（神华国华惠州热电分公司 广东惠州 516082）
摘要：针对机组真空较设计值偏低的问题进行分析，并采取在原真空泵冷却器后串联板式冷却器的方案，利用中央空调冷却水降低真空泵的工作液温度。通过分析技术，合理的进行了改造方案的设计和设备选型。通过改造实践证实，文中提出的真泵泵冷却系统改造技术切实可行，投资收益高，能够有效提高机组经济性和真空系统的可靠性。
关键词：真空泵；工作液；冷却系统；真空
1引言
冷端设备的节能优化和改造历来是火力发电厂节能降耗研究的重点，凝汽器真空泵的优化技术也随之取得了较大的进展。凝汽器真空泵优化的根本目的在于提高真空泵抽吸能力，排出不凝结气体使凝汽器在理论计算真空下运行。由于真空泵对气体压缩做功、工作水流动摩擦、抽气携带热量等原因，使真空泵工作水温度升高，对于真空泵冷却器与凝汽器为相同冷却水源的机组，往往由于真空泵冷却不足而导致凝汽器真空下降。近年来真空泵加装大气喷射器、蒸汽喷射器抽真空、罗茨水环真空泵组、真空泵冷却水源改造等优化主要优化方式均是为直接或间接解决这个问题。2014年-2015年国华惠州热电分公司通过采取加装板式冷却器与原冷却器串联运行的改造方式，使机组真空取得了明显的提高。
2概述
国华惠州热电分公司机组容量2×330MW，汽轮机组为东方汽轮机厂生产的CC330-16.7/2.7/1.3/538/538型三缸双排汽抽汽凝汽式汽轮机组。凝汽器冷却水为海水直流冷却方式，配置两台100%容量的双级水环式真空泵，设计背压5.88KPa。改造前每台真空泵配置一个管壳式冷却器，冷却水流量40m3/h，换热功率209kW，真空泵循环水冷却水取自凝汽器循环水进水，回至凝汽器循环水回水管。
该机组的凝汽器是表面式的热交换器，冷却水在管内流动与管外的排汽进行热交换，使排汽凝结成水，同时再通过水环真空泵使凝汽器形成真空。凝汽器是N-18600型单壳体、双流程、表面式凝汽器，冷却面积18600m2，冷却水温度24℃，冷却水量42000t/h，蒸汽流量643.7t/h。该凝汽器由喉部、壳体（包括热井、水室）及底部的滑动、固定支座等组成。冷却水管在壳体内组成四组管束（管束为三角形排列）。在每组管束下部均设有空冷区，其空气抽出管由汽侧空间引出。
真空泵抽真空系统主要由真空泵、气水分离器、热交换器、电动机、附属的设备以及相关的管道和阀门组成。凝汽器中的气汽混合物经过真空泵的抽吸，进入气水分离器。分离出来的气体排入大气，分离出来的水与工作水补充水一同进入热交换器进行冷却。冷却后的工作水分为2路：一路经喷嘴喷入水环泵入口，冷却凝汽器来的气汽混合物，提高真空泵的抽吸能力；一路直接进入真空泵作为工作水，维持真空泵的水环和水环的温度。
3改造前存在的问题及原因
3.1存在的问题及原因分析
改造前冷端系统运行状况不佳，2013年西安热工院对惠州热电分公司两台机组开展能耗诊断时指出，1号机组凝汽器实际运行性能低于设计水平约0.6kPa左右，2号机组凝汽器实际运行性能低于设计水平约0.5kPa左右，主要原因为凝汽器脏污，夏季抽真空装置抽吸能力不足等。经现场诊断分析，影响真空泵抽吸能力的主要原因为真空泵工作水温度偏高，具体原因如下：
真空泵冷却水温度偏高，多年平均水温约25℃，夏季最高可达33℃。真空泵冷却水取自凝汽器进水管排回凝汽器回水管，其流动压差较小，冷却水流量偏小。真空泵冷却水为海水，由于其流速小，导致真空泵冷却器管束结垢较为明显，严重影响换热效果。根据试验研究结论，当凝汽器压力为7kPa时，吸入口混合物温度、转速、工作水流量不变的情况下，工作水进口温度从25℃升高到30℃，真空泵的抽吸能力将下降约50～60%。因此，国华惠电公司对真空泵系统优化的重点在于降低真空泵工作水温度。
