摘要：本文针对近年在节能环保新常态下，热力发电厂汽轮机真空系统提效节能改造研究与应用，节约电能、降低发电厂煤耗，提高发电效率，减少碳排放，改善当地生态环境具有一定的借鉴意义。
关键词：燃气-蒸汽联合循环机组；汽轮机真空；节能降耗
0.引言：研究背景
某燃气热电厂在装一套“二拖一”燃气-蒸汽联合热电循环机组，发电出力950MW，供热能力658MW，供热面积1300万㎡。其中蒸汽轮机为东方汽轮机有限公司生产的TC2F-40.5型高中压合缸、双排汽、凝汽式蒸汽轮机，额定功率305.20MW，汽机真空系统配备3台真空泵，每台能够满足50%的负荷出力。原真空系统设计选型时，主要以快速启动和最大的允许漏气量作为选型原则，但在机组正常运行时，真空泵维持系统真空的裕量较大、存在功率配置过大问题。原配套真空泵电机功率110kW，耗电很高，具有较大节电空间。
原汽轮机真空系统设计选型时，主要以快速启动和最大的允许漏气量作为选型原则，但在机组正常运行时，真空泵维持系统真空的裕量较大、存在功率配置过大问题，还存在以下缺点：第一，水环真空泵性能和出力受制于工作水温度限制，当夏季工作水温度较高时，喷射器抽气能力急剧下降，导致会出现必需启动两台真空泵来维持凝汽器真空的情况。汽机真空恶化，电厂发电煤耗也随之升高，增加碳排放。第二，水环真空泵在高真空下出力急剧下降，且容易发生汽蚀，发生气蚀后水泵电机管道振动急剧增大，设备可靠性明显降低，并缩短设备使用寿命，给安全稳定运行发电带来非常大的风险。
1.技术路线和设备选型的影响因素分析
1.1电厂汽轮机真空与节能降耗的经济性分析：电厂真空设备运行特点是真空对发电煤耗影响较大，以300-330MW机组为例，假如真空每提高1Kpa，对应的发电煤耗下降的经验值约为 2.6g/kWh。目前热力发电厂常用的抽真空设备是射水泵和水环泵，前者逐渐被后者所替代。水环真空泵的性能与所抽吸气体的状态（压力、温度）和工作液的温度等有关。同时运行中受到“极限抽吸压力”的影响，容易在叶轮表面发生局部气锤现象，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。
1.2工作液温度对水环泵的性能影响较大，高水温工况下，其抽气性能快速下降80%-90%，甚至在某一入口压力下抽气量为0。这就是为什么有些机组在夏天需启动两台真空泵来维持凝汽器真空的原因。另外由于工作液温度的上升，对水环式真空泵长期运行极为不利，造成以下后果：
1.2.1破坏真空，降低机组经济性，随着工作液温度升高，对应的饱和压力不断升高，根据查阅水蒸气饱和蒸汽压力与温度关系对照表可知：如30℃的汽化压力为4.241kPa，40℃的汽化压力为7.35kPa，当水环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，真空泵因抽吸自身介质汽化产生的气体挤占真空泵抽气量造成真空泵出力严重不足，不凝性气体将造成传热恶化并在凝汽器内积聚破坏凝汽器真空，水蒸气中质量含量降低60%，从而降低机组经济性。
1.2.2造成汽蚀，真空泵在运转中，若局部区域工作液的绝对压力降低到当时温度下的工作液气化压力时，工作液便在该处开始气化，产生大量蒸汽形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以致破裂。在真空泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是真空泵中的汽蚀过程。金属表面出现点蚀现象，严重时会出现蜂窝状损坏，如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力，还会引起应力释放，产生裂纹，严重影响设备安全高效运行。
