空冷机组冷端抽真空系统综合优化改造

河北蔚州能源综合开发有限公司 孙 林 孙占斌 任妍慧 朱志远 曲桂阳

中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院 李燕平 高世杰

1 研究背景

对于火电机组，抽真空系统内每提高1kPa的真空，机组的带负荷能力可提高约1%，通过改善真空可显著提高降耗节能效果、并实现机组安全稳定运行的目的[1]。

现阶段，其他机组针对火力发电厂的冷端优化分析，在空冷机组中主要关注真空系统的严密性、凝汽器管束的洁净度、循环水流量及温度等常规影响真空的因素，然而对于真空泵本身的工作性能对真空的影响重视程度尚显不足。本文目标是提高机组的真空度，使机组的经济性得到改善。

首先，寻找影响机组真空的主要因素，制定合适的改进方案，对机组抽真空系统进行优化，以上述方案为依据，使机组热效率得到提高，发电煤耗降低，从而达到节能降耗的目的。国内外的研究者们已经对水环真空泵单体设备的性能、设计方法和运行效果进行了研究，并取得了一定的成果。然而，对于整个水环真空泵系统性能的优化，其研究仍不够深入和全面。

真空泵工作液在夏秋季节等环境温度较高的工况下运行时，由于温度的升高，使其饱和压力在相应的压力下增加，从而直接影响真空泵的出力，显著影响机组的经济性。要解决真空泵工作液温度的问题，需要有针对性地进行分析，才能找到真正有效的解决方案。

因此，对机组进行系统改造较为有必要，如针对真空泵工作液冷却方式进行系统改性的改造，对真空泵换热器进行改造，或结合多种方式进行抽真空系统综合改造等[2]。通过对本文的充分研究，可为本厂进一步实现节能降耗的效果，确保机组高效稳定运行，对火电厂的节能降耗有着重要意义。

2 真空泵影响因素分析

研究真空泵系统内不同因素对真空度的影响并针对性改造，需要排查影响系统抽真空的主要因素。

2.1 抽气装置构成分析

本厂机组为超超临界直接空冷机组，汽轮机低压汽缸排汽经蒸汽管道进入由轴流风机抽吸入空冷岛的环境空气，经椭圆形扁平基管将铝翅片的管束内，经水环式真空泵将热量输送至管束外，由水环式真空泵抽出不凝结气体（含少量蒸汽）。

2.2 机组真空低

在机组运转正常的情况下，水环式真空泵为了保证和保持排汽装置的真空状态，需要不断地抽出排汽装置中的不凝结气体。水环式真空泵工作液温度对其抽吸性能影响较大，特别是在吸气口压力较低的情况下抽气效果更好。

由于真空泵在工作过程中本身就会产生热量，并且会吸收被抽吸的水蒸气所释放的气化潜热，所以随着工作液循环次数的增多，液温会逐渐升高，真空泵的抽吸能力会明显下降，从而对机组的经济性造成严重影响。因为工作液温度升高，尤其是夏秋两季环境温度较高加剧了工作液的温升，使得排汽装置中不凝结气体比重增大，机组真空下降，背压升高。

2.3 水环式真空泵汽蚀特性分析

由于水环真空泵内的工作液温度升高，泵内水分子发生汽化，产生气泡，当泵内空腔压力低于饱和蒸汽压力对应的工作液温度时。这些气泡随着叶轮一起运动，当旋转到排出口附近时，由于水环压力明显升高而导致气泡破裂。周围的水分子迅速填充了原有的汽泡空间，导致水环内的水分子产生局部的水锤作用，从而产生了高噪音的运转，被称为“汽蚀”。在汽蚀状态下，真空泵的吸力会迅速衰减。

2.4 水环真空泵工作液温度过高

如果真空泵的工作液是以汽轮机冷凝水为补充的，那么为了使工作液的温度保持在其汽化温度以下，从而避免引起泵的气蚀，因为工作液在泵体内做功产生热量的同时又吸收了空冷凝汽器内抽出气体的热量，需要不断地冷却系统内往复做功的工作液[3]。对于该问题有多种优化方案，首先是选择更加低温的冷却水源。机组工业用水可以提供冷却水，水温比较低。或将真空泵工作液引入制冷机进行冷却，另加热交换器，将冷却水取至制冷机进行冷却，以保证真空泵冷却水循环效果，并能达到真空泵工作液所需温度的要求。

