蒸汽喷射器与水环式真空泵在电厂中的应用对比

蒸汽喷射器与水环式真空泵在电厂中的应用对比

陈启擘  张家宽  王硕  杨宝锷  吕晓航

华能汕头海门发电有限责任公司  广东汕头  515000

摘要：水环式真空泵作为凝汽器抽真空设备在各电厂广泛应用，但在夏季高温条件下抽真空效率往往不足以使机组工况到达最佳值，对机组经济运行有一定影响。本文介绍了三级蒸汽喷射器，通过探讨某电厂2台1036MW机组抽真空改造的成果与原有抽真空方式实际应用在效率上进行对比分析。

关键词：三级蒸汽喷射器；水环式真空泵；真空改造；对比

0引言

凝汽设备在汽轮机热力循环中起着冷源的作用，用来降低汽轮机排汽压力以提高循环的热效率，降低汽轮机排汽压力的最有效方法是将汽轮机的排汽凝结成水。而抽真空系统作用为抽出凝汽器中的不凝结气体，维持凝汽器在高度真空中运行，提高真空将使蒸汽在汽轮机中的可用焓降增大，就会相应增加发电机的输出功率。本文介绍的某电厂为超超临界百万机组采用海水作为冷却水源，各机组凝汽器真空受海水温度影响很大，夏冬季节同机组同负荷下真空差值高达4～5KPa左右，针对这种情况，电厂对两台机组进行真空改造，采用三级蒸汽喷射器。经前期研究估算，真空改造每年约能提高经济收益272.7万元，现对改造前后抽真空系统的实际抽真空效率进行举例与对比探讨。

1 系统简介

某电厂汽轮机是由东方汽轮机有限公司引进日立技术生产制造的超超临界1036MW汽轮机，其型号为N1036-25.0/600/600。以海水为冷却介质（在机组中海水称为循环水），凝汽设备由凝汽器、凝结水泵、抽真空设备、循环水泵以及它们之间的连接管道和附件组成。其中，循环水系统采用单元制直流供水方式，循环水泵为立式混流泵，每台机组配置三台50%容量的水环式真空泵（密封液循环型）。循环水受冬夏季温度影响较大，夏季进入凝汽器的循环水温度最高达约29℃，此时运行三台循环水泵，循环水冷却倍率m=66.62，冬季进入凝汽器的循环水温度最低达约17℃，此时运行两台循环水泵，循环水冷却倍率m=49.96。在机组满负荷下，冬季运行两台循环水泵，两台水环式真空泵时凝汽器真空可达-97KPa，而夏季运行三台循环水泵，三台水环式真空泵时真空最低仅仅为-92KPa。2017年和2020年分别对2台机组进行真空系统改造引入三级蒸汽喷射器。

1.1 水环式真空泵

机组配置三台50%容量的鹤见真空工程（上海）有限公司生产的250EVMA 双级真空泵，正常运行时,真空泵两运一备，能满足汽轮机在各种工况下,抽出凝汽器内的空气及不凝结气体,维持凝汽器一定的真空。

水环式真空泵的工作原理为：利用泵壳和叶轮的偏心结构安装，在叶轮作旋转时，构成与泵壳成偏心水环。真空泵运行过程中充满在叶片间的水在叶轮的带动下，不断地在叶片之间作周期性的往返运动，通过改变叶片中间的气体与水的容积，在固定的吸气和排气口的相应配合下，完成吸气、压缩、和排气作用。

而双级为同轴相串联的两级泵，两级之间的通气道由中间盘和连接管配成，因此结构比较紧凑，回转部分由一根轴和两级叶轮组成，固定部分由进出气机座，两个泵环和配气盘轴承支架组成。它的作用就是第一级排气口排出的气体被第二级吸气口吸入，然后经过第二级的压缩排出，第二级的作用是减少第一级排气压强，以提高第一级吸入极限真空度。泵体几乎没有机械摩擦产生，因此真空泵内部不需要润滑。

