空冷機組冷端抽真空系統綜合優化改造

河北蔚州能源綜合開發有限公司 孫 林 孫占斌 任妍慧 朱志遠 曲桂陽

中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院 李燕平 高世杰

1 研究背景

對于火電機組，抽真空系統內每提高1kPa的真空，機組的帶負荷能力可提高約1%，通過改善真空可顯著提高降耗節能效果、并實現機組安全穩定運行的目的[1]。

現階段，其他機組針對火力發電廠的冷端優化分析，在空冷機組中主要關注真空系統的嚴密性、凝汽器管束的潔凈度、循環水流量及溫度等常規影響真空的因素，然而對于真空泵本身的工作性能對真空的影響重視程度尚顯不足。本文目標是提高機組的真空度，使機組的經濟性得到改善。

首先，尋找影響機組真空的主要因素，制定合適的改進方案，對機組抽真空系統進行優化，以上述方案為依據，使機組熱效率得到提高，發電煤耗降低，從而達到節能降耗的目的。國內外的研究者們已經對水環真空泵單體設備的性能、設計方法和運行效果進行了研究，并取得了一定的成果。然而，對于整個水環真空泵系統性能的優化，其研究仍不夠深入和全面。

真空泵工作液在夏秋季節等環境溫度較高的工況下運行時，由于溫度的升高，使其飽和壓力在相應的壓力下增加，從而直接影響真空泵的出力，顯著影響機組的經濟性。要解決真空泵工作液溫度的問題，需要有針對性地進行分析，才能找到真正有效的解決方案。

因此，對機組進行系統改造較為有必要，如針對真空泵工作液冷卻方式進行系統改性的改造，對真空泵換熱器進行改造，或結合多種方式進行抽真空系統綜合改造等[2]。通過對本文的充分研究，可為本廠進一步實現節能降耗的效果，確保機組高效穩定運行，對火電廠的節能降耗有著重要意義。

2 真空泵影響因素分析

研究真空泵系統內不同因素對真空度的影響并針對性改造，需要排查影響系統抽真空的主要因素。

2.1 抽氣裝置構成分析

本廠機組為超超臨界直接空冷機組，汽輪機低壓汽缸排汽經蒸汽管道進入由軸流風機抽吸入空冷島的環境空氣，經橢圓形扁平基管將鋁翅片的管束內，經水環式真空泵將熱量輸送至管束外，由水環式真空泵抽出不凝結氣體（含少量蒸汽）。

2.2 機組真空低

在機組運轉正常的情況下，水環式真空泵為了保證和保持排汽裝置的真空狀態，需要不斷地抽出排汽裝置中的不凝結氣體。水環式真空泵工作液溫度對其抽吸性能影響較大，特別是在吸氣口壓力較低的情況下抽氣效果更好。

由于真空泵在工作過程中本身就會產生熱量，并且會吸收被抽吸的水蒸氣所釋放的氣化潛熱，所以隨著工作液循環次數的增多，液溫會逐漸升高，真空泵的抽吸能力會明顯下降，從而對機組的經濟性造成嚴重影響。因為工作液溫度升高，尤其是夏秋兩季環境溫度較高加劇了工作液的溫升，使得排汽裝置中不凝結氣體比重增大，機組真空下降，背壓升高。

2.3 水環式真空泵汽蝕特性分析

由于水環真空泵內的工作液溫度升高，泵內水分子發生汽化，產生氣泡，當泵內空腔壓力低于飽和蒸汽壓力對應的工作液溫度時。這些氣泡隨著葉輪一起運動，當旋轉到排出口附近時，由于水環壓力明顯升高而導致氣泡破裂。周圍的水分子迅速填充了原有的汽泡空間，導致水環內的水分子產生局部的水錘作用，從而產生了高噪音的運轉，被稱為“汽蝕”。在汽蝕狀態下，真空泵的吸力會迅速衰減。

2.4 水環真空泵工作液溫度過高

如果真空泵的工作液是以汽輪機冷凝水為補充的，那么為了使工作液的溫度保持在其汽化溫度以下，從而避免引起泵的氣蝕，因為工作液在泵體內做功產生熱量的同時又吸收了空冷凝汽器內抽出氣體的熱量，需要不斷地冷卻系統內往復做功的工作液[3]。對于該問題有多種優化方案，首先是選擇更加低溫的冷卻水源。機組工業用水可以提供冷卻水，水溫比較低?；驅⒄婵毡霉ぷ饕阂胫评錂C進行冷卻，另加熱交換器，將冷卻水取至制冷機進行冷卻，以保證真空泵冷卻水循環效果，并能達到真空泵工作液所需溫度的要求。

