（湛江中粤能源有限公司）
摘要：凝汽器真空系统作为火电厂的重要配套辅助系统，其布置的是否合理和运行效率的高低对火电厂的经济性有着很大的影响。通过调查研究，目前在运行的机组中凝汽器真空系统在系统布置和真空泵的配置上都存在一些不足。本文通过对湛江中粤能源有限公司真空系统优化的研究和应用，提出了通过提高凝汽器真空实现提高火电机组效率的有效技术途径，对同类型火电机组具有较高的参考价值。
关键词：火电厂;凝汽器;真空系统优化
1 引言
近年来随着国家电力体制改革的进一步推进，节能降耗将成为火电厂的一项重点工作。凝汽器作为火电厂热力系统的终端介质换热设备，其工作状况的好坏对机组的效率起着举足轻重影响，根据相关测试，凝汽器真空度每提升1%，煤耗降低约2.7 g/kWh。基于火电厂凝汽器抽真空系统的运行现状，我们开展凝汽器真空系统优化的研究及应用技术，最终的目的是提高凝汽器真空，提高机组效率。
2 凝汽器真空系统优化的意义
2.1 有效提高凝汽器真空
通过项目实施应用，将二台机组的凝汽真空提高至年平均-94KPa以上，且最差工况条件下不低于-92KPa。大大提高机组效率降低煤耗。
2.2 降低凝汽器冷却水的用量
火电厂2X600MW机组配套四台开式冷却水泵，水泵电机功率为2800KW，电压6KV，按电价0.5元/KWh计算，单台泵每天电费约为3.36万元。通过该项目实施后，可大大减小冷却水泵的运行天数，节约的电费非常可观。
2.3 提高真空泵效率、降低真空泵运行电流，提高真空泵的使用寿命和可靠性
力争使优化后的真空泵进一步提高抽气能力、降低运行电流以实现达到除低机组煤耗和厂用电率的目的。
3 研究内容与关键技术
3.1 高低压侧抽空气管并联抽真空技术
3.1.1 研究背景
目前，在600MW及以上凝汽式气量发电机组大部分采用双背压凝汽器，其目的是提高凝汽器的传热性能和整个系统循环热效率，从而使整个机组的经济性得到了提高。
美国是世界上首次应用多压凝汽器的国家，60年代初期美国就开始在大功率机组采用这一技术，不到十年美国就在近10000MW机组中投运了面积约500000平方米的多压凝汽器。多压凝汽器是现代大型电站凝汽器研制发展的一个重要方向，我国在600MW及以上大容量机组也开始大量配置多压凝汽器。对大功率汽轮机采用双背压运行能提高机组的热经济性达0.2％～0.3％，特别对冷却水温较高地区，采用双背压运行功率收益更大。双背压凝汽器的抽真空系统通常采用两种形式，一种是高低压侧联通采用一个母管与抽真空设备相连；另外一种是高低压侧分别设置母管和抽真空设备相连，那么究竟哪一种联通方式更有优势，成为很多本项目的研究关键点。
3.1.2 技术说明
我们通过理性计算和实际测试发现，对于双背压的凝汽器机组，双母管并联的方式能够维持凝汽器更低的平均背压，经济效益更好。
当两中不同压力的等量气体联通后，气体压力为两个压力的平均值，而气体的流动都是从高压侧向低压测流动。假设低背压侧的设计背压为P1，高背压侧的设计背压为P2，低背压侧的冷却水进水温度是T1，高背压侧冷却水进水温度是T2，高背压侧的冷却水出水温度是T3。
当设置单母管的抽吸系统时，母管压力为PD；
PD=（P2+(P1+P2)/2）/2
当设置双母管平列抽吸时，低压侧母管和高压侧母管的压力分别为PS1和PS2,平均背压设为PS；
PS1=P1，PS2=P2
平均背压PS=(P1+P2)/2
P2>P1，因此（P2+(P1+P2)/2）/2>(P1+P2)/2
因此，PD>PS.即单个母管的凝汽器的平均背压要高于高低压侧分别设置母管的平均背压。
如果以本项目（湛江中粤有限有限公司）#1、#2机组（2X600MW）真空泵技改工程为例，VWO工况设计背压高背压为6.25KPa（a），低背压5.25KPa（a）；高低压侧设置单母管和双母管带来的差异是：
单母管的平均背压：PD=（6.26+（5.25+6.25）/2）/2=6.0KPa(a)
双母管并联的平均背压PS=（5.25+6.25）/2=5.75Kpa(a)
两者的差异为PD-PS=6.0-5.75=0.25 Kpa
如果按照凝汽器真空度提高1%，（大气压按100KPa计算）标准煤耗降低2.73 g/kWh，年发电时间5000小时计算，一台600MW机组年节约的煤炭0.25×2.73×5000×600000÷1000000=2045.5吨标准煤，如果标准煤（7000大卡）按照每吨600元计算，年节省的煤耗成本仅因为管道的设计就能降低122.85万元。
对于高低压侧设计背压压差大的机组，节能效果更明显。
3.1.3 技术实现方法
将高低压侧的母管拆分成单独的母管，保留原来的阀门，增加低背压侧的阀门组。两个母管分别与真空泵A和真空泵C联通，共用备用真空泵B，备机与主机之间设置切换阀，实现自动切换。即可实现双母管的设计理念。
图1 优化前系统
图2 优化后系统
3.2 真空系统运行方式优化
