提高600MW火力发电机组真空系统经济性能.doc

提高600MW火力发电机组真空系统经济性能黄剑、李军（中国电力平圩发电有限责任公司 安徽淮南 202089）摘要：对于凝汽式汽轮机组，需要在汽轮机的汽缸内和凝汽器汽侧建立一定的真空。凝汽器真空过高或过低都将影响汽轮机的效率。如何建立和维持真空，减少真空泵故障的发生。为此，本文针对性的提出了三套可行性设计方案加以解决。并通过比对优化从方案中优选出在真空泵前加装蒸汽喷射器节能装置，提高了真空泵的安全、经济运行，增强了真空泵的抽气能力。对于真空系统的节能降耗和发电机组的经济性运行都具有积极的意义。关键词：火电厂 真空系统 可行性方案 经济性 1、系统概况安徽淮南平圩发电有限责任公司一期工程为引进国外技术、国内制造的2630MW燃煤亚临界发电机组，由哈尔滨汽轮机制造厂生产，汽轮机型号为N630167/537/537，四缸四排汽、再热冷凝式。凝汽器型号为N-4000，抽气管路布置为高低压凝器中的空气管采用串联结构，不凝结气体由高压侧流向低压侧，最后由低压凝器冷端汇于一根母管上，再分配至三台真空泵(如图1)。机组运行时，二台真空泵投运一台备用。低压凝器A1低压凝器A2高压凝器B2高压凝器B1真空泵C真空泵B真空泵A图1:真空系统图对于凝汽式汽轮机组，需要在汽轮机的汽缸内和凝汽器汽侧建立一定的真空，机组运行时需要不断的将由不同途径漏入的不凝结气体从汽轮机及凝汽器中抽出。真空系统就是用来建立和维持汽轮机组的低背压和凝汽器的真空。而真空泵的抽吸能力直接影响汽轮机的效率。在机组多年的运行和维护中发现真空泵存在不少问题。2、机组运行中真空泵存在的主要问题：1）真空泵抽吸能力下降，影响凝汽器换热效果。2）运行中泵体内有汽蚀现象使得泵体振动大，事故率增加。3）设备检修周期缩短，维护成本高上升，经常发生叶片与叶轮轮毂处产生多处裂纹；泵两端分配器出现汽蚀凹槽。泵体二端排气遮断阀板和阀片断裂。3、机组运行中真空泵抽气能力下降的原因分析：水环真空泵是利用容积变化实现抽真空的设备，转子在泵内偏心安装，转动时会迫使工作液沿泵壳内壁形成一个与其同向旋转的液环，此时会在两相邻叶片、叶轮轮毂和液环内表面之间形成气腔，随转子的转动此气腔在泵的吸气区体积逐渐增大，其内部压力下降，从而将气体吸入泵内。相反气腔在排气区体积逐渐缩小，内部压力上升，从而将气体排出。凝器中的气汽混合物经过真空泵的抽吸进入汽水分离器。分离出来的气体排入大气，分离出来的水与补水一同进入热交换器进行冷却。冷却后的工作水分为两路，一路经喷嘴喷入真空泵入口，冷却凝器来的气汽混合物，提高真空泵的抽吸能力；一路直接进入真空泵作为工作水，维持真空泵的水环和水环的温度，工作水温的高低对真空泵的吸入能力影响很大。平圩电厂一期600MW机组真空泵泵内工作水利用开式冷却水进行冷却，水源为循环水，补水为闭式水。由于夏季机组高负荷运行和循环水冷却水温度的升高，真空泵工作水温甚至超过30，此时工作水对应的饱和蒸汽压力就会提高，水的汽化压力也随之升高，部分工作水会发生汽化，体积膨大，而使真空泵抽吸能力明显下降，空气在凝器内积聚，影响凝汽器换热效果。此时真空泵的排气压力也急剧上升，液环内（吸入腔）的汽泡迅速冷凝并使气泡产生破裂，产生汽蚀现对叶轮表面形成伤害并造成泵体振动。随着真空的上升，汽蚀和振动都将加剧，水环也在增大，因而叶片负荷也急剧增加，长时间运行不仅使泵叶轮产生裂纹，还会因为振动使轴承的使用寿命缩短，设备运行可靠性大大降低。通过分析，降低真空泵进口压力或降低工作水的温度将会提高真空泵的抽气能力，可增强真空系统设备的安全可靠运行，对于整个真空系统的节能降耗及发电机组的经济性都具有积极的影响。4、可行性方案设计、特点分析为了真空泵可靠运行，降低真空泵进口压力或降低工作水的温度，提高真空泵的抽气能力。为此进行了调研和可行性的方案设计，提出了三套方案加以解决，并对三套方案的可靠性和特点进行了比对分析，从中优选出适合我厂实际情况的方案：方案一：加装一套真空泵智能制冷冷却装置通过直接降低真空泵的工作水温，达到降低凝汽器背压的目的。制冷装置采用以溴化锂或氟里昂为介质的。能提高凝汽器真空0.2KPa左右。系统主要由制冷动力装置、蒸发器、热力膨胀阀、冷凝器、干燥过滤器、冷却水循环水系统、冷冻水循环系统及冷冻水泵、膨胀水箱及补水管路、电气高低压开关、PLC控制程序系统等组成(如图2)。