該方案的問題在于不易實現對真空泵工作液的有效散熱，如未設置足夠容量的制冷設備，或遠距離換熱不便的空間布置等，對原有設備條件要求較高。需要通過外置制冷裝置來降低冷卻水溫度，這是基于現有冷卻水無法滿足真空泵工作液冷卻需求的實際情況。制冷設備的選取穩定可靠的壓縮式制冷機，同時為保證真空泵正常備用，避免冷卻水故障后真空泵無法運行，可采用由制冷機對循環水間接換熱，優點是系統運行相對穩定，且對原有系統改造量較小。不過該方案對真空泵冷卻液冷卻效果有較大影響，需結合現場實際情況進行分析。

2.5 真空泵抽吸力不足

在原有真空泵的基礎上增加錐體式水環真空泵作為額外的抽氣裝置。在夏季運行時，水環真空泵的額外抽氣裝置中增加了錐體泵。錐體泵可在冬季氣溫較低的情況下單獨運行，以達到節約工廠用電的目的。同時，可以優化錐體泵的運行方式，設定為具備啟動條件的設備，只有滿足以下兩個條件，錐體泵才能自動啟動：一是處于運行狀態的水環泵；二是錐體泵進水口壓力（真空）達到設定值；不然錐體泵處于閉鎖狀態。如果運行中出現水環泵故障而跳閘，或進水口真空低于設定值，錐體泵就會自動停止運行或閉鎖運行；反之，錐體泵故障停運，水環泵就不會停用，依然維持在運轉狀態。

3 優化方法

為了切實解決本廠存在的上述問題，有以下幾點優化方向：一是真空泵工作液深度冷卻技術。采用一套高效冷卻裝置對真空泵工作液冷卻優化，改造后真空泵加裝制冷系統，制冷系統分為冷卻水側和冷凍水側。冷卻水側的來回水與閉冷水系統的來回水相連。冷凍水是通過真空泵的板式換熱器與真空泵中的介質水進行熱交換，可有效地降低真空泵的工作介質水溫，提高真空泵的抽吸能力的一種相對封閉的自身循環系統。

二是抽真空系統換熱降溫。在真空泵進口管道處加裝管殼式換熱器，利用制冷機產生的冷卻水進行冷卻，使真空泵母管內抽吸的蒸汽可以充分接觸換熱，蒸汽凝結使其對應的飽和壓力即相應減小，相應地提高了真空。

三是優化真空泵系統運行方式。本實施案例在原抽真空泵母管并聯一套穩定、高效、故障率低的錐體式水環抽真空裝置，極限真空為2.7kPa，以適應冬季運行工況、低負荷工況以及后續的機組深度調峰工況。加裝后，針對現有抽真空設備及后續加裝的高效錐體真空泵進行整體運行優化。結合環境溫度切換真空泵運行工況，冬季氣溫較低時，采用高效錐體真空泵單獨運行節省廠用電量；氣溫較高時，與原真空泵并聯運行，提高機組經濟性同時降低水環真空泵的汽蝕、葉片水蝕風險。系統投運后，原真空泵用于機組啟動或連續大負荷且環境溫度高的工況，投運時間少；新抽真空系統用于機組穩定運行維持機組背壓工況，基本全工況運行；入口冷卻裝置全工況運行。

4 改造實施

4.1 具體改造方案

為水環真空泵工作液深度冷卻改造，本次增設水環真空泵工作液外接冷卻系統1套。采用技術成熟的壓縮式制冷機組，并在冷卻系統中配置1套保證真空泵工作液溫度達到設計溫度的可靠電氣自控柜，使系統運行自動控制。

真空泵工作液綜合冷卻優化：采用一套高效冷卻裝置對真空泵工作液冷卻優化。制冷機將原來30℃的冷卻水降到15℃，裝置出水三路，一路接入熱交換器；一路與抽真空設備連接；最后一路與原真空泵工作液冷卻水并列運行。