按照原来火电厂真空系统的设备配置，只能采用“二用一备”或三台泵同时运行的母管制抽真空方式，而通过抽真空管道及真空泵的优化后，运行方式更为灵活，任何一台真空泵出现故障后均可自动联启备用泵，即使运行过程中有两台真空泵出现故障，只需一台真空泵仍可维持机组的正常运行，大大提高了真空系统的可靠性。
3.3 真空泵结构优化技术简述
3.3.1 二级锥体式叶轮设计对真空泵性能提升的研究应用
水环式真空泵所面对的介质是空气和水的混合物，工作过程中反复的压缩和膨胀，这样就非常容易产生气蚀，气蚀的产生造成运行噪音大，同时影响真空泵的抽空气量、叶轮易出现裂纹影响使用寿命。因此，设法解决真空泵内气水混合物反复的压缩膨胀对真空泵性能的影响是我们首先所要考虑的技术问题，通过理论分析，我们认为将叶轮改为锥体式结构，增加一级叶轮，同时增加质质入口的流通面积，对改善真空泵性能将会有很好的帮助。具体分析如下：
3.3.1.1 采用锥体式叶轮可提高真空泵极限真空
当高低压侧凝汽器分开单独抽气以后，理论上可达到更高的真空，但对于之前配备的圆盘式水环真空泵，由于受其结构所限，其极限真空达不到相对应的理论真空。为解决该瓶径，我们经过研究分析发现，改进后锥体双级真空泵的极限真空较高，可以达到2.7kPa。其设计理念是锥体分配器采用了GSV结构设计，如图3所示，同时增加了一级叶轮。这种锥体式双级叶轮设计可达到的极限真空条件，正好可以满足低压侧凝汽器的高真空的要求。尤其是在大部分部分负荷时的工况，锥体双级真空泵的高极限真空优势更明显。
图3 锥体式叶轮结构设计图
3.3.1.2 优化真空泵入口结构，解决圆盘结构的真空泵吸入口和排气口通道小的问题
改变叶轮吸入口结构形状，采用锥体进排汽口设计。由于平圆盘泵叶轮向上偏心的位置及液环形状的影响，决定了平面泵的进、排汽口不可能开得很大。改为锥体真空泵后就有了较大的进、排汽口，进气口和排气口远大于平圆盘泵，况且锥体式开口深入叶轮腔，不仅能使真空泵进气面积大，进气量多，而且使得气体进入泵体的通道更为通畅。如图4所示为优化后的叶轮进出口形状比较示意图。
图4 优化后的叶轮进出口形状比较示意图
3.3.1.3 工作液系统管路上增加热循环泵
真空泵工作液利用热交换器冷却，外冷却水源为海水，由于秋、夏季节气温较高，对真空泵工作液温度影响很大，一般情况下，当工作液温度超过35℃后，真空泵的工作性能会急剧恶化。为了改善真空泵工作液的冷却效果，我们设计在冷却液循环回路中加装一台工作液循环泵，以加强工作液的换热速度以达到换降低工作液温度的目的。如图5所示。
图5 作液系统管路上增加热循环泵示意图
4 经济性分析
通过对凝汽器真空系统的优化与应用，机组真空明显提升，不同负荷段下真空升高约0.5-1.6KPa，降低机组供电煤耗约1.3-4.16 g/KWh。按年度单机发电量27亿KWh，煤价600元/Kg，煤耗按负荷对应的平均值2.73 g/KWh计算,每年可节省资金：
s1=2700000000KWh×2.73 g/KWh÷1000000×600元/Kg=442.26万元
改造后电流下降75A,按年均运行8000小时计算,节省资金:
s2=×0.38KV×75A×0.81×8000×0.5=16万元
年度总节省资金s=s1+s2=442.26+16=458.26万元
单从经济运行方面考虑，项目执行后一年可节省资金约为458.26万元。另外还避免了真空泵的频繁检修，转子裂纹更换转子等维护检修费用，另外运行安全可靠性方面明显提高，主要有以下几个方面：
（1）抽空气管道布置方式的优化，可实现凝汽器单侧运行，当一侧凝汽器需检修维护时，不影响机组的正常运行。
（2）真空泵频繁故障的状况彻底改变，真空系统可靠性大大提高。
（3）凝汽器抽气方式更为灵活，甚至在冬天可实现单台真空泵的运行。
5 结束语
经过该项目的实践论证，双背压凝汽器采用并列式抽真空方式更为经济，目前国内600MW机组双背压凝汽式火电机组将逐步进行并列抽气方式的优化改造，如汕头海门电厂2×600MW机组、广西南宁电厂2×600MW机组等优化后都反映取得很好的效果；锥体式双吸真空泵技术也在火电机组得到广泛应用，粤电靖海发电公司一期2×600MW机组、汕头海门电厂2×600MW、华能运河发电有限公司300MW 机组凝汽器真空泵改造，机组都由原来的平圆盘水环真空泵升级改造为锥体式真空泵，实施后均取得了较好的经济效益。
随着国家经济发展的转型升级，火电行业都在往节能、环保的方向在不断升级，而对于本项目对火电厂凝汽器真空系统优化的研究和应用的成功，对同类型火电机组都具有很高的参考价值，应用前景非常广阔。
参考文献
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论文作者:郑红发
论文发表刊物:《电力设备》2016年第5期
论文发表时间:2016/6/17
标签：凝汽器论文; 真空泵论文; 机组论文; 真空论文; 锥体论文; 叶轮论文; 火电厂论文; 《电力设备》2016年第5期论文;