图2:真空泵智能冷却系统图其优点是保留原设备冷却水换热器，当制冷系统检修，原系统可投入运行，保证真空泵的安全连续运行。制冷冷却装置采用微电脑智能控制系统，该系统配置了PLC自动控制系统，实现包括负荷自动调节。但缺点是真空泵的冷却水改成冷冻水后，真空泵将一直处于极限真空状态运行。真空泵转子的侧应力，急剧增加，会加剧转子产生裂纹和断裂的可能性。此外设备安装占地面积较大，因我公司现场设备布置紧凑，实施此方案需在室外加盖房屋。方案二：真空泵前设置一套蒸汽喷射器节能装置在真空泵进口母管上设置一套蒸汽喷射器节能装置，该蒸汽喷射器其入口动力汽源取自机组辅助蒸汽母管，蒸汽压力0.60.8MPa，以此作为工作介质，来抽吸和压送来自凝汽器的气汽混合物。蒸汽进入喷射器后，从动力喷嘴中喷射出超音速射流，由于气体的粘性，高速气流卷吸走来自凝汽器里不凝结气体，从而在抽空气管道内形成真空；两种气体充分混合后，进入表面式冷凝器，动力侧蒸汽和凝汽器备抽气体中的水蒸气冷凝成水，冷凝水回收到凝汽器或者真空泵汽水分离器中，系统中不凝结气体进入真空泵系统中。真空泵内工作液的汽化温度在49.5左右，可以解决真空泵汽蚀现象和叶轮轮毂处产生多处裂纹等现象发生。系统主要由蒸汽喷射器、气动蝶阀、管式冷凝器、止回阀、压力开关及管路组成(如图3)。图3: 真空泵前设置蒸汽喷射器节能装置系统图其优点是结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长。能提高凝汽器真空0.30.5KPa左右，达到节能的经济运行目的。同时对机组在任何负荷下的影响都不敏感。投入和退出系统只需操作阀门，机组在冬、夏季工况投运，可分别用于改善汽蚀和提高真空。表面式管式换热器设计冷却水流量65T/h，由于改造加装蒸汽喷射器后真空泵只需运行一台既可满足系统需求。但缺点是相比第一种方案投入费用高。方案三：真空泵前设置一套节能型前置大气喷射器在真空泵前设置一套节能型前置大气喷射器，该节能型大气喷射器其入口动力汽源取自泵出口汽水分离器，以此作为工作介质，来抽吸和压送来自凝汽器的气汽混合物。空气进入喷射器后，喷射出超声速气流，由于气体的粘性，高速气流卷吸走来自凝汽器抽空气管道内的气体，从而在抽空气管道内形成真空。平均提高机组真空0.15kPa左右。系统主要由大气喷射器、气动蝶阀、止回阀、压力开关及管路组成(如图4)。图4: 真空泵前设置节能型前置大气喷射器系统图其优点是结构简单，工作稳定可靠，使用寿命长。大气喷射器由于工作介质为空气，没有饱和点的限制，因此受温度的影响小。冬季夏季工况投运，分别用于改善汽蚀和提高真空。缺点是气体需通过真空泵排出，增大真空泵负载，泵电机电流增大30A左右，我公司夏季工况下#1、#2机组真空泵运行电流约210A，改造后真空泵实际运行电流已接近于电机额定电流值，对真空泵电机的安全运行有一定影响。5、三套方案经济效益比对三套方案，都按每年投运时间3个月，单机月发电量3亿度。根据集团节能对标手册推荐：真空每上升1Kpa，供电煤耗降低1.79g/Kw h，电厂用电取0.4元/度，标煤单价825元/吨进行计算。比对三套方案的经济效益以及回收成本年限：1、加装制冷冷却装置按平均提高机组真空0.2KPa，机组每年节约费用：1.790.2/110-633108（吨）825（元/吨）=26.58万元。系统改造后，机组运行时开启制冷机组每小时耗电量为110kW/h；改造后制冷机组冷却水流量109T/h，冷却水压力0.2Mpa,计算消耗电机功率约10KW;，电费消耗将增加：（110+10）kW2160h0.4元/度= 10.368 万元。改造后制冷机组消耗冷却水水量109T/h，电厂用水水费取每0.01元/吨，水费增加：10921600.01=0.235万元。由于增加了制冷设备，设备维护材料和备件消耗费用预计年增加约2万元。制冷设备费75万元，制冷机组设计使用寿命按15年计算，则每年设备折旧费5万元。则加装真空泵智能制冷冷却装置后的每年经济收益为: 26.58-10.368-2-5-0.235=8.98万元/年；回收年限：75/8.98=8.35年。2、加装前置蒸汽喷射器按平均提高机组真空0.3kPa，机组每年节约费用：1.790.3/110-633108（吨）825（元/吨）=39.87万元。系统改造前，两台真空泵运行。