凝汽器水环式真空泵工作液冷却系统的优化改造

林万安，宋澜波，张 卫，付岳峰，邓永康

（湖南华菱涟源钢铁有限公司能源总厂，湖南娄底 417009）

1 凝汽器真空问题概述

凝汽器真空系统对于电厂运行非常重要，直接影响电厂的经济性和系统运行的稳定性[1]。水环真空泵是建立和维持汽轮机机组的低背压和凝汽器真空的成套装置，正常运行时，真空泵为一用一备，不断地抽出由不同途径漏入汽轮机及凝汽器的不凝结气体。凝汽器配套选用水环式真空泵的大小，是根据凝汽器干空气泄漏量的大小来确定。如果不及时将凝汽器中泄漏的干空气及时抽出来，汽轮机组的运行稳定性很难保证。相关研究表明，凝汽器真空每提高1 kPa，机组带负荷能力提高约1%，改善真空可达到降耗节能的目的[2]。

华菱涟钢能源总厂拥有多套煤气锅炉-汽轮机发电机组，凝汽器均配套采用水环式真空泵，工作原理如图1 所示，运行中发现工作液温度直接影响机组的真空。在实际运行过程中，由于循环冷却水系统的能力问题，真空泵工作液长期处于较高的运行温度（≥35 ℃），夏季尤为明显。真空泵能抽吸到的极限真空为工作液温度对应的饱和压力，当工作液温度达40 ℃时，对应的饱和压力为7.4 kPa，此时可建立的极限真空达到8 kPa 以上，再提高抽吸能力也无法突破这个极限值。如果可以将工作液温度稳定到20 ℃以下，对应饱和压力为2.4 kPa，对应可建立的极限真空可以达到3.3 kPa 以内，则真空度存在提升空间[3,4]。

图1 水环式真空泵工作示意图

综上所述，真空泵工作液温度对其抽吸能力有直接影响，而真空泵的抽吸能力则直接影响机组的经济性。因此，本文针对真空泵工作液温度对真空和汽机负荷的影响展开研究，以指导进行全厂真空泵工作液冷却系统的下一步改造[5,6]。

2 可行性试验

能源总厂现有3 套M251S 型燃气-蒸汽联合循环（CCPP）发电机组，总机组容量为50 MW，其中，余热锅炉机组采用凝汽器式汽轮机组，汽机发电负荷为22 MW，采用冷却塔工业循环冷却水系统进行冷却。汽轮机凝汽器配备2台肯富来水环式真空泵（一用一备），型号为2BW4 203-0MY4，工作液（脱盐水）流量为10 m³/h，补充工作液流量为0.5 m³/h，冷却水流量为16 m³/h，吸入压力为88～1013 kPa，排出压力为1015 kPa，抽汽量1128 m³/h，抽速为7.5～18.8 m³/min。进气温度20 ℃，进水温度15 ℃，设计极限压力为3.3 kPa。

为了验证真空泵工作液温度对汽机真空和负荷的影响，在CCPP 机组上进行了实验研究，本试验是在保持燃机负荷基本不变的情况下，控制真空泵冷却水流量，调节真空泵工作液温度，观察真空及机组负荷的变化趋势。如图2 所示，随着冷却水流量减少，燃机负荷基本维持在25 MW 左右，工作液温度从29.2 ℃升高至39.7 ℃，此时，真空从-92.8 kPa 降到了-91.7 kPa，真空下降1.1 kPa。随着冷却水的复投，工作液温度从39.7 ℃逐渐回降到29.5 ℃，真空上升到-92.7 kPa，上升1.1 kPa。

图2 汽轮机负荷和真空随温度的变化趋势

如图3所示，随着真空泵工作液温度的上升，汽轮机发电负荷逐渐下降，工作液温度从29.2 ℃升高至39.7 ℃，对应的负荷从20.28 MW 下降到19.82 MW，负荷下降约460 kW。重新投入冷却水后，工作液温度恢复至29.5 ℃，此时负荷从20.05 MW 上升至20.385 MW，负荷增加约335 kW。由此可见，降低真空泵工作液运行温度能够显著提高凝汽器的真空度和汽轮机的发电效率。

