火電機組凝汽器抽真空系統(tǒng)節(jié)能改造

陳 鑫， 程 石， 鄭敏聰

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司， 上海 200086)

冷源損失是火力發(fā)電機組中占比最高的能量損失源，凝汽器作為與冷源損失密切相關的汽輪機冷端設備，其工作性能的好壞對整個發(fā)電機組的安全經(jīng)濟運行都有十分重要的影響[1]。凝汽器抽真空系統(tǒng)能夠吸除凝汽器內(nèi)的空氣和不凝結(jié)氣體，提高有效真空，減小傳熱阻力，其高效穩(wěn)定的運行對凝汽器內(nèi)熱量的傳遞和真空的維持起到關鍵作用。目前，凝汽式汽輪機組的常規(guī)抽真空設備為水環(huán)式真空泵(簡稱水環(huán)泵)，水環(huán)泵具有技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定的特點，但也存在一些普遍缺點：選型易偏大，選型時考慮機組快速啟動，水環(huán)泵的出力往往裕量較大，耗電量大；抽吸能力受環(huán)境溫度影響大，夏季抽吸能力下降容易造成真空波動；易發(fā)生汽蝕，易導致振動和裂紋問題，降低設備可靠性[2]。

針對水環(huán)泵的缺點，目前應用較多的有2種抽真空系統(tǒng)優(yōu)化路線：一是采用蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)，在原真空系統(tǒng)中加裝蒸汽噴射器及其輔助設備，利用射流引射原理，使用高壓蒸汽抽吸真空系統(tǒng)中不凝結(jié)氣體，替代原真空泵系統(tǒng)；二是在真空系統(tǒng)中加裝小功率氣冷羅茨真空泵(簡稱羅茨泵)與小功率水環(huán)泵串聯(lián)布置成羅茨-水環(huán)真空泵組，羅茨泵是容積式泵，具有可靠性好、效率高的特點。原水環(huán)泵用來建立真空和運行備用，羅茨泵用來維持真空。筆者結(jié)合具體改造案例對2種路線的技術(shù)性和經(jīng)濟性進行比較分析。

1 改造實例

機組1為600 MW等級超臨界機組，型號為N640-24.2/566/566。為防止水環(huán)泵汽蝕造成設備的抽吸能力和可靠性降低，機組采用加裝凝汽器蒸汽噴射器的方式對抽真空系統(tǒng)進行技術(shù)改造。 機組2為1 000 MW等級超超臨界機組，型號為N1050-26.25/600/600。為達到節(jié)約廠用電量和提高機組真空度的目的，機組采用加裝凝汽器蒸汽噴射器的方式對抽真空系統(tǒng)進行技術(shù)改造。機組3為660 MW等級超超臨界機組，型號為N660-25/580/600。因原水環(huán)泵組選型較大，為達到節(jié)能目的，機組抽真空系統(tǒng)進行羅茨- 水環(huán)真空泵組改造。

蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)的示意圖見圖1。

圖1 凝汽器蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)示意圖

蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)的工作原理是：高壓蒸汽從噴射器的噴嘴噴出形成高速射流，因射流卷吸作用在噴嘴出口的混合室內(nèi)形成高度真空的負壓區(qū)，對凝汽器內(nèi)的空氣和不凝結(jié)氣體產(chǎn)生抽吸作用，高速蒸汽和抽吸氣體的混合物進入擴壓管，動能轉(zhuǎn)化成壓力勢能，有一定壓力的混合氣體進入冷凝器冷卻，冷凝水返回凝汽器熱井，剩余的少量蒸汽和不凝結(jié)氣體再由后置的小功率水環(huán)泵或蒸汽噴射器抽出[3]。該系統(tǒng)一般包括：蒸汽噴射器、冷凝器(管式換熱器)、后置抽吸設備及配套的控制系統(tǒng)。在后置抽吸設備選擇上，機組1使用小功率水環(huán)泵，機組2使用額外串聯(lián)的蒸汽噴射器。使用小功率水環(huán)泵作為后置抽吸設備具有啟動迅速、系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢，但會消耗部分電能；而串聯(lián)蒸汽噴射器不需要耗電，但增加系統(tǒng)的復雜性，降低了設備可靠性。

