中小型机组真空系统选型及节能研究

(上海市机电设计研究院有限公司，上海 200040)

1 引 言

汽轮发电机组在启动初期建立凝汽器真空以及运行过程中保持凝汽器真空都需要抽真空系统来实现。常规凝汽器抽真空系统的设计范围为凝汽器抽空气接口至抽真空系统设备的排大气管道排出口，包括抽真空设备以及之间的连接管道、阀门及附件。凝汽器抽真空系统的抽真空设备主要有水环式真空泵、射水抽气器和射汽抽气器等。

1.1 水环式真空泵抽真空系统

水环式真空泵由泵体、叶轮、吸气口、排气口等组成，属于变容积式泵。水环式真空泵的工作原理为：叶轮偏心的安装在泵体中，泵体中装有适量的水作为工作介质。由于叶轮偏心安装，当叶轮旋转时，水在离心力的作用下形成一个偏心封闭水环，水环与叶轮轮毂之间的形成一个月牙形的空腔，当叶轮旋转至与吸气口相通时，空腔的容积由小变大，气体被吸入，吸气终了时空腔与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，空腔的容积由大变小，使气体被压缩，空腔与排气口相通时，气体被排出泵外。

水环式真空泵抽真空系统流程图

水环式真空泵抽真空系统由水环式真空泵、汽水分离器、板式换热器组成，系统流程图如上图所示，中小型机组系统配置为：每台机组配置2×100%容量的水环式真空泵，机组启动时，为加快真空建立，2台真空泵同时运行，正常运行时一用一备。

1.2 射水抽气器抽真空系统

射水抽气器抽真空系统由射水泵、射水箱和射水抽气器组成，其工作原理为：射水箱中的工作水经射水泵升压后进入射水抽气器水室，经射水抽气器喷嘴将工作水的压力能转化为速度能，高速水流从喷嘴射中射出使得水室中形成高度真空的负压区，凝汽器中的汽气混合物被吸入水室，工作水和汽气混合物一起进入射水抽气器的扩散管速度降低而压力升高，最后排出扩散管进入射水箱。射水箱通常为具有较大容积的开放式水池，通过自然蒸发、对流散热对工作水进行冷却，该系统的工作水为工业水，考虑工作过程中的损失，射水箱还应设置有工业水补水管。

射水抽气器抽真空系统配置为：每台机组配置2×100%容量的射水抽气器，机组启动时2套射水抽气器同时运行，，用于减少启动抽真空时间，正常运行时2 套射水抽气器一用一备。

1.3 射汽抽气器抽真空系统

射汽抽气器抽真空系统的工作原理为：射汽抽气器的工作介质为过热蒸汽，其工作原理与射水抽气器工作原理相似，工作蒸汽先经过射汽抽气器喷嘴将蒸汽的压力能转变为速度能，降压后的蒸汽从喷嘴中高速喷出在蒸汽室中形成高度真空的负压区，使凝汽器中的汽气混合物被吸入蒸汽室内，工作蒸汽和汽气混合物一起进入扩散管速度降低而压力升高，最终进入冷却器进行冷却，不凝结气体以略高于大气压的压力排出，凝结水经疏水阀排至凝汽器加以回收。启动射汽抽气器无冷却器，射出的蒸汽和空气混合物经消音器直接排向大气。

射汽抽气器抽真空系统配置为：每台机组配置2×100%容量运行射汽抽气器和1套启动射汽抽气器。机组启动时启动射汽抽气器投运，正常运行时运行射汽抽气器一用一备。启动射汽抽气器的汽源通常由主蒸汽或辅助蒸汽提供，运行射汽抽气器汽源一般由低压抽汽提供。

1.4 性能比较

抽真空设备的性能主要分两部分，一是启动性能，二是持续运行性能。下面就从这两个方面进行分析比较。

(1)启动性能

抽真空设备的启动性能直接影响凝汽器建立真空所需时间，表1是不同容量的汽轮机组分别设置不同的抽真空设备在启动工况下的性能参数比较见表1。

表1各种型式抽气器启动工况性能参数表

机组容量抽真空设备凝汽器平均背压从101.3kPa(a)至34kPa(a)的抽真空时间(min)凝汽器平均背压从34kPa(a)至4.9kPa(a) 的抽真空时间(min)18MW凝汽式汽轮机两级射汽抽气器507230MW抽汽凝汽式汽轮机射水抽气器285015MW抽汽凝汽式汽轮机水环式真空泵51430MW抽汽凝汽式汽轮机水环式真空泵1.73

