(河北省电力勘测设计研究院 石家庄 050031)
摘要：机组的类型及背压型式的不同，真空泵的配置方案也不尽相同。本文通过详尽的分析，论证了配置3台不同容量的真空泵，相比350%真空泵方案，初投资相似，正常运行时可以减少电耗77kW。每台机每年可以少花费44.6万元，并且给以后的运行维护、管理带来一定的优势，故推荐2100%容量的水环式机械真空泵和一台罗茨真空泵方案。
关键词：350MW； 超临界机组；真空泵选型计算
Abstract:In the face of different type of unit and back pressure type, the configuration of vacuum pump is not the same. Through detailed analysis, it is demonstrated that the 3 vacuum pumps equipped with different capacities are similar. Compared with the 3 sets 50% vacuum pumps, the initial investment is similar, and the power consumption can be reduced by 77kW at normal operation. Each year can spend 446 thousand yuan, and after the maintenance, operation and management to bring some advantages, so it is recommended to water ring type mechanical vacuum pump 2 sets 100% capacity and a Roots vacuum pump scheme.
1 工程技术条件
某电厂预建设2台350MW国产高效超临界、湿冷汽轮发电机组，本工程汽轮机、凝汽器及给水泵汽轮机的主要技术参数如下：
1) 汽机：采用单轴、一次中间再热、三缸二排汽、抽汽凝汽背压式高效超临界机组，汽轮机的蒸汽参数为24.2MPa/600℃/600℃。VWO工况下，汽轮机的排汽量为584.44t/h。
2) 凝汽器：采用单壳体、单背压、单流程凝汽器，凝汽器面积23000m2，凝汽器设计背压为4.9kPa。
3) 给水泵汽轮机：给水系统配置1台100%容量的汽动给水泵和1台100%容量的给水泵汽轮机，给水泵汽轮机的排汽独立接入小机凝汽器，给水泵汽轮机的排汽量为59.02 t/h。
循环冷却水的水温：13~32℃。
2 问题的提出
凝汽器是汽轮机组的重要辅机，凝汽器的真空高低，直接影响火电厂经济运行。大容量凝汽式发电机组在凝汽器背压高于设计值时，凝汽器背压每升高0.1kPa，机组煤耗约增加0.28g/kWh。凝汽器真空降低的原因很多，凝汽器内的空气等不凝结气体在凝汽器管束周围表面形成气膜，严重影响凝汽器的传热性能，导致真空降低。维持凝汽器真空的重要设施是设置合理的凝汽器抽真空系统。
目前，300MW以上的机组均采用效率较高、运行稳定性好的水环式真空泵，而不采用射汽抽气器、射水抽气器等。附图是水环式真空泵、射水抽汽器和射汽抽气器在启动工况下的性能比较图。
从图中可以看出，在5KPa吸入压力下，三者均具有100%容量的抽吸能力，水环式真空泵在低真空下的抽吸能力却远远大于射水、射汽抽气器在同样吸入压力下的抽吸能力。并且真空泵组运行自动化程度高，操作安全简便。而射水、射汽抽气器则相对复杂得多。射水、射汽抽气器运行中由于一些因素的影响，如水泵出口压力低、水位低、滤网堵等可引起机组掉真空而跳机。因此本工程排除掉射汽抽气器抽真空的方案。
3 凝汽器抽真空系统的拟定及真空泵的选型
3.1凝汽器抽真空系统的拟定
按照《火力发电厂凝汽器相关管道及抽真空系统设计技术导则》，本工程的抽真空系统有如下两种设计方案：
a)每台机组配置3台水环式机械真空泵，一台100%容量的和2x50%容量的水环式机械真空泵，机组正常运行时，运行一台100%容量的或者一台50%容量的，机组启动时，三台真空泵同时投运。
b)每台机组配置2100%容量的水环式机械真空泵和一台罗茨真空泵。机组正常运行时，罗茨真空泵运行，机组启动时2100%容量的水环真空泵运行。
因此，本文结合真空泵的选型对改进后的方案a)和方案b)进行技术经济比较，以确定真空泵配置方案。
3.2 真空泵的选型
真空泵选择的基础数据主要包括凝汽器的抽干空气量，真空泵的设计抽气压力，真空泵入口处的抽气温度。这些数据都可以根据HEI《表面式凝汽器标准》(以下简称HEI标准)计算获得。