1.3目前提高真空泵性能的技术路线主要有三种
1.3.1增装制冷装置，降低工作液的温度，达到提高真空泵的抽气性能，即提高其抽气量和极限真空值，从而达到提高凝汽器系统真空的目的。
1.3.2加装大气喷射器，大气喷射器是配置在水环式真空泵的进口管道上的一个前置射气抽气器，它的一端开口朝向大气，利用真空泵负压与大气压形成压差而产生的空气射流，在喷射器内获得比真空泵更低的抽吸压力，从而消除真空泵“极限抽吸压力”对凝汽器压力改善的限制。但这种技术虽然解决了真空泵的极限压力及汽蚀问题，但却降低了抽气量，同时增加了电能消耗，这表现在有些电厂采用这种技术改造后，因抽气量降低无法单泵维持真空，而被迫启用两台真空泵，能耗直接增加了100%。
1.3.3使用高效率节能真空装置，此技术是使用一种高效真空泵组在火电厂凝汽器抽真空系统的应用，节能量达到50%-70%左右，同时可以在夏天高水温工况下提高凝汽器的真空。
1.3.4 三种技术对比
从系统布置复杂性、极限真空值比较：制冷降温技术占地面积大、管路复杂、极限真空值3300Pa（15°C）；加装大气喷气器：占地面积大、管路简单、极限真空500~1000pa；节能高效真空设备装置：占地面积小、管路简单，极限真空小于400Pa，缺点是无法满足机组启动前期快速建立真空的要求，优点是机组正常运行期间能够维持较好的真空值。
1.4此项技术应用在电厂凝汽器抽真空系统中，相对于原有真空泵节能量达到75%，同时在夏季工作液（水）温度高情况下，能有效提升凝汽器的真空（在相同工况下与常规水环泵相比）。此项技术有如下特点
1.4.1原设计抽真空设备主要用作汽轮机启动初期的快速建立真空，要求在30min内达到机组启动要求，实际正常运行中，无需那么大的需求。因此，在正常运行中，通过以小代大的方式达到节能目的。
1.4.2常规水环泵（或射水泵）效率低下（30%），本技术应用的高性能真空泵效率高达50%。因此，使用高效罗茨水环真空机组可达到节能目的。
1.4.3所抽吸的气体包括不凝气体（空气）及可凝气体（水蒸汽），而且大部分气体是水蒸汽，通过把水蒸汽冷凝，达到减少水环泵压缩气体总负荷，从而达到高效节能的目。
2.调研国内热力发电厂汽轮机真空系统改造情况
经调研，国内已有电厂开始使用高效气冷罗茨水环真空机组，计算结果显示节能效果显著；例如河北省某电厂现有4台350MW凝汽式机组，均为东方汽轮机厂生产的超临界双抽供热式汽轮机组。电厂单机配置两台2BW5-353-0EL4单级水环式真空泵，抽速为36.5-89.0 m3/min，一运一备。配用电机电压为6KV，功率为185KW，机组正常运行时，电机电流约为175A，每小时耗电126.37KWh。2014年8月进行了汽机抽真空系统改造，在抽真空母管上并接一台罗茨-水环真空机组（设备配用两台380V电机）。在机组启动建立真空期间，使用原抽真空设备快速启动真空，在正常运行期间，使用罗茨-水环真空机组维持真空。改造后罗茨-水环真空机组就地电流约为50A（液环真空泵约为36A，罗茨真空泵电机电流约为14A，两台电机电流之和），节电效果明显。再举一个例子，国华河北某电厂#3、4机组也进行了罗茨-水环真空机组改造，真空泵电流由175A降低到50A，节能效果达到71%。
3.可行性确认
3.1本改造方案的思路为：增加1套高效气冷罗茨水环真空机组，在保证机组真空度的安全基础上实现最大限度的节能，改造后真空度的指标在比原来还要略有提高的基础上节电效果在70%以上。新增设备不改变原水环真空系统的设备及功能，在抽真空母管上并接一台罗茨水环真空机组，在机组启动建立真空期间，使用原抽真空设备快速抽取真空，在正常运行期间，使用罗茨水环真空机组维持真空。在机组真空系统发生严重泄漏，罗茨水环真空机组不能维持凝汽器真空时，使用原抽真空设备维持真空，罗茨水环真空机组在检修或设备故障时，使用原抽真空设备维持真空。