抽真空母管降溫改造：在真空泵入口管道處加裝減溫裝置，利用冷凍水進行降溫換熱，使進入真空泵的蒸汽體積減小，提高機組真空。

優化抽真空泵運行方式：機組原真空泵設計抽汽量7200m3/h，功率185kW。查閱歷史趨勢，正常運行時單臺真空泵電流在260A 左右，可以發現真空泵存在一定程度上選型偏大的問題。本次新增椎體真空泵適應機組大部分運行工況。在系統投運后針對原有抽真空設備及本項目新增抽真空設備進行整體運行優化后，結合機組運行工況靈活切換抽真空設備的運行狀況。

制冷機組：采用1臺PLM-410WS 水冷式螺桿冷水機組，出水溫度為7℃可調，制冷量為410kW（352600kCal/hr），每小時制冷量為409kW。此機組蒸發器為高效內外螺紋紫銅管材質殼管式蒸發器，外徑φ12.77mm，壁厚0.75mm；冷凝器為高效外螺紋紫銅管材質殼管式蒸發器，外徑φ15.88mm，壁厚1.1mm。

外接系統：外接系統主要有制冷機系統、自動控制系統、冷凍水循環水泵、冷卻水循環水泵、閥門執行機構等，工作流程如圖1所示。真空泵工作液泵由冷凍泵送至制冷機，工作液經制冷機熱交換器冷卻后再次進入真空泵換熱器與真空泵母管換熱減溫裝置，使真空泵工作液達到閉式循環冷卻的目的，同時實現對真空泵吸入不凝氣體的降溫效果。引入經散熱后的開式水為制冷機系統提供冷卻，從而帶走制冷機轉移與本身產生的熱量。

圖1 真空泵-制冷機循環系統

4.2 改造優化效果

經過本次綜合改造，原真空泵用于機組啟動或連續大負荷且環境溫度高的工況，投運時間少；新抽真空系統用于機組穩定運行維持機組背壓工況，基本全工況運行；入口冷卻裝置全工況運行。該套裝置采用DCS 控制，可遠程和就地操作。按原機組運行方式啟動真空系統；機組開機后運轉正常，在真空度保持穩定的情況下，投入新的錐體真空泵組，將原抽真空設備切除，留作系統內備用，以保持真空度。

原抽真空設備中的1至2臺真空泵為適應機組對抽真空的要求，在機組真空系統出現嚴重滲漏，新增錐體真空泵組真空度不夠的情況下投入使用。系統改造前后，機組正常運行主要以新增錐體真空泵組維持機組運行所需真空度。新增錐體真空泵組遇到檢修或出現設備故障問題時，以原有抽真空設備確保真空要求。

加入制冷設備后，真空泵冷凍裝置投運后工作液溫度降低至約15℃，共提升抽真空約0.8kPa，降低供電煤耗約1.51g/（kWh），而冷凍裝置的能耗量約為104kWh。以此前平均負荷400MW，煤價800元/t、發電煤耗300g/（kWh）進行計算，在夏季溫度較高的90天區間內，真空泵冷凍裝置全程投入獲得的節能收益如下式（單位：元）：

S=1.51×400×800×10-3×90×24=1.045 ×106

而由此產生的耗煤成本，如下（單位：元）：

s=104×300×10-6×90×24=5.39×104

數據表明，在改造投入運行后，機組效益明顯增加，僅夏季投運冷凍水時約可節約9.912×105元的成本。

真空泵系統優化后，正常投運，冬季低背壓工況下可節電50%，冬季溫度較低的90天，約可節省3.732×105元的電力成本，結合制冷優化共可節省1.36×106元的成本。

當前，國內經濟迅速發展，對于發電行業的要求也日益加深。目前，火電行業所面臨的節能降耗壓力較大，在未來的發展中節能降耗依然是火電行業發展的一個重要課題。通過本文的研究，可充分掌握影響真空泵系統運行的因素，為火電廠的經濟運行提供保證，為國內經濟迅速發展提供保證。

隨著國家“雙碳”目標方案的實施，節能減排工作迫在眉睫。本文通過對抽真空系統進行全面的研究分析，給出具體的研究方法和改造建議，并應用于實踐，使得機組真空度得以有效地提高，以往的研究改造通常是以單一或部分設備為主，從系統方面來處理同類問題的問題相對較少，因此，本次優化改造在設計、施工、安裝、安裝等方面都有較大的改進。