从上表可以看出，在汽轮机启动工况下，水环式真空泵建立真空所需时间远远小于使用射水抽气器或者射汽抽气器建立同等真空所需的时间。

(2)持续运行性能

抽真空设备的持续运行性能能够直接反应出抽真空设备在额定运行工况下的经济性能指标，是决定抽真空设备性能的关键指标，表2是不同容量的汽轮机组分别设置不同的抽真空设备在持续运行工况下的性能参数比较见表2。

表2各种型式抽气器持续运行工况抽吸能力及单位耗功

机组容量抽真空设备吸入压力/kPa抽吸干空气量/kg·h-1计算耗功/热/kW单位耗功/热/kWh·kg-118[]MW凝汽式汽轮机两级射汽抽气器4.915.31278.3030MW抽汽凝汽式汽轮机射水抽气器420452.2515MW抽汽凝汽式汽轮机水环式真空泵4.917191.1230MW抽汽凝汽式汽轮机水环式真空泵4.922200.91

从上表可以看出，在持续运行工况下，水环式真空泵的单位耗功仅为射水抽气器单位耗功的40%～50%，而水环式真空泵的单位耗功仅为两级射汽抽气器单位耗热量的10%左右。

综上所述，抽真空设备的性能无论从启动性能方面比较，还是从持续运行性能方面比较，水环式真空泵均大大优于射水抽气器和射汽抽气器。

1.5 选型推荐

水环式真空泵除了在性能方面大大优于射水抽气器和射汽抽气器以外，还有运行自动化程度高、操作安全简捷方便，汽水损失较小，结构紧凑、占地面积小，检修、维护周期长，检修工作量小等优点。因此，虽然水环式真空泵一次性投资较大，但在新建中小型机组中已被广泛采用，文中接下来仅针对水环式真空泵抽真空系统进行相关的研究及讨论。

2 水环式真空泵抽真空系统存在的问题

2.1 水环式真空泵能耗较高

水环式真空泵的能耗较高，主要有设计选型偏大和真空泵效率偏低两个方面的原因。

国内真空系统设计选型原则主要参照HEI《表面式凝汽器标准》，为了在机组启动时快速建立真空，或者在机组的真空严密性受到破坏时维持较高真空，通常设计中选择的真空泵抽吸能力较高。而在实际运行中，凝汽器真空是依靠蒸汽凝结成水、体积大大缩小而形成的。真空系统严密性合格时，漏入凝汽器的空气量较少，较低的抽吸能力就可以满足维持凝汽器真空的需要。以某型号为N25的汽轮机为例，设计工况下，真空泵的抽干空气能力为22 kg/h，配置的电动机功率为37 kW，而实际运行中，根据真空严密度评价指标，N25汽轮机的合格漏气量约为4.86 kg/h，允许漏气量为8.1 kg/h。因此，实际运行中，真空泵的选型存在大马拉小车的情况，导致耗能偏高。

另外，水环式真空泵自身的特点决定了泵的效率较低，一般为30%～50%，导致真空泵的耗能较高。

2.2 水环式真空泵抽吸能力降低

水环式真空泵抽吸能力降低，主要跟水环式真空泵的工作水温度相关。真空泵的工作水温度偏高，超过真空泵吸入口压力对应的饱和温度时，工作水就会发生汽化现象，导致水环式真空泵的效率降低，泵抽吸干空气的能力大幅下降。据某电厂实际运行经验，30 MW 机组水环式真空泵的工作水温度从23 ℃上升到36 ℃时，泵抽吸干空气的能力减少了30%左右。因此，水环式真空泵工作水温度高是导致真空泵抽吸能力降低的主要影响因素。水环式真空泵工作水温度升高的常见原因有：(1)工作水冷却器的冷却水温度过高，常规设计中工作水冷却器的冷却水取自冷却塔的循环冷却水，夏季运行工况时，循环冷却水温度偏高，导致冷却器冷却效果降低，工作水温度升高。(2)当凝汽器的真空降低时，凝汽器的排汽压力升高，相应的排汽温度也升高，水环式真空泵进口吸入的汽(气)混合物温度同步提高，引起真空泵的工作水温度上升，进一步降低真空泵的抽吸能力。(3)真空泵工作水冷却器的换热效率偏低。(4)汽水分离器的补水常规设计取自就近的凝结水管，当凝汽器的排汽温度较高时，凝结水温度也相应升高，将温度较高的凝结水补入汽水分离器会导致工作水温度升高。