3.2工作水温度过高对凝汽器真空的影响
在凝汽器内，由于容积很大的蒸汽被冷凝成水，体积骤然变小（如在50kPa的压力下，干蒸汽与水的体积之比约为28000），从而使凝汽器内蒸汽压力远小于大气压力，产生了高度真空。凝汽器内的蒸汽压力就是蒸汽凝结温度对应的饱和压力。电厂运行中，为保证凝汽器内的高度真空，除保证循环水系统的正常工作外，还应保证抽气器及真空系统的正常工作。抽气器的主要功能是连续、及时地将凝汽器中不凝结性气体抽出，以维持凝汽器良好的换热作用和真空。因而抽汽设备的工作效率必然影响凝汽器的工作特性。相反，凝汽器工况变化往往引起抽气口混合物温度的变化，从而改变抽气器的工作特性。
水环式真空泵的性能与被抽吸气体的状态、工作水的温度及性质有关，通常只给出规定条件下的特性曲线。当实际工作条件与规定条件不同时，必须对其特性曲线进行修改。由道尔顿定律知，真空泵的绝对压力等于气体分压力和饱和水蒸气压之和。水温度越高，饱和蒸汽压力就越高，相对应泵腔内的绝对压力也越高，这样对水环泵所能抽到的真空度也就越低，同时工作水除起传递能量的媒体作用外，还起到密封工作腔和冷却气体等作用，因此，降低工作水温度可以提高水环泵的理论极限真空。工作水温度越低则极限真空越高且相同吸入口压力下的抽气量越大，从而在凝汽器压力很低的情况下，水环泵能够抽出凝汽器内的大量不凝结气体。工作水的温度对吸气量的影响很大，水温升高，抽气量减少。在其他条件不变的情况下，对于水环泵，工作水温度升高，对应的饱和蒸汽压力升高，抽气量减少，使得水环泵抽吸空气量减少，空气在凝汽器内积聚，影响凝汽器换热效果；抽气口的气汽混合物中的空气分压增加，总压也随之增加，使得凝汽器的背压升高，真空度下降，还将使凝结水中含氧量增加，对低压设备产生腐蚀，严重影响凝汽器的性能。由此可见，水环泵的工作水温度对凝汽器的真空度、抽气量均有影响，因此必须保障工作水温度正常。
3.3汽水分离器水位对真空泵出力的影响
汽水分离器水位过低将导致真空泵内流量过小，使其传递能量和冷却气体能力下降，密封性变差，密封水温升高，引起泵的工作状况恶化，影响真空。而汽水分离器水位过高又会使液环泵内充满液体，不能形成空腔，从而造成液体循环泵工作失灵。真空泵的补水联锁设计为：的那个分离器水箱水位不大于25%时，自动开启密封水补水电磁阀；当水位不小于55%时，自动停止补水。实际运行中，经常发现分离器容易满水或者真空泵机封处没水滴溢出的现象，这也是影响真空泵出力的因素之一。
4改造技术方案
4.1设计选型
为使凝汽器达到极限真空，真空泵应达到的临界要求为在凝汽器压力的情况下抽汽量等于漏空气量，在这种情况下真空泵工作水需求温度与真空严密性、冷却水温度、冷却水流量、凝汽器热负荷、抽汽压降有较为密切的对应关系。针对惠州热电分公司机组，在凝汽器处于额定热负荷和100%循环水流量的情况下，不同漏空气量时循环水温度与理论工作水极限温度的对应关系计算结果如表1所示。
