气冷罗茨真空机组在热电厂的应用

左进峰

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)

工业化应用

气冷罗茨真空机组在热电厂的应用

左进峰

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，上海 200540)

热电厂抽凝式汽轮机原配置的水环式真空泵存在选型偏大、效率较低等问题，经过对气冷罗茨真空机组特点的分析，确定增加一台气冷罗茨真空机组与原水环式真空泵混合使用。在机组启动时使用原水环式真空泵，机组正常运行时使用气冷罗茨真空机组，不仅节约了大量电能，而且汽轮机凝汽器的真空也有一定程度的提升，取得了很好的经济效益。

气冷罗茨真空机组 水环式真空泵 节能 热电厂

中国石化上海石油化工股份有限公司热电部6号汽轮发电机组(以下简称6号机组)为该部主力供热发电机组，汽轮机型号为CC100-8.83/3.8/1.47，型式为单轴、双缸、双排汽、双抽汽、反动式、凝汽式汽轮机。机组配套两台水环式真空泵，型号为AT-1006，在正常情况下为一用一备方式运行。真空泵的主要作用是将凝汽器内的不凝结气体、空气混合气体抽出，以维持凝汽器的高真空[1]。但原真空泵选型偏大，造成维持凝汽器真空的电能消耗较大，不利于机组经济性的提高，也不能满足国家提倡节能降耗的要求。另外，水环式真空泵转动部件受汽蚀冲刷较大，容易发生损坏，检修费用较大。因此需对此进行研究，并提出改进的措施，达到降低真空泵能耗的目的，并尽可能进一步提高凝汽器真空。

1 水环式真空泵基本情况

6号汽轮机装备的2台水环式真空泵原叶轮与泵体安装时，两者中心并不重叠，设置存在偏心[2]。在启动前向泵体内注入一定量的二级除盐水作为工作液，当叶轮按照顺时针转动时，因离心力作用，叶轮带动工作液在泵体内表面上形成一个与泵体形状类似的等厚水环。水环内表面的上部与叶轮的叶根处相切，下部略高于叶顶，在叶轮轮毂与水环之间形成了若干个大小不一的空腔。从上部开始按顺时针方向观察，空腔体积由小变大，下部达到最大后，逐渐变小。因此当叶轮转动时，空腔体积不断扩大，压强降低，则从吸入孔不断吸入混合气体，待转过180°时，空腔体积不断减小，压强逐步提高，气体通过排气孔排除，实现了抽吸不凝结气体和空气的过程。

水环式真空泵主要参数见表1。

表1 水环式真空泵主要参数

2 水环式真空泵存在的主要问题

2.1 选型过大，实际运行处于不经济状态

汽轮机凝汽器的设计目的是以纯凝工况条件为依据，满足汽轮机各种运行工况，并能长期、连续、安全运行。而实际工况中，机组基本上没有纯凝工况，实际排入到凝汽器中的蒸汽远小于纯凝工况。另外，水环式真空泵的选型要求是其运行时能满足汽轮机在各种负荷工况下，抽出凝汽器内的空气及不凝结气体的需要，启动时，2台真空泵并列运行，并满足启动时间的要求。因此，在凝汽器严密性能够做到较好的情况下，正常运行时，原真空泵明显是选型过大，电耗较高，造成能源浪费。

2.2 汽蚀对设备的影响

如果出现压力低于其温度对应的饱和压力，水环式真空泵工作液形成的水环就会出现汽化，并形成汽泡。当汽泡运行至超过饱和压力区域时，汽泡内蒸汽将会凝结，汽泡破裂引起周围水快速填充该区域。如果发生在叶轮表面附近，则对叶轮形成了冲击，该冲击频率很高，且瞬间压力达到30 MPa。叶轮受到高频冲击，薄弱处和冲击频次较多之处会出现麻点甚至是凹坑，造成叶轮的损坏。虽然不锈钢叶轮相比铸铁叶轮要有明显的抗汽蚀性，但仍会有缓慢损伤，并造成真空泵效率下降，叶轮和真空泵的维修增加了检修费用。