1.2 三级蒸汽喷射器

经过真空改造后，系统在原有真空泵的基础上增加了一套普瑞森三级蒸汽喷射器抽真空系统。改造后系统图如下图1所示。

图1 真空改造后系统图

三级蒸汽喷射器抽真空系统由多级蒸汽喷射器、三级冷凝器、蒸汽稳压罐与相关水封、疏水系统组成，三级蒸汽喷射器中动力蒸汽为四段抽汽或辅汽，通过蒸汽稳压罐稳压后经过蒸汽喷嘴以超音速射流，将凝汽器中的未凝结气体抽出，产生高度真空，经过多级蒸汽喷射器压缩将不可凝结气体排到大气，可凝气体与动力蒸汽一起进入蒸汽喷射器抽真空系统的冷凝器中，进行冷凝后回收到凝汽器热井。两次改造中存在些许不同，其中第一台机组真空改造对应的动力蒸汽喷嘴的设计压力为0.6MPa，工作压力为0.35MPa；第二台机组真空改造对应的动力蒸汽喷嘴的设计压力为0.8MPa，工作压力为0.6MPa。正常运行时三级蒸汽喷射器可完全取代原水环真空泵系统独立运行，做到零电耗、零维护，原水环式真空泵作为备用。此外，当真空度值超过-96.0kPa或-97.3kPa时,由于气穴现象水环式真空泵可能产生噪音，而三级蒸汽喷射器不会有噪音担忧。

2 效率对比

一台机组的凝汽器真空度受很多方面影响：

（1）海水温度。由于某电厂机组凝汽器采用海水冷却方式，海水温度对凝汽器真空影响较大，相同机组相同负荷在夏冬两季由于海水温度不同真空差值可达4～5KPa左右，且一天中海水温度也随着日照强度与潮汐的不同而变化，可以说海水温度是实时且明显的影响机组凝汽器的真空；

（2）轴封方式。由于百万机组在低负荷与高负荷轴封密封方式不同，在低负荷采用辅汽供应，在高负荷能实现自密封。根据真空查漏经验，机组低压轴封位置出现真空泄漏频率较多，在低压缸轴承处即使有轴封蒸汽的阻隔，仍然会有极少数空气由于凝汽器中高真空产生的抽力而进入凝汽器，对真空有所影响。所以机组在高低负荷下，轴封方式不同对真空也会产生影响，根据运行经验，自密封方式下凝汽器真空更佳；

（3）机组负荷。机组在轴封方式相同但负荷不同下也会对真空产生影响，一般负荷越高，需要冷凝的蒸汽量越大，导致凝汽器真空越差；

（4）除以上原因之外，还有机组不同所产生的变量，进入凝汽器海水流量不同导致冷却效果不同，真空泵启动数量等等因素。

为全方位对比得出最有力结论，通过控制变量法与间接法，从四个不同角度对水环式真空泵与三级蒸汽喷射器在抽真空效率上进行比较。

2.1 方案一

为控制因海水温度以及负荷波动产生的真空误差，本方案选取相同时间点相同负荷，抽真空方式不同的机组进行对比。如下图所示，时间选取为2019年8月23日21时左右，其中图2为某采用水环式真空泵方式抽真空的机组对应的运行参数；图3为同一时间某采用三级蒸汽喷射器抽真空的机组对应的运行参数。

图2：水环式真空泵方式抽真空机组运行参数

图3：三级蒸汽喷射器抽真空机组运行参数

如上图所示，两台机组负荷前后波动平缓，发电机功率同为915MW左右（轴封方式为自密封），时间相同，循环水进入凝汽器温度基本相同，皆启动三台循环水泵，默认进入凝汽器的海水流量相同。图2机组启动三台水环式真空泵抽取凝汽器中不凝结气体，对应真空为9.149KPa，即9.149-101.325=-92.176KPa；图3机组3台真空泵皆无运行，电流趋近于0A，采取三级蒸汽喷射器抽真空对应凝汽器真空值为7.600KPa，即7.600-101.325=-93.725KPa。两台机组真空值相差1.549KPa，初步得出结论：在同时间同负荷不同机组的对比中，三级蒸汽喷射器抽真空效果优于水环式真空泵。但是，由于机组不同，运行效率不同，此结论可能存在偏差，需进一步进行验证。