可以看出为使真空泵获得良好的工作状况，在循环水温度25℃时（多年平均温度）真空泵工作水温度不应超过32℃。而实际真空泵工作水出口温度运行数据平均值约为33℃，可见真空泵基本上在较为临界的工况运行，因此改造只需将真空泵工作水温度在现有的基础上降低2~3℃即能满足运行要求。真空泵工作水设计流量流量18t/h，根据热量守恒可以计算出所需计算板式换热器换热量应为60KW。中央空调冷冻水温度为11℃，冷冻水回水温度按22℃设计，冷冻水流量约为5t/h。实际设备选型考虑换热器脏污等异常情况，板式换热器按100KW换热量选型，总换热面积约为16㎡。
4.2混合气体量的确定
真空抽气系统需处理的混合气体来源于汽轮机组运行中处于真空状态下的系统及设备的不严密处漏入的气体、工质中携带的各种不凝结气体、以及水蒸汽等。它们的数量取决于真空系统的范围及严密性、凝汽器设备结构尺寸及性能的完善程度、运行工况调整（特别是轴封系统的运行状况）等因素，而这些因素主要是由汽轮机组的容量决定。一般来说，机组容量越大，其数量越大。对于在役机组，目前各国尚无相应的技术标准，在进行技术改造时，应遵循真空抽气系统处理混合气体的能力与凝汽器的需求相适应的原则。在选型设计前安排进行原配射水抽气器的性能试验、机组真空系统泄漏量的测试（约为58kg/h干空气）、真空严密性试验（约为800Pa/min），掌握机组真空抽气系统的实际工作状态及对抽吸能力的要求，这是技术改造能否成功的关键。
4.3选择真空抽气装置的类型
凝汽式汽轮机组真空抽气系统配置的抽气器主要有射水抽气器、射汽抽气器及水环真空泵。射水抽气器由于结构简单、工作可靠、投资成本低，成为现役国产汽轮机组抽气器的首选，但耗水量大，耗电多，运行成本高的缺点也是十分突出的。水环真空泵具有集成化强、占地面积小、系统故障少、维修方便、工作适应范围大（既能作为启动抽气器，又能承担维持真空运行）、节电节水的特点。射汽抽气器，就节电节水而言，不亚于水环真空泵，但射汽抽气器在设计工况下要求工作蒸汽压力定压运行，否则其性能将会恶化，对于单元制运行的机组，特别是负荷变动比较频繁的机组，其适应性受限制。
4.4系统布置方案
本次改造在原每台真空泵冷却器后（工作液侧）串联布置一板式冷却器，使用集控楼和电子间中央空调冷冻水进一步对真空泵工作液进行冷却，板式冷却器工作液和冷却液进回水均设置隔离阀，并设置旁路，装设旁路隔离阀，故障时可退出板式冷却器。板式冷却器冷冻水侧母管装设电动调节阀，同时在每台真空泵分离器出口工作水管道和真空泵循环水母管装设温度测点上传至DCS，通过调门的开度控制冷冻水流量，从而实现对真空泵工作水温度控制，确保真空泵工作水温度与循环水温度偏差在理想状态。
4.5提高真空泵出力的其他措施
一是定期清洗真空泵工作水冷却器。采用定期切换真空泵运行的方法，使工作水冷却器切换后能及时进行清洗，保证真空泵达到较好的工作条件。二是降低工作水补水温度。将真空泵工作水补水由凝结水杂用水供给改由闭式水供给。其方法为：由闭式水供水母管引出1路管道至真空泵工作水补水母管，并在该段管道上加装1个节流孔板、1个止回阀及用于观察节流孔后管道压力的压力表；在原凝结水杂用水供真空泵工作水补水的管理上加装1个手动截止阀、1个止回阀，便于切换操作和设备检修隔离。三是调整真空泵的补水连锁。汽水分离器水位过高或过低对真空泵工作性能都有较大的影响，通过观察与比较将补水连锁进行调整，方法是：当水箱水位不大于30%时，自动开启补水电磁阀；当水箱水位不小于45%时，自动关闭补水电磁阀。
5改造效果及方案优点
国华惠州热电分公司在2014年和2015年分别利用两台机组环保近零排放改造停机机会完成两台机组真空泵冷却系统改造，1号机组于2014年12月8日投产，2号机组于2016年1月15日投产。改造后机组经济性和设备运行稳定性都有显著提高。