该方案的问题在于不易实现对真空泵工作液的有效散热，如未设置足够容量的制冷设备，或远距离换热不便的空间布置等，对原有设备条件要求较高。需要通过外置制冷装置来降低冷却水温度，这是基于现有冷却水无法满足真空泵工作液冷却需求的实际情况。制冷设备的选取稳定可靠的压缩式制冷机，同时为保证真空泵正常备用，避免冷却水故障后真空泵无法运行，可采用由制冷机对循环水间接换热，优点是系统运行相对稳定，且对原有系统改造量较小。不过该方案对真空泵冷却液冷却效果有较大影响，需结合现场实际情况进行分析。

2.5 真空泵抽吸力不足

在原有真空泵的基础上增加锥体式水环真空泵作为额外的抽气装置。在夏季运行时，水环真空泵的额外抽气装置中增加了锥体泵。锥体泵可在冬季气温较低的情况下单独运行，以达到节约工厂用电的目的。同时，可以优化锥体泵的运行方式，设定为具备启动条件的设备，只有满足以下两个条件，锥体泵才能自动启动：一是处于运行状态的水环泵；二是锥体泵进水口压力（真空）达到设定值；不然锥体泵处于闭锁状态。如果运行中出现水环泵故障而跳闸，或进水口真空低于设定值，锥体泵就会自动停止运行或闭锁运行；反之，锥体泵故障停运，水环泵就不会停用，依然维持在运转状态。

3 优化方法

为了切实解决本厂存在的上述问题，有以下几点优化方向：一是真空泵工作液深度冷却技术。采用一套高效冷却装置对真空泵工作液冷却优化，改造后真空泵加装制冷系统，制冷系统分为冷却水侧和冷冻水侧。冷却水侧的来回水与闭冷水系统的来回水相连。冷冻水是通过真空泵的板式换热器与真空泵中的介质水进行热交换，可有效地降低真空泵的工作介质水温，提高真空泵的抽吸能力的一种相对封闭的自身循环系统。

二是抽真空系统换热降温。在真空泵进口管道处加装管壳式换热器，利用制冷机产生的冷却水进行冷却，使真空泵母管内抽吸的蒸汽可以充分接触换热，蒸汽凝结使其对应的饱和压力即相应减小，相应地提高了真空。

三是优化真空泵系统运行方式。本实施案例在原抽真空泵母管并联一套稳定、高效、故障率低的锥体式水环抽真空装置，极限真空为2.7kPa，以适应冬季运行工况、低负荷工况以及后续的机组深度调峰工况。加装后，针对现有抽真空设备及后续加装的高效锥体真空泵进行整体运行优化。结合环境温度切换真空泵运行工况，冬季气温较低时，采用高效锥体真空泵单独运行节省厂用电量；气温较高时，与原真空泵并联运行，提高机组经济性同时降低水环真空泵的汽蚀、叶片水蚀风险。系统投运后，原真空泵用于机组启动或连续大负荷且环境温度高的工况，投运时间少；新抽真空系统用于机组稳定运行维持机组背压工况，基本全工况运行；入口冷却装置全工况运行。

4 改造实施

4.1 具体改造方案

为水环真空泵工作液深度冷却改造，本次增设水环真空泵工作液外接冷却系统1套。采用技术成熟的压缩式制冷机组，并在冷却系统中配置1套保证真空泵工作液温度达到设计温度的可靠电气自控柜，使系统运行自动控制。

真空泵工作液综合冷却优化：采用一套高效冷却装置对真空泵工作液冷却优化。制冷机将原来30℃的冷却水降到15℃，装置出水三路，一路接入热交换器；一路与抽真空设备连接；最后一路与原真空泵工作液冷却水并列运行。