2.2 方案二

本方案选取同一机组在高负荷（轴封方式为自密封）下，不同时间但海水温度相近时，采用不同抽真空方式对应的运行参数进行对比。参数曲线如下，其中，图4为机组采用水环式真空泵抽取真空对应的机组运行数据；图5为机组采用三级蒸汽喷射器抽取真空对应的机组运行数据。

图4：水环式真空泵方式抽真空机组运行参数

图5：三级蒸汽喷射器方式抽真空机组运行参数

如上图所示，选取机组负荷相近，海水温度相近的机组工况进行对照，两个工况均启动三台循环水泵。从数据中可以看出，图4所示工况真空泵两运一备，对应的真空最小值为6.55KPa，即6.55-101.325=-94.775KPa；图5所示工况喷射蒸汽压力平均值0.64MPa，对应真空最小值5.98KPa，即5.98-101.325=-95.345KPa，结合案例一可得出结论：在高负荷下三级蒸汽喷射器抽真空效果优于水环式真空泵。但是，由于时间变量，可能存在小部分不可控因素导致数据偏差，需进一步进行验证。

2.3 方案三

本方案选取同一机组在低负荷（轴封方式为辅汽供应）下，同一时间轴下真空方式切换的运行参数进行对比。参数曲线如图6所示。

图6：机组低负荷真空方式切换运行参数

如上图所示，其中，黄色纵线对应数据表中的“选择值1”纵栏，在黄色纵线之前的时间之前机组采取两台水环式真空泵运行，并逐步将三级蒸汽喷射器的工作压力提高，此时对应的凝汽器真空为6.66KPa，即-94.665KPa。在黄色纵线处开启凝汽器至三级蒸汽喷射器的气动门，凝汽器真空瞬间降至最低值5.24KPa，即-96.085KPa，并在两台水环式真空泵停运过程中凝汽器真空基本没有扰动。随后，机组凝汽器真空数值随着负荷增加而逐步增长。在整个真空方式切换过程中，循环水泵启动数量不变，默认前后海水温度不变。虽然设备投入会对真空有瞬间拉升作用，且设备启动后观察时间不够长，但停运真空泵过程接近无扰，故基本可以得出结论：三级蒸汽喷射器抽真空效果优于水环式真空泵。

2.4 方案四

为更加有力论证结果，本方案采用间接法进行讨论。

火电厂机组运行过程中真空查漏一般运用氦气喷涂法，通过VS系列氦质谱检漏仪检测氦气含量来查找漏点，即当机组有真空泄漏时，通过在漏点喷涂氦气后即可以从位于抽真空排大气母管上的检漏仪检测出氦气。氦气在空气中的含量极低，仅占比二十万分之一，且分子小、质量轻、易扩散便于检测，无毒无味，不凝结，极难溶于水，是运用于真空查漏工作的最佳检测对象。我们运用运行机组的低压缸轴承轴封位置在凝汽器高真空下难免吸入极少量空气这一点，可以采取在机组稳定工况时，采用不同抽真空方式下，喷涂氦气于同一低压缸轴承处，比较对应VS系列氦质谱检漏仪检测到数据的时长不同，反应不同抽真空方式的抽真空效率。

经过多次重复实验，同一机组在相同运行工况，向低压缸轴承喷涂氦气开始计时，采用三台水环式真空泵运行方式下，VS系列氦质谱检漏仪检测到数据所需时间约为13分钟左右；采用三级蒸汽喷射器运行方式下，检测到数据所需时间仅约为2分钟10秒左右。两种抽真空方式下检测到数据的时间差距明显，可忽略其他客观条件造成的不稳定因素影响，综合以上三个方案，由此可以得出结论：三级蒸汽喷射器抽真空效果优于水环式真空泵。

3 结语

经过以上讨论可以看出，三级蒸汽喷射器在火电厂抽真空系统中能得到很好的应用，在机组正常运行中可以实现完全替代老式水环式真空泵，机组真空改造后水环式真空泵仅需在机组启停阶段启动，正常运行只作为紧急备用。从案例中数据分析可以看出，三级蒸汽喷射器抽真空效率明显高于水环式真空泵抽真空效率，且三级蒸汽喷射器无需电机驱动，节约了厂用电，基本无需维护，降低了设备维护成本，也改善了原有真空泵噪音大的工作环境，能够带来极为可观的经济效益，具有很高的推广意义。