5.1改造效果
改造后真空泵工作液温度较低，真空泵抽吸能力提高，在相同条件下改造后机组真空较改造前明显降低。在同负荷、同循环水温度的情况下，1号机组真空较2号机组真空提高约0.7kPa。经对改造前后机组运行数据的长期对比分析，可以证明改造后较改造前相同凝汽器热负荷、循环水温度、循环水量的条件下，本改造方案能够提高机组真空0.5~0.6kPa，折合降低发电煤耗约1.5g/kWh[10]，按5000利用小时计算，年节约标煤约0.25万吨。
5.2改造优点
本方案仅需在每台真空泵系统增加一套板式换热器及管路系统，一台机组投资约20万元，较其他现有成熟改造方案相比投资最少。本方案为原冷却器后串联板式换热器，在有效利用的原系统的冷却效果的条件下依据工况特点有针对性的的降低工作液温度。计算需增加换热功率约60kW，而中央空调的能效比EER＞3.0，因而实际增加电功率消耗仅约20kW。本方案旨在从根本上改善水环真空泵的工作状态，因此较其他方案更加安全可靠，适应性更强，主要体现在以下方面：
在较大裕量设计的情况下，使水环真空泵的运行对原冷却水的依赖性降低，原冷却水量小幅减少或原换热器效果下降不会对真空泵运行产生影响，可使真空泵长期在良好的状态下运行。两路冷却水源可互为备用，即使一路水源中断仍可维持真空泵运行。真空泵工作液温度的降低提高了真空泵的抽吸能力，在保持相同真空的情况下抽出的不凝结气体能力更大，对于应对不同凝汽器漏汽量的情况较其他方案有更好的适应性。真空泵冷却液温度的降低改善了真空泵的工作条件，有效防止真空泵汽蚀，提高了真空工作的稳定性。新增的板式换热器应用成熟可靠，故障率低，维护简单，维修费用少。板式换热器两侧水质较好，不易出现结垢等影响换热效果的因素，可长时间免维护。同时由于中央空调冷冻水水质满足真空泵工作液水质要求，因而及时出现板间泄露也不会对真空泵的运行产生影响。
6结束语
水环式真空泵工作液温度对于对真空泵的抽气能力有决定的影响因素，降低真空泵工作液温度能够有效提高真空泵的抽吸能力和极限，从而提高机组的经济性。通过对现场长期运行数据的分析和研究，诊断出国华惠州热电分公司机组真空泵工作液温度偏高，对机组真空产生了影响。针对这个问题，国华惠州热电分公司通过计算分析并结合现场实际情况，采用在原真空泵冷却器后串联一个板式换热器，利用中央空调冷冻水针对性的降低真空泵工作液温度，有效的提升了真空泵的抽吸能力，使机组平均真空提高约0.5kPa。同时，也有效的改善了真空泵的运行状况，提高了抽真空系统的可靠性和稳定性。
参考文献：
[1]任仕成，吴兴智，许大伟.水环式真空泵冷却水源改造提高机组经济性的探讨.贵州电力技术.2014，17（4）：40-41.
[2]周兰欣，付文锋，白中华等.抽气器出力不足对凝汽器真空的影响《汽轮机技术》，2008，50（1）：46-48
[3]陈晓东.加装大气喷射器的水环式真空泵工作特性分析.热电技术，2009（4）：40-42.
作者简介：
许恒（1983年5月），男，山东枣庄人。工程师，硕士学位，从事的生产技术管理工作。121807102@qq.com。
论文作者:许恒
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/11
标签：真空泵论文; 凝汽器论文; 工作论文; 机组论文; 真空论文; 水温论文; 温度论文; 《电力设备》2017年第36期论文;