火电机组凝汽器抽真空系统节能改造

陈 鑫， 程 石， 郑敏聪

(中电华创电力技术研究有限公司， 上海 200086)

冷源损失是火力发电机组中占比最高的能量损失源，凝汽器作为与冷源损失密切相关的汽轮机冷端设备，其工作性能的好坏对整个发电机组的安全经济运行都有十分重要的影响[1]。凝汽器抽真空系统能够吸除凝汽器内的空气和不凝结气体，提高有效真空，减小传热阻力，其高效稳定的运行对凝汽器内热量的传递和真空的维持起到关键作用。目前，凝汽式汽轮机组的常规抽真空设备为水环式真空泵(简称水环泵)，水环泵具有技术成熟、运行稳定的特点，但也存在一些普遍缺点：选型易偏大，选型时考虑机组快速启动，水环泵的出力往往裕量较大，耗电量大；抽吸能力受环境温度影响大，夏季抽吸能力下降容易造成真空波动；易发生汽蚀，易导致振动和裂纹问题，降低设备可靠性[2]。

针对水环泵的缺点，目前应用较多的有2种抽真空系统优化路线：一是采用蒸汽喷射抽真空系统，在原真空系统中加装蒸汽喷射器及其辅助设备，利用射流引射原理，使用高压蒸汽抽吸真空系统中不凝结气体，替代原真空泵系统；二是在真空系统中加装小功率气冷罗茨真空泵(简称罗茨泵)与小功率水环泵串联布置成罗茨-水环真空泵组，罗茨泵是容积式泵，具有可靠性好、效率高的特点。原水环泵用来建立真空和运行备用，罗茨泵用来维持真空。笔者结合具体改造案例对2种路线的技术性和经济性进行比较分析。

1 改造实例

机组1为600 MW等级超临界机组，型号为N640-24.2/566/566。为防止水环泵汽蚀造成设备的抽吸能力和可靠性降低，机组采用加装凝汽器蒸汽喷射器的方式对抽真空系统进行技术改造。 机组2为1 000 MW等级超超临界机组，型号为N1050-26.25/600/600。为达到节约厂用电量和提高机组真空度的目的，机组采用加装凝汽器蒸汽喷射器的方式对抽真空系统进行技术改造。机组3为660 MW等级超超临界机组，型号为N660-25/580/600。因原水环泵组选型较大，为达到节能目的，机组抽真空系统进行罗茨- 水环真空泵组改造。

蒸汽喷射抽真空系统的示意图见图1。

图1 凝汽器蒸汽喷射抽真空系统示意图

蒸汽喷射抽真空系统的工作原理是：高压蒸汽从喷射器的喷嘴喷出形成高速射流，因射流卷吸作用在喷嘴出口的混合室内形成高度真空的负压区，对凝汽器内的空气和不凝结气体产生抽吸作用，高速蒸汽和抽吸气体的混合物进入扩压管，动能转化成压力势能，有一定压力的混合气体进入冷凝器冷却，冷凝水返回凝汽器热井，剩余的少量蒸汽和不凝结气体再由后置的小功率水环泵或蒸汽喷射器抽出[3]。该系统一般包括：蒸汽喷射器、冷凝器(管式换热器)、后置抽吸设备及配套的控制系统。在后置抽吸设备选择上，机组1使用小功率水环泵，机组2使用额外串联的蒸汽喷射器。使用小功率水环泵作为后置抽吸设备具有启动迅速、系统简单的优势，但会消耗部分电能；而串联蒸汽喷射器不需要耗电，但增加系统的复杂性，降低了设备可靠性。

罗茨-水环真空泵组的示意图见图2。

图2 罗茨-水环真空泵组示意图

罗茨-水环真空泵组的工作原理是：罗茨泵是泵壳内装有2个相反方向同步旋转的叶形转子的一种变容真空泵，该泵组采用罗茨泵与小功率水环泵串联布置，在罗茨泵和小功率水环泵之间增加管式换热器，一方面降低小功率水环泵入口气体的温度，提高其运行效率，另一方面冷却后的气体可进入罗茨泵腔体内冷却转子。罗茨泵可提高小功率水环泵的进气压力，有效避免汽蚀。

2 技术性分析

表1是抽真空系统改造后各台机组的真空度和功率提升状况对比。

表1 改造后机组的真空度和功率提升状况对比

机组1真空系统改造后的性能试验中，真空度下降速度是100 Pa/min，属于优良水平，可见在真空严密性较好的情况下，机组凝汽器热负荷较大时使用蒸汽喷射抽真空系统可小幅提升真空度。机组2真空系统改造性能试验在冬季进行，循环水温低，机组真空度高，投运喷射器提升真空度较小，为0.21 kPa，但低压缸排汽压力的相对提升可达5.60%。

对比蒸汽喷射器与原水环泵的多种运行工况，发现蒸汽喷射器的抽吸能力明显强于水环泵，在凝汽器热负荷大或真空严密性差时，抽吸能力强的优势明显，真空度提升较大；反之，在凝汽器热负荷小或真空严密性好时，抽吸能力强的优势体现不明显，真空度提升较小。在机组真空度很高时，如冬季工况，使用蒸汽喷射器提升的真空度对机组的出力和热效率影响较小。由于抽吸能力的差别，蒸汽喷射系统与原水环泵系统一般不能同时运行，否则会造成水环泵低流量喘振。

