摘要：某电厂M701F型燃气轮机联合循环机组以每日启停为主要运行方式。机组停运后，维持真空状态耗费大量的电能。若破坏真空虽能节省电能，但其可操作性、安全性等因素又受到严重考验。本文就此创新性提出，机组停运后只将真空泵停运，维持轴封运行，真空缓慢下降。本文从经济性、安全性、可操作性三个方面分别探讨这一节能措施的可行性。
关键词：联合循环；每日启停；真空系统；节能
引言
电力系统节能减排是我国十二五规划的重要目标之一。某电厂自投产以来通过设备技术改造、运行方式优化等方式在降低厂用电率的工作上做出了大量努力，并取得了积极的进展。但针对调峰电厂每日启停为常态的运行方式，辅机运行方式优化仍有大量的节能研究空间。本文探讨的内容即为针对机组每日启停运行方式下所采用的真空系统优化运行方式的分析研究及其结果。
1 某电厂真空系统节能课题概述
某电厂现有三台M701F型燃气蒸汽联合循环机组，主要以每日启停方式运行，在停机期间，机组维持凝汽器真空度，即维持凝结水泵、真空泵、轴封风机等耗电设备运行，存在一定的节能空间。为降低厂用电率，自2013年5月开始，机组采取有条件地破坏真空节能措施，具体为：每日启停运行方式下，机组于22：30前解列需破坏真空，翌日机组启动前再建立真空。此项措施实施一年多时间内，在降低厂用电方面收到一定的成效，但却存在标准操作步骤、设备工作效率和金属部件寿命等诸多问题，特别是该电厂运行人员少，如此的大操作量，人员易疲劳，在安全性、稳定性上也受到较大考验。故运行人员在此基础上提出一项对机组设备安全性影响较小、操作相对简单的而节能效果明显的措施，即机组每日启停运行方式下只停运真空泵，但不破坏真空。
2 只停运真空泵不破坏真空模式的节能试验
2.1试验实施方案
在机组每日启停运行方式下，机组停机后，保持真空不破坏，即不打开真空破坏阀破坏真空，只将真空泵停运，维持轴封系统、凝结水系统正常运行，真空会缓慢下降，凝结水系统的正常运行保证了低压缸喷水降低低压缸排汽温度使之不超限。试验过程中密切关注凝汽器真空度、低压缸排气温度、缸体膨胀、胀差、转子轴向位移和轴承振动等参数，若相关设备参数到达临界值时，启动真空泵提高真空。在机组启动前15 min，启动真空泵提高真空，恢复真空系统的正常运行模式。
2.2 试验数据与可行性分析
当机组停运以后，此时中压旁路和低压旁路阀全关，凝汽器的热源只有轴封蒸汽和汽轮机本体和相关蒸汽管道的疏水。为观察和分析对试验对汽轮机的影响，分别在停机后保持真空，只停运真空泵及破坏真空三种模式下对汽轮机缸体膨胀、胀差、轴封温度、低压缸排汽温度等参数进行取值分析。从试验效果上看，3台机组试验数据基本一致，此处以2号机组数据代表典型，如图1、图2、图3。同时选取机组打闸时、机组启动前、启动真空泵前、建立真空前等几组具体时刻数据形成相应的表1、表2、表3，表示汽轮机参数实际变化情况。
从上述图表可以知，只停运真空泵模式能对轴封部件及气缸端壁温度变化实行有效控制，安全优势显著。在只停真空泵模式下，高压轴封温度最低为192 ℃，而破坏真空模式下为225 ℃，高中压缸端壁温度分别为253 ℃和336 ℃。在只停真空泵模式下，该两温度均低于破坏真空模式下，原因是破坏真空后缸体的余热加热端盖和轴封齿使温度升高，而只停真空泵模式，由于轴封系统继续运行，轴封蒸汽温度低于汽缸温度，对汽缸持续缓慢冷却，导致两温度测点较破坏真空后低。对于破坏真空模式，在再次暖轴封抽真空时，轴封蒸汽温度低于高压轴封测点温度，导致轴封温度迅速下降，并且同时冷却端壁。而在机组启动汽轮机进汽时，高压蒸汽又先迅速加热端壁，如此强制冷却与加热过程可能导致起机时缸体端壁与高中压缸轴封温度差值高报警，此报警值110 ℃。2号机组只停运真空泵和破坏真空两种模式起机过程中，这一温差（端壁与高中压缸轴封温差）最大分别为61 ℃和111 ℃，显然只停运真空泵模式下的这一温差较小。同时该电厂受启动炉产汽温度限制，而且辅助蒸汽管程较长，导致辅助蒸汽供给轴封蒸汽是温度较低。若频繁破坏真空，短时间内以温度较低蒸汽投入轴封，轴封部件频繁受交变应力影响，存在严重金属疲劳风险，恶劣情况下将导致轴封动静间隙发生变化，轴承振动增大，转子表面热应力发生变化，端壁变形，动静摩擦等严重后果。