图3 汽轮机负荷随工作液温度的变化趋势

3 系统改造方案

能源总厂发电二车间的CCPP 联合循环发电机组利用溴化锂制冷机组对燃机进气进行冷却，以提高夏季高温条件下燃机的带负荷能力。利用这个条件，总厂通过对真空泵冷却水系统进行改造，从溴化锂制冷机的冷冻液管接出一个旁路连入原真空泵板式换热器上的循环冷却水管上，如图4所示。溴化锂制冷机组可稳定提供8 ℃至12 ℃的冷冻水，由于管道存在热损，实际到达燃机的冷冻液温度维持在15 ℃左右。

图4 真空泵冷却系统改造示意图

4 改造效果

项目改造完成后，技术设备科组织车间进行了工作液冷却试验，观察工作液温度对汽轮机真空和负荷的影响。在维持燃机负荷一定的情况下，通过控制冷冻水流量调整工作液温度，在每个温度点稳定运行一段时间后，记录发电机组的运行数据，试验数据如表1所示。

表1 联合循环机组各参数的变化趋势

如图5 所示，试验第一阶段随着冷冻水流量减小，工作液温度逐渐升高，从22.2 ℃上升至40.8 ℃，此时汽轮机的真空逐渐降低，从-93.7 kPa下降到-89.5 kPa，真空度降低达4.2 kPa。试验第二阶段，逐渐增加冷冻水流量，工作液温度逐渐降低，从40.8 ℃下降到20.9 ℃，真空从-89.5 kPa 恢复到-93.6 kPa，真空提高达4.1 kPa。

图5 汽机真空随工作液温度的变化趋势

如图6 所示，试验期间除了因煤气热值波动导致燃机负荷波动的少数情况外，其他大部分时间燃机负荷基本维持在26.05 MW 左右。因此，余热锅炉的蒸汽量大部分时间也基本维持稳定，主蒸汽平均流量为78.4 t/h，补汽平均流量为4.3 t/h，因此汽轮机负荷受燃机和余热锅炉的影响较小，对后面的分析不会造成太显著的影响。

图6 燃机和余热锅炉的运行参数变化趋势

如图7 所示，在保持燃机和余热锅炉运行较为稳定的前提下，真空泵工作液温度的变化对汽轮机的发电效率造成了一定的影响，汽机所带负荷呈现出一定的变化。工作液升温期间，温度从22.2 ℃上升至40.8 ℃，汽机负荷则从21.88 MW 下降到20.6 MW，负荷下降1280 kWh。当工作液温度从40.8 ℃下降到20.9 ℃时，汽机发电负荷从20.6 MW 上升到22.05 MW，负荷增加1450 kWh。此时，负荷变化基本与1 kPa 真空影响汽机效率1%的理论对应一致。

另外，13 组试验数据，真空提高汽机负荷降低是由于燃气轮机受煤气热值波动导致其负荷有所降低，余热锅炉的蒸汽流量也有2 t/h 的波动，从而导致汽机负荷明显下降。

图7 汽轮机发电负荷随工作液温度的变化趋势

为了进一步确认实际运行过程中，真空泵工作液温度对汽轮机真空以及发电负荷的影响，利用溴化锂制冷机组检修时间补充了一系列试验，试验数据如表2 所示。只投入燃气轮机进气冷却，燃气轮机和汽轮机负荷均会增加，汽轮机真空会有略微下降。在燃气轮机投入进气冷却后，进行真空泵工作液冷却系统的切换，工作液温度分别有10 ℃和14.3 ℃的变化，此时燃气轮机负荷受到的影响较小，汽轮机真空分别有3.3 kPa 和2 kPa 的增长，汽轮机负荷分别增加了600 kWh和560 kWh。

表2 制冷系统投退对汽机运行的影响

5 结论

降低真空泵工作液温度可增加真空泵的抽吸能力，提高汽轮机的真空，而真空的提升则显著提高机组的发电效率。试验当天，其他条件保持不变的情况下，制冷系统和循环冷却水系统的倒换影响真空2 kPa 左右，影响汽机负荷500 kWh。夏季高温季节，工作液和循环冷却水温度将会更高，制冷系统的投入对真空的提升将会更加明显。因此，可以利用制冷装置优化改造真空泵冷却系统，降低真空泵运行时的工作液温度，提高机组的发电效率。