机组3真空系统改造后的性能试验中，使用高效罗茨-水环真空泵组替代原水环泵使凝汽器真空度提升0.46 kPa，但提升幅度略小于机组1的蒸汽喷射系统，这是因为罗茨-水环真空泵组本身的抽吸能力并没有大幅度强于原水环泵组，其主要的作用在于防止水环泵汽蚀和节约厂用电。

实际运行中，发现2种方案都有一些不足：蒸汽喷射器所需动力蒸汽参数较高，运行中负责供汽的辅助蒸汽系统需维持较高压力，辅汽联箱的供汽回路需从四级抽汽改为高压缸排汽，机组1和机组2都存在类似问题，对机组的热效率产生一定影响。蒸汽喷射器实际消耗的动力蒸汽流量也较设计值偏高,可能与蒸汽参数不完全匹配有关，在非设计工况下喷射器运行效率下降明显。喷射器运行时动力蒸汽与部分抽吸蒸汽冷凝形成的凝结水排入凝汽器热井，凝结水泵耗功会小幅增加。罗茨-水环真空泵组在机组真空严密性恶化时受限于自身出力无法有效维持真空，并且在机组启动时无法替代原水环泵建立真空，其无法完全替代原水环泵，造成改造后设备的维护工作量较之前有所增加。

3 经济性对比

抽真空系统改造带来的节能收益主要来自2个方面：一是凝汽器真空提高带来的机组供电煤耗下降，二是抽气设备相对于原水环泵的节能效益。表2是3台改造机组的年均节能效益指标，年利用小时按4 500 h、煤价格按700元/t、上网电价按0.35元/(kW·h)计算。计算方式是先根据标准煤耗下降计算年节约煤，根据厂用电下降计算年节约厂用电量，再求和得出年均总节能收益。

表2 改造后机组的年均节能效益指标

对于蒸汽喷射器耗能的计算，因其主要利用蒸汽热能驱动，其消耗的高压蒸汽做功后形成乏汽冷凝回收，因此其耗用高压蒸汽的总焓就是其能耗。计算机组煤耗变化时，根据耗用蒸汽总焓改变蒸汽在炉内吸热量的计算，获得汽轮机热耗率的变化，最终得出蒸汽喷射器耗能对标准煤耗的具体影响。

从总节能收益上看，蒸汽喷射抽真空系统改造方案收益略高于高效罗茨-水环真空泵组改造方案，这是因为蒸汽喷射抽真空系统驱动能主要来源于蒸汽热能，只少量消耗或完全不消耗电能，使用低品位热能驱动抽气设备使得耗能成本大幅下降；相对而言，虽然罗茨泵节电效果显著，但它的主要驱动力仍然来源于高品位的电能。

从项目投资额上看，蒸汽喷射抽真空系统方案投资额高于罗茨-水环真空泵组方案，这是因为蒸汽喷射抽真空系统本身设备多，对原系统改动大。从投资回报上看，罗茨-水环真空泵组方案的投资回收期短，蒸汽喷射抽真空系统方案在考虑长期回报时占优势。

4 改造方案选择

蒸汽喷射抽真空系统和罗茨-水环真空泵组改造方案特点不同，针对特定机组做方案选择时应根据其真空严密性、循环水温度、机组启停频繁程度、设备检修维护质量等综合权衡决定。如机组启停频繁，则后者不太适用，因启动时其无法建立真空；如循环水温偏高，机组真空度偏低，可考虑抽吸能力强的前者；如机组维护管理差，采用蒸汽喷射器方案容易造成真空泄漏，因为蒸汽喷射系统的管路和阀门较多，又处在负压区。方案选择最主要的考虑因素是机组真空严密性：严密性好时采用后者能获得较好的节能效果，并且其具有运行稳定、维护量小的特点；严密性差时采用前者可维持或提高真空度，保证机组运行的安全性和经济性。经过多台机组改造后运行状况对比，总结出根据机组容量和真空度下降速度选择改造方案的方法，具体见图3。

图3 抽真空系统改造方案选择方法

从图3中可看出：机组容量小时，罗茨-水环真空泵组方案对真空严密性适用范围较广，因机组容量小相应抽真空系统所需出力也小，罗茨-水环真空泵组能满足其要求，并且对系统改动小，运行维护量小，所以在较大的真空严密性范围内适用罗茨-水环真空泵组；随机组容量增大，抽真空系统所需抽吸能力增加，若真空严密性较差，罗茨-水环真空泵组维持真空困难，需考虑蒸汽喷射抽真空系统方案，其抽吸能力强，在满足抽吸不凝结气体的基础上还可小幅提升真空度，节电和节能效果明显。

5 结语

通过实际改造案例，对比研究了蒸汽喷射抽真空系统改造和罗茨-水环真空泵组改造，得出以下结论：

(1) 从技术指标上分析，2种方案都能满足抽真空系统的需求并能小幅提升机组真空度，蒸汽喷射抽真空系统方案的抽气能力更强，对机组真空度的改善更明显，实际运行中两种方案也各自存在一些不足，可继续完善。

(2) 从节能指标上分析，2种改造方案都能达到降低煤耗和节约厂用电量的效果，因为蒸汽喷射器的主要驱动力来源于低品位热能，所以节能效果更显著。

(3) 改造方案的选择主要与机组容量和真空严密性密切相关。在机组容量小、真空严密性好时，罗茨-水环泵组方案较优；随机组容量增大或真空严密性恶化，抽吸能力强的蒸汽喷射抽真空系统方案更为适用。