系统改造后，开启一台真空泵就能满足系统需求，且真空泵电机功率只有55KW。真空泵电机功率降低160KW,节约电费将减少：165kW2160h0.4元/度= 14.25 万元。使用电厂辅助蒸汽，蒸汽压力0.8Mpa，预计消耗蒸汽量为：450kg/h,蒸汽价格：150元/吨，消耗蒸汽费用：2160h450kg/h150元/吨10-314.58万元/年。则机组真空系统改造后的每年经济收益为: 39.87+14.25-14.58 = 39.54万元/年；回收年限：120/39.54=3.04年。3、加装节能型前置大气喷射器装置按平均提高机组真空0.15kPa，机组每年节约费用：1.790.15/110-633108（吨）825（元/吨）=19.94万元。由于喷射器投入使泵工况点改变，喷射器投入后工况点电流较未投时增加25A左右。真空泵电机电压等级380V，运行电流增加30A，运行时间2160h，按两台泵计算，3023801.7320.821600.42.73万元。则加装后的每年经济收益为19.94-2.73=17.21万元/年；回收年限：80/17.71=4.65年。针对三套设计方案特点的分析，从真空泵安全运行、维护费用、设备安装所占空间和维护工作量等因素的考虑。从经济效率的比对以及回收成本年限的考量，决定采用真空泵加装蒸汽喷射器节能装置这一方案。6、设备投运后的经济效益 2014年5月份，#1机组真空泵加装蒸汽喷射器节能装置技改工作完成后。进入6月中旬 后蒸汽喷射器投入使用，真空泵只需运行一台既可满足系统需求。由于只有不凝结的气体进入真空泵内，从而消除汽蚀，在迎峰度夏期间未出现因汽蚀造成泵体振动和排气遮断阀板和阀片断裂等现象。2014年7月4日，对#1机组真空泵喷射装置进行性能试验（循环水温度27.5）。试验数据如下（见表1）：喷射器投入/停运机组负荷真空泵电流凝器A/B真空DEH低压缸A/B排汽压力DCS低压缸A/B排汽温度真空泵进口真空度冷凝器出口温度蒸汽流量蒸汽压力蒸汽温度冷凝器冷却水进/出水温度tMWAKpaKpaKpaKg/hMpa喷射器投运（9时10分）522.4真空泵C运行，电流181AA：-94.82B：-94.15A：4.8750B：7.8955A：37.3/37.6B：41/41-94.436.133720.4183.527.9/29.9A：-94.88B：-94.16A：4.8174B：7.8850A：37.1/37.5B：41/41-94.337.134510.5184.327.9/30A：-94.92B：-94.15A：4.7773B：7.8848A：37.0/37.6B：41/41-94.138.232320.6184.527.9/30.1A：-94.96B：94.15A：4.7696B：7.8842A：37.0/37.6B：41/41-93.937.424190.718327.9/30.3A：-94.98B：-94.17A：4.7197B：7.8838A：36.9/37.1B：40.8/41-93.838.624430.7618428/30.4喷射器运停522.4真空泵C运行，电流181AA：-94.2B：-94.08A：5.4893B：7.9824A：38.8/38.3B：41.2/41.2-93.637.9000真空泵B、C运行，电流186/181AA：-94.57B：-94.09A：5.1279B：7.9638A：38/37.9B：41.2/41.2-94000喷射器投运（10时20分）522.4真空泵B、C运行，电流187/181AA：-94.99B：-94.15A：4.7197B：7.8945A：36.9/37.4B：40.9/41-94.53622830.7717428/30.3B泵停运，真空泵C运行，电流181AA：-94.96B：-94.12A：4.7480B：7.9082A：37/37.6B：41/41.1-93.737.424820.7617928/30.4表1：试验数据从试验数据采集分析，动力蒸汽压力参数比对，蒸汽压力为0.76Mpa时，调节阀开度100%，机组运行时真空值最佳。机组负荷稳定不变，蒸汽喷射器投入（蒸汽压力0.76Mpa），单台真空泵C运行，机组真空值-94.96/94.12Kpa；当蒸汽喷射器退出时，真空泵运行状况不变，机组真空值为