有效稳定轴封温度也是停运真空泵模式的安全性优势之一。从上述图表中的轴封联箱温度数据变化可以看出，保持真空模式与只停真空泵模式下，轴封联箱温度都可以保持，而在破坏真空模式下，轴封联箱温度理所当然地大幅下降。如果以每日启停方式投退真空，轴封联箱的温度变化是一个自然降温和强制升温的过程，长时间保持此运行方式，对轴封联箱管道金属及焊缝处热疲劳性能是一个极大考验。只停运真空泵模式下，维持轴封系统运行，使缸体端壁与轴封部件在轴封蒸汽稳定的流动场中缓慢降温，免受频繁交变应力影响。
只停运真空泵模式能有效控制低压缸排汽温度上涨。众所周知，过高的低压缸排汽温度可能会导致低压缸缸体与转子叶片部分过热，金属膨胀量过大，产生安全风险，因而相关技术标准要求严格控制低压缸排汽温度不得超过80 ℃。在破坏真空模式中，从图3可以看出破坏真空的过程会导致低压缸排汽温度突升至80 ℃，为了保护低压缸末级叶片，相关技术标准规定只有低压缸排汽温度降至50 ℃以下才允许停止低压缸排汽喷水及凝汽器水幕喷水，即停运凝结水泵系统。停运凝结水泵之后，低压缸排汽温度在缸体本身热传导作用下缓慢反弹，很多情况下往往达到80 ℃以上，若要降温，则必须重新执行启动凝结水泵系统等一系列复杂的操作。而在只停运真空泵模式中，从图2可以看出停运真空泵后，低压缸排汽温度的趋势是随着真空降低而缓慢升高，当真空降至-50 kPa左右时，低压缸排汽温度有可能升至80 ℃报警，而在此时，则完全通过启动真空泵提高真空或者加大低压缸排汽喷水及凝汽器水幕喷水量等措施实现有效控制低压缸排气温度。
同样对比三种模式下的高压缸膨胀、高中压缸胀差、低压缸胀差的变化，因为机组停运，没有主汽汽源加热缸体，所以三个参数均下降，而且变化幅度相差无几，说明只停运真空泵模式对汽轮机膨胀参数无影响。
2.3 试验结果
由上述分析可知：当真空泵停运后，运行人员只需主要监视凝汽器真空及低压缸排汽温度两个参数，若按照以下原则操作，则能有利于节能、减少操作，同时保证机组安全。
凝汽器真空在触发凝汽器保护报警值前，约-60 kPa，需要启动真空泵提高真空，达到合理值时再次停运。原因在于：当真空泵停运后，由于不凝结气体无法被抽出凝汽器，所以真空会缓慢下降，此时真空系统的运行方式与进行真空严密性试验时类似，凝汽器真空下降的速度与凝汽器自身的真空严密性、及循环水冷却水量密切相关，因此在满足其他机组循环水冷却水量的前提下，应尽量增大停真空泵机组的循环水冷却水量，使主蒸汽管道疏水系统的漏气得到最大限度凝结，减缓真空的下降。过低的真空度会导致低压缸整体温度升高，影响低压缸膨胀、胀差、转子轴向位移、动静部分间隙参数，且真空达到-56 kPa时凝汽器保护触发，中、低压旁路阀及机侧通往凝汽器的疏水阀会全部强制关闭，影响机组正常疏水，所以试验选择-60 kPa为临界条件。
在低压缸排汽温度达到75 ℃时，需要启动真空泵提高真空，达到合理值时再次停运。原因在于：真空泵停运后，低压缸排汽的来源主要是轴封蒸汽的漏入，此时低压轴封的温度为150 ℃。低压缸排汽温度的报警值为80 ℃，跳闸值为120 ℃。虽然机组已停运，但低压缸排汽温度得不到有效控制，仍然会威胁设备的使用寿命。真空泵停运后保持低压缸以不超过80 ℃报警值为宜，考虑应留有一定的安全裕度，所以选择75 ℃为临界条件。