3.2由于新增罗茨水环真空机组的同时不拆除原有水环真空泵，所以此改造是安全可靠的，没有任何使用风险。技术路线如下图所示
4.预期效果
4.1罗茨水环真空机组主要有以下优点
4.1.1采用罗茨水环真空机组后，可避免原水环泵夏季时出现的抽汽能力严重下降的问题，凝汽系统夏季工况的凝汽真空可能得到一定程度的提高，从而优化汽轮机做功效率，系统运行高效平稳。
4.1.2采用罗茨水环真空机组后，避免了水环真空泵叶轮和圆盘因为气蚀的损坏，减少了配件的频繁更换，提高了水环真空泵的使用寿命，从而减少了水环真空泵的维护保养费用（一般情况，3年转子就要进行一次大修）。
4.1.3采用罗茨水环真空机组后，由于电机功率大幅下降，所以噪声和震动会大幅减少。
4.1.4国华电力公司某电厂#3、#4机组真空系统节能提效改造项目即在原有两套水环泵基础上增加一套气冷罗茨水环真空泵组。原有水环泵用于启动过程，机组正常运行时切换为新泵组运行。新泵组电机容量约为40.5kw，远小于原有真空水环泵的160kw，原水环真空泵运行电流为214A，气冷罗茨水环真空泵组运行电流为45A左右，节电效果已达到79%，同时能改善夏季凝汽器真空，对汽轮机真空系统提效显著，节约燃煤，减少煤炭使用量，促进改善当地低碳环保工作水平。
5.真空提效应用的改造实施情况及效果
5.1 2018年3月签订了采购合同，8月底到货，10月的机组检修期间现场安装调试。
5.2 真空提效节能改造的工作范围概述：主要为3号机真空泵节能改造所需的罗茨真空泵组及全部附属设备、土建材料、二次搬运、就位安装、电缆敷设接引、整套系统的调试、试验等工作。
5.3具体情况如下：现场搭设硬隔离，与运行设备隔离开后进行基础施工（具体安装施工见罗茨真空泵组基础安装图）；将设备台板就位，保证水平达标后进行首次灌浆（同步对控制柜基础进行安装）；对基础进行保养，在基础完全可以承力后可以进行下一步工作；紧固台板螺栓，水平调整合格后进行设备就位安装。5.3.1水管、汽管路安装：设备整体就位后开始进行管路的安装，机务部分的管路主要包括除盐水管、冷却水管与抽空气管和排空气管这4部分组成，冷却水供回水水源取自#1、#2真空泵冷却器供回水管路，引出后合并成一路，架空后向东走向与新加装罗茨真空泵组连接并固定（包括吊架和支架的安装）；除盐水取自新装罗茨真空泵组正上方位置的除盐水母管；引出后在方便操作、距离最短位置加装一次门。抽空气管和排空气管与上方原真空泵管路连接过渡即可。管子或管件的对口质量要求，应严格遵守DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》的规定。管子的焊接工艺应符合DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》中5.0的要求。管子焊接质量标准应符合DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》的要求。电缆铺设：包括动力电缆与控制电缆，通过在装设备上方的电缆桥架引入。电气设备安装：在新装罗茨真空泵组东南靠近钢梁位置加装控制柜，具体见安装图。热工设备安装：热工设备主要部件都安装在罗茨真空泵组设备上，但也需要提前铺设电缆，气动门的气源也需要提前铺设管路，气源取自原真空泵用气源母管路（该气源管路为两路气源供气），控制信号由就地至集控室电子间drop5控制柜。