羅茨-水環(huán)真空泵組的示意圖見圖2。

圖2 羅茨-水環(huán)真空泵組示意圖

羅茨-水環(huán)真空泵組的工作原理是：羅茨泵是泵殼內(nèi)裝有2個相反方向同步旋轉(zhuǎn)的葉形轉(zhuǎn)子的一種變?nèi)菡婵毡?，該泵組采用羅茨泵與小功率水環(huán)泵串聯(lián)布置，在羅茨泵和小功率水環(huán)泵之間增加管式換熱器，一方面降低小功率水環(huán)泵入口氣體的溫度，提高其運行效率，另一方面冷卻后的氣體可進入羅茨泵腔體內(nèi)冷卻轉(zhuǎn)子。羅茨泵可提高小功率水環(huán)泵的進氣壓力，有效避免汽蝕。

2 技術(shù)性分析

表1是抽真空系統(tǒng)改造后各臺機組的真空度和功率提升狀況對比。

表1 改造后機組的真空度和功率提升狀況對比

機組1真空系統(tǒng)改造后的性能試驗中，真空度下降速度是100 Pa/min，屬于優(yōu)良水平，可見在真空嚴密性較好的情況下，機組凝汽器熱負荷較大時使用蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)可小幅提升真空度。機組2真空系統(tǒng)改造性能試驗在冬季進行，循環(huán)水溫低，機組真空度高，投運噴射器提升真空度較小，為0.21 kPa，但低壓缸排汽壓力的相對提升可達5.60%。

對比蒸汽噴射器與原水環(huán)泵的多種運行工況，發(fā)現(xiàn)蒸汽噴射器的抽吸能力明顯強于水環(huán)泵，在凝汽器熱負荷大或真空嚴密性差時，抽吸能力強的優(yōu)勢明顯，真空度提升較大；反之，在凝汽器熱負荷小或真空嚴密性好時，抽吸能力強的優(yōu)勢體現(xiàn)不明顯，真空度提升較小。在機組真空度很高時，如冬季工況，使用蒸汽噴射器提升的真空度對機組的出力和熱效率影響較小。由于抽吸能力的差別，蒸汽噴射系統(tǒng)與原水環(huán)泵系統(tǒng)一般不能同時運行，否則會造成水環(huán)泵低流量喘振。

機組3真空系統(tǒng)改造后的性能試驗中，使用高效羅茨-水環(huán)真空泵組替代原水環(huán)泵使凝汽器真空度提升0.46 kPa，但提升幅度略小于機組1的蒸汽噴射系統(tǒng)，這是因為羅茨-水環(huán)真空泵組本身的抽吸能力并沒有大幅度強于原水環(huán)泵組，其主要的作用在于防止水環(huán)泵汽蝕和節(jié)約廠用電。

實際運行中，發(fā)現(xiàn)2種方案都有一些不足：蒸汽噴射器所需動力蒸汽參數(shù)較高，運行中負責供汽的輔助蒸汽系統(tǒng)需維持較高壓力，輔汽聯(lián)箱的供汽回路需從四級抽汽改為高壓缸排汽，機組1和機組2都存在類似問題，對機組的熱效率產(chǎn)生一定影響。蒸汽噴射器實際消耗的動力蒸汽流量也較設計值偏高,可能與蒸汽參數(shù)不完全匹配有關，在非設計工況下噴射器運行效率下降明顯。噴射器運行時動力蒸汽與部分抽吸蒸汽冷凝形成的凝結(jié)水排入凝汽器熱井，凝結(jié)水泵耗功會小幅增加。羅茨-水環(huán)真空泵組在機組真空嚴密性惡化時受限于自身出力無法有效維持真空，并且在機組啟動時無法替代原水環(huán)泵建立真空，其無法完全替代原水環(huán)泵，造成改造后設備的維護工作量較之前有所增加。

3 經(jīng)濟性對比

抽真空系統(tǒng)改造帶來的節(jié)能收益主要來自2個方面：一是凝汽器真空提高帶來的機組供電煤耗下降，二是抽氣設備相對于原水環(huán)泵的節(jié)能效益。表2是3臺改造機組的年均節(jié)能效益指標，年利用小時按4 500 h、煤價格按700元/t、上網(wǎng)電價按0.35元/(kW·h)計算。計算方式是先根據(jù)標準煤耗下降計算年節(jié)約煤，根據(jù)廠用電下降計算年節(jié)約廠用電量，再求和得出年均總節(jié)能收益。