以上两个条件任意一个条件满足都应启动真空泵提高真空，试验结果显示低压缸排汽温度达到75 ℃时，真空约降至-60 kPa左右，为线性对应关系。
当启动真空泵后，真空度逐渐升高，真空度的升高速度渐趋平缓，单位真空度的边际功率消耗也就随之增加。结合经验来看，将真空再次提高到-92 kPa左右停运真空泵较为合适，既能满足设备运行参数的安全边界条件，也在足够的安全裕度内做到最大节能。
在机组停运后，只停运真空泵的模式操作简单无风险。在机组打闸后，汽轮机中压旁路阀、低压旁路阀全关后即可停运真空泵，只需避免低压缸排气温度超过75 ℃和保证真空低于-56 kPa，便不会有损伤设备的可能性。如中间需要启动真空泵，需运行人员到就地检查设备是否允许启动，其他设备无需运行人员操作。而破坏真空与建立真空涉及到标准操作程序、人员调配、操作时长限制等因素。相对于破坏真空模式，只停运真空泵模式在保证节能的同时，在操作量、所需时间和人力成本方面已做到最大程度的降低。
在停运真空泵节能期间凝汽器真空或低压缸排汽温度达到启动值应起泵提高真空。在每日启停方式运行方式下，停机期间约需要0-2次启动真空泵提高真空。存在频繁启动电机问题，该电厂机组真空泵为两泵制，安排启动备用泵人为减少主泵的启动次数，增长电机和开关使用寿命。
3 只停运真空泵与破坏真空模式节能比较
在上述统计时间里，每日启停模式下破坏真空的次数约占每日启停总数的10%，这一比例并不是很高。而从操作安全边界的角度来考虑，只要机组停运，就可以只停运真空泵进行节能，即表4中的每日启停次数397都可以采用停运真空泵的节能模式。
这两种模式在过去一年中节省的总电量可计算对比如下。
破坏真空节省总电量：1 339.82 kWh × 39 = 52 252.98 kWh
只停运真空泵节省总电量：504.89 kWh × 397 = 200 441.33 kWh
计算结果显而易见，只停运真空泵模式的长期经济性要远远优于破坏真空模式。
4结语
从试验结果来看，停运真空泵节能操作应按以下几点方案进行实施：机组打闸盘车投运后，将中压旁路阀、低压旁路阀手动全关即可停运真空泵,机组启动前约1 h启动真空泵建立真空。当低压缸排汽温度达到75 ℃或真空降至-60 kPa前时，启动真空泵提高真空，真空升至-92 kPa时，停运真空泵继续节能模式。在此模式期间真空泵启动次数约为(0～2)次，所以应尽量交替启动真空泵，减少单台泵和开关的动作次数，延长设备使用寿命。
每日启停运行方式下，机组停运后只停运真空泵不破坏真空节能模式的长期经济性不可忽视。从2013年6月1日至2014年6月1日，每日启停方式下全部停运真空泵节能，则会节省厂用电约200 441 kWh，节能效果比每日启停方式22:30分前解列破坏真空节能模式的节省电量52 252.98 kWh更为显著。
在安全性方面，只停运真空泵的节能措施在节省厂用电的基础上最大限度的保护设备主要金属部分特别是气缸端部、轴封金属部件和轴封联箱少经受频繁交变应力的蹂躏，延长设备使用寿命。
在可操作性方面，较破坏真空模式的操作更简便，操作量更少，节省人力成本，减少操作层面上错误发生概率。
参考文献
[1]严家騄，余晓福，王永青.《水和水蒸汽热力性质图表》第二版.北京.高等教育出版社.2004.
作者简介
王如发（1981年-），男，广东惠州人，运行值长，从事M701F燃机联合循环机组运行管理工作。
论文作者:王如发,王衣楠
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/4
标签：真空泵论文; 真空论文; 机组论文; 低压论文; 温度论文; 凝汽器论文; 模式论文; 《电力设备》2017年第16期论文;