3.2.1 抽干空气量
1) 根据热平衡图，凝汽器排汽总和为汽轮机的排汽加上给水泵汽轮机的排汽再加上疏水，即584.44+59.02+147.11=790/h；
2) 主机排汽至凝汽器的开口数。本机组虽然每个低压缸均为双排气，但是双排汽合并后再与凝汽器对接，这样开口数为1；
3） 查HEI标准表9可得凝汽器的抽干气量为：112.5 lbs/hr =51kg/h。
3.2.2 真空泵的设计抽气压力
根据HEI标准，真空泵的设计抽气压力为3.4kPa(a)或凝汽器设计压力，取二者中的较小值，也应结合汽轮机阻塞背压、凝汽器和抽真空设备的可能运行的压力范围来综合考虑。本工程采用3.4 kPa(a)。
3.2.3 真空泵的设计抽气温度
根据HEI标准，真空泵的设计抽气温度等于真空泵设计抽气压力对应的饱和蒸汽温度与设计抽气过冷度之差值。设计抽气过冷度等于0.25ITD与4.16℃之大者。对于大容量湿冷机组，方案a）和b)的设计抽气温度皆为21.95℃。
3.2.4 真空泵的容积流量
对应不凝结气体的分压力为3.39-2.634=0.756kpa.a。按理想气体考虑（Pv=RgT，空气的摩尔质量为28.97x10-3，Rg=R/M=8.3145J/(mol.K)/M=287J/(kg.K)）。
则0.756kpa.a的分压力下不凝结气体（近似为空气）的比容为：
287*（273.15+21.95）/756=112.03（m³/kg）
0.756kpa.a的分压力下75kg/h的不凝结气体的容积流量为：
112.03*75=8402.3m³/h
此容积流量也是凝汽器75kg/h的抽干气量相应的气汽混合物的总容积流量。
因此，当真空泵的设计抽气压力为3.39kpa.a，设计抽汽温度为21.95℃（过冷度为4.16℃）时，本工程凝汽器抽真空系统的设计抽气总容积流量至少为8402.3m³/h。此时，随不凝结气体一起抽出的饱和水蒸气的质量流量为8402.3/51.643=162.7kg/h，折合358.7lbs/hr，与HEI表9的结果346.5lbs/hr相当。
综合上述，无论方案a）和b）在泵的选型上是没有区别的。
3.3经济性比较
目前真空泵型式主要有双级锥体泵（佶缔纳士），单级平板泵（同方泵业）和双级平圆盘泵(鹤见)。其中双级泵的极限抽吸能力可以达到2.6kPa，单级泵的极限抽吸能力在3.4kPa，对于机组背压较低的情况，单级泵需要配置大气喷射器增加抽吸能力、克服汽蚀，在机组背压低于4.1kPa时，需要投入大气喷射器。下面以双级椎体泵和单级平圆盘泵为例，进行经济性比较。真空泵选型的结果见表3.2-2。
从上表可以看出，在机组正常运行时，采用罗茨真空泵的运行功率约为23kw，按年运行小时数6000小时计算，可节省电量保守为（100-23）x6000=462000kwh，与水环式真空泵运行工况相比节电率77%，按0.372元上网电价计算，年增加效益约17万元。
另一方面罗茨真空泵具有强劲的抽吸能力（极限真空压力小于400pa，而水环泵的极限真空压力为3400pa），且受工作水温度和大气温度变化的影响极小，能快速将空气抽出到真空系统外，使凝汽器的传热性能提高，从而使得凝汽器的真空值只受循环水温度的制约。特别是在夏季，与水环真空泵相比，在相同的循环水温度下可提高真空值，从而可增加发电量。罗茨真空泵可确保真空在循环水温度达到30℃以上时，真空比原真空泵运行时抬高100~300pa，由此可降低发电煤耗平均值0.5 克/kwh，按平均240MW 负荷运行6-9 四个月(高水温工况)，年节省标准煤保守为345 吨，按目前电煤价格（折算到标准煤）800元/吨计算，年增加效益27.6 万元。
因此罗茨真空泵可为电厂带来总效益为17+27.6=44.6万元。
由上述分析可知，采用方案a和方案b初投资基本持平，占地空间基本相同，但运行效益方案b可以节省44.6万元。
4 结论
通过对真空泵配置方案可行性和经济性的分析，我们得出结论：采用方案b每台机组配置2100%容量的水环式机械真空泵和一台罗茨真空泵相比方案a每年增加收益44.6万元，并且在运行维护上都占有一定优势。故推荐采用2100%容量的水环式机械真空泵和一台罗茨真空泵的方案。
作者简介
赵雅旋（1980—），女，高级工程师，主要从事火电厂热机专业设计工作
论文作者:赵雅旋,马盟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
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