水系统上水查漏：管路铺设完成应该分系统打压或上水查漏，压力满足正常运行压力的1.25倍。抽气与排气管道的安装也必须在整体焊接工作完成后进行找漏工作，尤其抽气管道更为重要，系统一旦运行后属于负压区，对渗漏的查找尤为困难，所以保压运行前的查漏工作尤为重要。系统调试及试运行：由发电运行部提前编制整体试运方案，通过审批后进行试运工作；单体调试后进行整体调试；根据需求发电运行部编制设备运行操作逻辑，审批后由热工进行实施。由厂家技术人员针对真空泵的设备构造、操作、故障处理、运行控制、参数设定等进行培训。根据厂家提供的设备使用说明书，运行、机务、电气、热工人员提前熟悉各自设备。整体试运：起机后投入运行（单台独立运行），目前机组连续运行30天，运行状态良好。项目共分成4步验收，第一步，基础浇筑后的验收，主要对基础水平、设 备连接质量进行了验收，结果合格；第二步，设备整体安装后的验收，主要对管路的除锈、刷漆、接管、焊接、电缆铺设等的验收；第三步，单体调试及冷态验收，第四步，热态验收。
分步验收及整体验收一次合格，质量达到预期效果。#3机组启动后，单独投运#34罗茨真空泵，真空达到3.82kpa，整台真空泵机组温度、振动合格，无跑冒滴漏现象，介质流向准确，标牌齐整，整体卫生合格。
5.4效果分析
（1）单独从新旧真空泵组改造前与改造后的真空泵组设备自身节电效果角度分析：改造前旧真空泵电机容量为110kw，运行电流为165A，改造后新泵组电机容量按41kw，水环真空泵运行电流为31A，罗茨真空泵运行电流为14A，推算可节电按下述计算：P=1.732* 0.380*（165-45）*0.85=67.13kw，年度运行小时按7680小时计算，年节电约为W=67.13*7680=515576kwh，按0.65元/kwh 电价计算，年度节省电费33.51万元。
（2）改造后从整体系统角度分析：按照运行经验，影响凝汽器真空的参数主要有：汽机负荷、环境温度、循泵运行状态、机力塔运行状态、机组运行模式、真空泵运行状态这7个因素。由于本次技改采用了高效罗茨真空泵组，可以降低发电机组附属冷却水泵与风机的投入量。本项目配备冷却水泵4台，型号6KV-1612KW，每台运行电流94A，冷却风机8台，6KV-202KW/台，每台风机运行电流24.4A，抽取机组三种不同发电工况：
第一种是汽机负荷165MW负荷工况：厂用电每小时节约360kwh；
第二种是汽机负荷130MW负荷工况：厂用电每小时节约140kwh；
第三种是汽机负荷80MW负荷工况：厂用电每小时节约200kwh。
（3）根据以上三个工况的对比分析发现改造后汽机高负荷时经济性更为明显。对夏季机组的经济性提升效果更佳。按照当前的每小时节约电量取平均值测算约为233Kwh。再按照每度厂用电成本0.65元进行计算。本次改造保守估计可以为公司带来每年0.5元/kwhX233kwhX24小时X365天=102万元经济性提升。
6.结论
热力发电厂汽轮机真空系统提效改造后，节约电能、降低发电厂煤耗是非常显著，成功地提高发电效率，减少碳排放，改善当地生态环境具有一定的借鉴意义和推广价值。
参考文献：
[1] 本厂《检修工艺规程》
[2] 《热能动力工程》2016第一期
[3] 设备制造厂《检修维护说明书》
作者简介：
李靖，男，（1981年---至今），工程师职称，长期从事火力发电厂汽机的技术管理工作。
论文作者:李靖
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/27
标签：真空泵论文; 真空论文; 机组论文; 凝汽器论文; 管路论文; 系统论文; 设备论文; 《电力设备》2018年第35期论文;