2.3 效率较低

目前水环式真空效率较低，一般为30%左右，尚有较大的改善空间。

2.4 在夏季时极限真空较低

水环式真空泵受制于工作液温度，在夏季工作液温度较高时，其性能和出力会下降，从而影响凝汽器的真空，降低汽轮机的经济性。

尽管存在以上缺陷，但是水环式真空泵具有结构简单，运转平稳，工作时气体压缩是等温过程，可以抽除可燃性气体等优点，并且其没有排气阀和摩擦表面，可以抽除可凝性气体及汽水混合物，因此还是获得到了较为广泛的应用。在汽轮发电机组中，它已经取代了射水抽气系统。但是在如今强调节能降耗，精细化管理的背景下，其效率、耗能较多的问题也显得比较突出，因此，效率更高的气冷罗茨真空机组得到越来越多的应用。

3 气冷罗茨真空机组的特点及应用方案

3.1 气冷罗茨真空机组简介

气冷罗茨真空机组主要由气冷罗茨泵、水环式真空泵、换热器、气体分离器、配套电动机以及配套的管路、仪表设备组成。

该机组中水环式真空泵的功率比汽轮机原配套的水环式真空泵小很多，只有水环式真空泵功率的15%左右。

罗茨泵工作原理与罗茨风机类似，如图1所示。

(a)第一次吸气 (b)第一次排气

(c)第二次吸气 (d)第二次排气
图1 罗茨泵的工作原理

运行时罗茨泵吸气口与凝汽器来管道相连，经过两个相互咬合的转子一个圆周的转动，有4个体积为V的腔室内的气体排入到出口。可以看出气体在泵内部未被压缩，但与排出口相通时，因排气口处压力较高，排气口外气体冲进体积为V的腔室内，气体才被压缩。压缩是瞬间的，且不连续，气体压缩及泵内摩擦产生的热量如果无法带走，则会造成罗茨泵温度的升高。采用气冷方式，带走热量的个体为气冷罗茨泵，其工作原理如图2所示。在罗茨泵的两侧设置冷气返回口，向泵内体积为V的腔室提供一定的冷气，冷气来自罗茨泵出口的换热器末端经冷却的气体。连续冷却将使得气冷罗茨泵可以在任意压力下启动，一般当罗茨泵处于中间级或者第一级时需要配备气冷结构。

(a)左侧转子与汽缸间的空腔内进入冷气

(b)左侧转子与汽缸间的空腔即将排气

(c)左侧转子与汽缸形成空腔内气体排出、冷却

3.2 气冷罗茨真空机组的特点

由于有较高的加工与安装精度，气冷罗茨泵的转子与转子之间、转子与泵壳之间并不接触，只有很小的间隙。转子之间不需使用润滑，从而摩擦损失小，降低了驱动功率，可在较高转速下运行。因此气冷罗茨泵具有运转维护费用低、抽速大、效率高等特点，并且对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感，特别是配置气冷后，可以在任意压力下启动，并能够在进口建立高度真空。

气冷罗茨真空机组中采用气冷罗茨泵后面再串联一台小型液环真空泵的配置，经过罗茨泵第一步压缩后，使液环真空泵吸入口压力增加。这样可以充分发挥两台设备的优势，因此气冷罗茨真空机组有如下特点：

(1)机组电能消耗很低，节能效果明显。与选用单独的气冷罗茨泵或单独水环式真空泵相比，采用气冷罗茨真空机组均能大大降低电能的消耗，机组与单独水环式真空泵耗能比约为1∶5。

(2)气冷罗茨真空机组可以在高压差下工作，用于凝汽器时可以建立更高的真空[3]。串联水环式真空泵可以降低气冷罗茨泵的前后压差，而水冷式真空泵有较高的排气压力，因此机组可以在高压差下工作。

(3)气冷罗茨真空机组可以减少水环式真空泵的汽蚀。气冷罗茨泵的换热器对进入水环式真空泵的气体预冷却，减少进入水环式真空泵的热量，降低水环式真空泵工作液的温度，因此可以减少水环式真空泵的汽蚀，并且抽气量也有了保证。