2.3 真空泵汽蚀问题

当凝汽器在额定排汽压力或更低的排汽压力工况下运行时，凝汽器内部达到高度真空，这时会出现真空泵内的工作水温度高于泵入口压力对应的饱和温度，工作水会在真空泵入口压力较低的区域发生汽化，工作水中产生汽泡，当泵内空腔旋转至排气区域时，由于压力突然升高，工作水中的汽泡会发生破裂，从而导致真空泵内发生汽蚀。汽蚀现象不仅会降低真空泵的效率，还会严重损坏真空泵的叶轮及其他部件，当汽蚀破坏到一定程度时，会使叶轮叶片断裂，导致真空泵彻底瘫痪。

3 水环式真空泵抽真空系统的节能改造

针对水环式真空泵抽真空系统存在的三个问题，真空系统的节能改造可以分别沿三种不同的技术路线来研究。

第一种技术路线侧重于降低真空泵的能耗。近年来，国内部分发电厂开始采用水环式真空泵前置蒸汽喷射器或高效罗茨泵来替代一部分真空泵的功能，相应的减小水环式真空泵的容量，降低真空泵的能耗。通过前置蒸汽喷射器和高效罗茨泵可以使得真空泵入口汽气混合物的压力升高，当真空泵入口压力高于其工作水温对应的饱和压力时，即可避免真空泵内发生汽蚀现象。因此，配置小容量的水环式真空泵不但可以降低真空泵的能耗，也可以避免真空泵发生汽蚀。

第二种技术路线主要从降低水环式真空泵的工作水温度方面着手。主要方法有改变工作水冷却器冷却水的水源，更换高效冷却器，冷却器的冷却水侧串联低温冷媒水等，另外，汽水分离器的工作水补水水源可以由凝结水改为温度更低的除盐水。不管是通过工作水冷却器侧间接降低工作水温度，还是直接补充更低温度的工作水，该技术路线都具有一定的局限性，只有在环境温度较高的季节，工作水温度的降低才能对机组真空的提高产生明显影响。

第三种技术路线在于避免水环式真空泵的汽蚀。避免水环式真空泵的汽蚀主要从两个方面入手，即“防”和“抗”。“防”即防止汽蚀，是指泵采取防汽蚀装置，比如在泵入口的真空端补入汽封，防止汽泡破裂造成对泵体结构的破坏；“抗”是指泵内的主要零部件如叶轮、叶片、泵体等采用抗汽蚀性能较好的不锈钢材质。通过“防”与“抗”的组合，可以有效的防止汽蚀对泵的损坏。

4 水环式真空泵抽真空系统节能改造的应用

对于水环式真空泵抽真空系统节能改造的技术应用，文中主要针对已建电厂来进行总结和分析。一是真空泵工作水冷却器的冷却水源的改造，对于冷却水源为循环冷却水的，增加来自工业冷却水的水源，两路水源可以自由切换，冬季运行时，使用循环冷却水，夏季运行时切换至工业冷却水，保证工作水温度不会太高；二是真空泵能耗方面的改造，目前较常见的方案是采用前置蒸汽喷射装置(或高效罗茨泵)与小容量水环式真空泵的组合，提高水环式真空泵入口压力，解决水环式真空泵抽吸能力降低、能耗较高、汽蚀等问题。三是真空泵汽蚀方面的改造，主要从设备本体着手，进行泵本体结构的改进，增强泵的抗汽蚀性能，提高泵的运行可靠性和工作效率。值得注意的是，影响真空系统运行的各种因素之间并不是独立的，而是会互相影响，因此水环式真空泵抽真空系统的节能改造不能单独考虑影响真空泵运行的某一因素，而是应该从提高真空泵吸入口压力(前置蒸汽喷射装置或高效罗茨泵)，降低水环式真空泵的工作水温度，减少真空泵的运行能耗等多方面来综合考虑，这样才能使水环式真空泵抽真空系统节能改造的效益最大化。

5 结束语

对于中小型汽轮发电机组来说，其单机容量小、主机参数低的特点使得机组效率跟大机组相比处于较低水平，又由于中小型机组普遍面临较大的成本压力，因此，挖据机组节能潜力、研究节能技术对中小型机组降低运行成本、提高经济效益具有重要意义。而抽真空系统设备的性能及效率对机组整体效率具有较大的影响，因此，中小型机组在进行抽真空系统设备选型和抽真空系统技术改造时，不能单纯追求设备安全、极限真空和抽吸能力等指标，还应兼顾系统能耗和运行效率，只有这样，才能有效提高机组的整体效率和运行经济性。