表2 改造后機組的年均節(jié)能效益指標

對于蒸汽噴射器耗能的計算，因其主要利用蒸汽熱能驅(qū)動，其消耗的高壓蒸汽做功后形成乏汽冷凝回收，因此其耗用高壓蒸汽的總焓就是其能耗。計算機組煤耗變化時，根據(jù)耗用蒸汽總焓改變蒸汽在爐內(nèi)吸熱量的計算，獲得汽輪機熱耗率的變化，最終得出蒸汽噴射器耗能對標準煤耗的具體影響。

從總節(jié)能收益上看，蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)改造方案收益略高于高效羅茨-水環(huán)真空泵組改造方案，這是因為蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)驅(qū)動能主要來源于蒸汽熱能，只少量消耗或完全不消耗電能，使用低品位熱能驅(qū)動抽氣設備使得耗能成本大幅下降；相對而言，雖然羅茨泵節(jié)電效果顯著，但它的主要驅(qū)動力仍然來源于高品位的電能。

從項目投資額上看，蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)方案投資額高于羅茨-水環(huán)真空泵組方案，這是因為蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)本身設備多，對原系統(tǒng)改動大。從投資回報上看，羅茨-水環(huán)真空泵組方案的投資回收期短，蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)方案在考慮長期回報時占優(yōu)勢。

4 改造方案選擇

蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)和羅茨-水環(huán)真空泵組改造方案特點不同，針對特定機組做方案選擇時應根據(jù)其真空嚴密性、循環(huán)水溫度、機組啟停頻繁程度、設備檢修維護質(zhì)量等綜合權(quán)衡決定。如機組啟停頻繁，則后者不太適用，因啟動時其無法建立真空；如循環(huán)水溫偏高，機組真空度偏低，可考慮抽吸能力強的前者；如機組維護管理差，采用蒸汽噴射器方案容易造成真空泄漏，因為蒸汽噴射系統(tǒng)的管路和閥門較多，又處在負壓區(qū)。方案選擇最主要的考慮因素是機組真空嚴密性：嚴密性好時采用后者能獲得較好的節(jié)能效果，并且其具有運行穩(wěn)定、維護量小的特點；嚴密性差時采用前者可維持或提高真空度，保證機組運行的安全性和經(jīng)濟性。經(jīng)過多臺機組改造后運行狀況對比，總結(jié)出根據(jù)機組容量和真空度下降速度選擇改造方案的方法，具體見圖3。

圖3 抽真空系統(tǒng)改造方案選擇方法

從圖3中可看出：機組容量小時，羅茨-水環(huán)真空泵組方案對真空嚴密性適用范圍較廣，因機組容量小相應抽真空系統(tǒng)所需出力也小，羅茨-水環(huán)真空泵組能滿足其要求，并且對系統(tǒng)改動小，運行維護量小，所以在較大的真空嚴密性范圍內(nèi)適用羅茨-水環(huán)真空泵組；隨機組容量增大，抽真空系統(tǒng)所需抽吸能力增加，若真空嚴密性較差，羅茨-水環(huán)真空泵組維持真空困難，需考慮蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)方案，其抽吸能力強，在滿足抽吸不凝結(jié)氣體的基礎上還可小幅提升真空度，節(jié)電和節(jié)能效果明顯。

5 結(jié)語

通過實際改造案例，對比研究了蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)改造和羅茨-水環(huán)真空泵組改造，得出以下結(jié)論：

(1) 從技術(shù)指標上分析，2種方案都能滿足抽真空系統(tǒng)的需求并能小幅提升機組真空度，蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)方案的抽氣能力更強，對機組真空度的改善更明顯，實際運行中兩種方案也各自存在一些不足，可繼續(xù)完善。

(2) 從節(jié)能指標上分析，2種改造方案都能達到降低煤耗和節(jié)約廠用電量的效果，因為蒸汽噴射器的主要驅(qū)動力來源于低品位熱能，所以節(jié)能效果更顯著。

(3) 改造方案的選擇主要與機組容量和真空嚴密性密切相關。在機組容量小、真空嚴密性好時，羅茨-水環(huán)泵組方案較優(yōu)；隨機組容量增大或真空嚴密性惡化，抽吸能力強的蒸汽噴射抽真空系統(tǒng)方案更為適用。