配真空泵就可能出现抽吸能力过高的情况。而且本工程为供热机组，当真空建立后，联合循环按照供热工况运行时，低压缸排汽量和干空气量比纯凝工况减少。
因此可以采取抽吸能力相对低的节能真空泵，代替原水环式真空泵在机组正常运行时维持凝汽器的真空度，以降低机组的能耗，达到节能降耗的目的。
3优化方案
3.1 加装大气喷射器
大气喷射器是配置在水环真空泵的进口管道上的一个前置大气喷射器，大气喷射器由喷嘴、吸气室和扩压器组成（见图1），其排气口与真空泵进气口相连，它的一端开口朝向大气，通过喷嘴利用真空泵负压与大气压形成压差而产生的空气射流，在吸气室内获得比凝汽器更低的抽吸压力；两股气流混合后流经扩压器，压力不断升高，一直达到大气喷射器的排气压力，即真空泵的入口压力，最后由真空泵把气体吸入，再排出泵外，即完成了吸气、排气过程。这样，在保证对凝汽器抽吸压力的同时，不仅提高了真空泵入口压力，还能有效提高真空泵汽蚀余量，保证真空泵出力。
图2 增设罗茨-水环真空泵组后抽真空系统示意图
罗茨真空泵与水环式真空泵串联成罗茨-水环真空泵组，泵组中罗茨泵作为主抽泵，将从凝汽器抽出的不凝结气体及部分水蒸气进行压缩升压后排进冷却器，再用小功率水环真空泵抽取冷却器内的气体排至汽水分离器。
罗茨真空泵是一种双转子的容积式真空泵，工作原理如下所示：
a）2个叶轮之间以很小的间隙相向旋转运动，叶轮将泵室分为小的空间；
b）叶轮位置在I和II时，进气室空间增大；
c）叶轮位置在III时，部分空间与进气口隔开；
d）在位置IV时，被隔离空间与更高压强的出气口相连，并由于进入更多其他收到压缩。
e）叶轮继续旋转，被压缩的气体通过出气口排出。
图3 罗茨真空泵工作原理简图
从图3及其工作原理可知，罗茨真空泵在设计上相当于2个螺杆在转动，其抗汽蚀能力强，做前置泵能有效保证其后水环真空泵的工作安全。此外，水环真空泵也可以单独运行。罗茨真空泵和水换真空泵内部转子间隙较小，环境温度高或冷却水温度高时容易出现摩擦振动现象，因此应对冷却水系统加强监视。
近年来，随着国家对节能改造的要求和电厂本身追求效益最大化。国内各电厂对真空系统改造的数量逐年增多。采用罗茨-水环真空泵组降低运行功耗国内的300MW机组应用较多，有广州五沙热电，旺隆发热电，河北西柏坡电厂，任丘热电，深圳的妈湾电厂，宝昌电厂，安徽的田集电厂，平圩电厂等。
3.2.2 节能效果
根据调研电厂（300MW级）的情况，目前节能真空泵的功率为~35KW（罗茨真空泵和水环真空泵各约一半）。本期工程配置的真空泵功率约为110KW，预计节能效果达68%。
配置罗茨-水环真空泵组后：
预计投资~68万（含土建、安装费）；
节约电耗~75KW：按机组年供热利用小时数5000小时，供电价（含税）0.745元计算，每年节省电费~28万；
系统维护费用低，因此在2~3年即可收回投资。
4. 结论
加装大气喷射器虽能有效解决水环式真空泵汽蚀问题，但增加了厂用电；设置罗茨-水环真空泵组不仅能保证泵的安全工作，且能用更小的功率维持凝汽器的真空。因此本工程推荐配置2台100%水环式真空泵，1用1备，两台机同时运行以满足机组启动时快速建立真空的要求；同时配置1台节能真空泵，可在机组排气量和泄漏量较小时运行，此时2台水环式真空泵备用。
参考文献：
[1]章建叶，凝汽器水环式真空泵的原理与运行[J]，浙江电力，2000（3）：52-54；
[2]孙永平 周轶喆，水环式真空泵抽吸能力对凝汽器真空影响的试验分析[J]，浙江电力，2006（1）：45-47；
[3]张明智 林胡 等，凝汽器真空度下降的分析与理[J]，电力科学与工程，2003（01）：52-55；
[4]李文林，200MW汽轮机真空问题探讨[J]，中小企业管理与科技（上旬刊），2011（01）；
[5]周胜伟，汽轮机真空度不足的原因分析及预防措施[J]，中小企业管理与科技（下旬刊），2011（01）：22；
[6]王又武 张亮，影响凝汽器真空的因素分析及对策[J]，华中电力，2002（3）：59-61；
论文作者:张怀强
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/16
标签：真空泵论文; 凝汽器论文; 机组论文; 真空论文; 喷射器论文; 叶轮论文; 压力论文; 《河南电力》2018年23期论文;