抽真空母管降温改造：在真空泵入口管道处加装减温装置，利用冷冻水进行降温换热，使进入真空泵的蒸汽体积减小，提高机组真空。

优化抽真空泵运行方式：机组原真空泵设计抽汽量7200m³/h，功率185kW。查阅历史趋势，正常运行时单台真空泵电流在260A 左右，可以发现真空泵存在一定程度上选型偏大的问题。本次新增椎体真空泵适应机组大部分运行工况。在系统投运后针对原有抽真空设备及本项目新增抽真空设备进行整体运行优化后，结合机组运行工况灵活切换抽真空设备的运行状况。

制冷机组：采用1台PLM-410WS 水冷式螺杆冷水机组，出水温度为7℃可调，制冷量为410kW（352600kCal/hr），每小时制冷量为409kW。此机组蒸发器为高效内外螺纹紫铜管材质壳管式蒸发器，外径φ12.77mm，壁厚0.75mm；冷凝器为高效外螺纹紫铜管材质壳管式蒸发器，外径φ15.88mm，壁厚1.1mm。

外接系统：外接系统主要有制冷机系统、自动控制系统、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、阀门执行机构等，工作流程如图1所示。真空泵工作液泵由冷冻泵送至制冷机，工作液经制冷机热交换器冷却后再次进入真空泵换热器与真空泵母管换热减温装置，使真空泵工作液达到闭式循环冷却的目的，同时实现对真空泵吸入不凝气体的降温效果。引入经散热后的开式水为制冷机系统提供冷却，从而带走制冷机转移与本身产生的热量。

图1 真空泵-制冷机循环系统

4.2 改造优化效果

经过本次综合改造，原真空泵用于机组启动或连续大负荷且环境温度高的工况，投运时间少；新抽真空系统用于机组稳定运行维持机组背压工况，基本全工况运行；入口冷却装置全工况运行。该套装置采用DCS 控制，可远程和就地操作。按原机组运行方式启动真空系统；机组开机后运转正常，在真空度保持稳定的情况下，投入新的锥体真空泵组，将原抽真空设备切除，留作系统内备用，以保持真空度。

原抽真空设备中的1至2台真空泵为适应机组对抽真空的要求，在机组真空系统出现严重渗漏，新增锥体真空泵组真空度不够的情况下投入使用。系统改造前后，机组正常运行主要以新增锥体真空泵组维持机组运行所需真空度。新增锥体真空泵组遇到检修或出现设备故障问题时，以原有抽真空设备确保真空要求。

加入制冷设备后，真空泵冷冻装置投运后工作液温度降低至约15℃，共提升抽真空约0.8kPa，降低供电煤耗约1.51g/（kWh），而冷冻装置的能耗量约为104kWh。以此前平均负荷400MW，煤价800元/t、发电煤耗300g/（kWh）进行计算，在夏季温度较高的90天区间内，真空泵冷冻装置全程投入获得的节能收益如下式（单位：元）：

S=1.51×400×800×10-3×90×24=1.045 ×106

而由此产生的耗煤成本，如下（单位：元）：

s=104×300×10-6×90×24=5.39×104

数据表明，在改造投入运行后，机组效益明显增加，仅夏季投运冷冻水时约可节约9.912×105元的成本。

真空泵系统优化后，正常投运，冬季低背压工况下可节电50%，冬季温度较低的90天，约可节省3.732×105元的电力成本，结合制冷优化共可节省1.36×106元的成本。

当前，国内经济迅速发展，对于发电行业的要求也日益加深。目前，火电行业所面临的节能降耗压力较大，在未来的发展中节能降耗依然是火电行业发展的一个重要课题。通过本文的研究，可充分掌握影响真空泵系统运行的因素，为火电厂的经济运行提供保证，为国内经济迅速发展提供保证。

随着国家“双碳”目标方案的实施，节能减排工作迫在眉睫。本文通过对抽真空系统进行全面的研究分析，给出具体的研究方法和改造建议，并应用于实践，使得机组真空度得以有效地提高，以往的研究改造通常是以单一或部分设备为主，从系统方面来处理同类问题的问题相对较少，因此，本次优化改造在设计、施工、安装、安装等方面都有较大的改进。