3.3 气冷罗茨真空机组的应用方案

6号机组原真空泵单机出力是120 kg/h(夏季最大)，可维持机组正常运行。经市场调研，国内某厂2BW9型高效气冷罗茨真空泵机组的单机出力是360 m3/h(相当于465 kg/h)，可以满足凝汽器抽汽的需要。针对气冷罗茨真空机组的特点，并结合相似汽轮机组真空泵的配置情况，确定6号机组采用增加1套2BW9型高效气冷罗茨真空泵机组，同时保留原水环式真空泵的方案。

(1)不改变原有水环式真空泵等抽气设备及系统的功能和作用。

(2)增加1套2BW9高效气冷罗茨真空泵机组，与原两台水环式真空泵并联使用，布置在两台水环式真空泵一侧，进口管道由原水环式真空泵入口管道接入，具体如图3所示。

图3 气冷罗茨真空机组现场安装情况

(3)汽轮机组在启动拉真空时使用两台原水环式真空泵，当凝汽器真空达到稳定并能维持真空状态后，启动2BW9气冷罗茨真空机组，停原水环式真空泵，并保持联备状态。

(4)当汽轮机组运行过程中出现凝汽器真空快速下降或者气冷罗茨真空机组无法维持凝汽器真空时，紧急启动一台原水环式真空泵。

2BW9气冷罗茨真空机组主要参数见表2。

表2 气冷罗茨真空机组主要参数

4 气冷罗茨真空机组的应用效果及节能分析

气冷罗茨真空机组安装完成后，通过动态调试，正常投入运行，原来2台真空泵停机做备用。投运后气冷罗茨真空机组运行十分稳定，能够保证汽轮机的安全运行。凝汽器真空在同工况时相比原两台水环式真空泵的平均值提高0.1 kPa。同时，因两台真空泵备用，能减少其修理费用，而且气冷罗茨真空机组自身的水环式真空泵也会因为减少汽蚀而减少修理费用。

气冷罗茨真空机组投用后在相同运行工况下运行电流下降194.4 A，改造后3个月的节能情况如表3所示。

表3 改造后3个月的节能情况

由表3可以看出：气冷罗茨真空机组在6号机组的改造产生了十分良好的效益，不到一年即可收回成本，如果再考虑凝汽器真空提升和节省的检修费用，改造的节能效果更好。

5 结语

气冷罗茨真空机组在汽轮机正常运行时投用，汽轮机启动时使用原水环式真空泵拉真空，这一混合使用方式能够很好的保证汽轮机安全运行，大量节约电能，降低了厂用电率，有很好的经济效益。在一定程度上还能提升凝汽器真空，提高了汽轮机整体运行的经济性，对热电厂的抽凝式汽轮机有推广价值。

[1] 韩丽娜，李绍刚，王刚.凝汽器抽真空系统的节能改造[J].华电技术，2016(5)：70-72.

[2] 罗勤俭,赵燕凯.新型罗茨真空泵在莱州电厂的应用[J].技术应用，2017(2)：291-292,294.

[3] 宋哲.罗茨-水环真空泵组在电厂节能改造中的应用[J].电力安全，2015(12)：51-52.

Application of Air-cooled Roots Vacuum Unit in Thermal Power Plant

Zuo Jinfeng

(ThermalPowerDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.,Shanghai200540)

The water-ring vacuum pump originally configured with the extraction condensing steam turbine in the thermal power plant has advantages of large size and low efficiency.Based on analysis of the characteristics of the air-cooled Roots vacuum unit,it is determined to add an air-cooled Roots vacuum unit to use cooperatively with the original water-ring vacuum pump.The original water-ring vacuum pump is used at the starting period of unit,and the air-cooled Roots vacuum unit is used in normal operation of the unit,which not only saved a lot of power,but also increased the vacuum degree of condenser of steam turbine,and achieved good economic benefits.

air-cooled Roots vacuum unit,water-ring vacuum pump,energy-saving,thermal power plant

2017-04-06。

左进峰，男，1977年出生，2000年毕业于西安交通大学热能与动力工程专业，工程师，主要从事热电生产管理工作。

1674-1099 (2017)03-0030-05

TM621.9

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