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真空泵节能改造分析

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：王亚琴

[导读] 【摘要】介绍了水环真空泵的结构和原理，阐述了水环真空泵改造的重要意义。

        (山西平朔煤矸石发电有限责任公司山西省朔州市 036800)
        【摘要】介绍了水环真空泵的结构和原理，阐述了水环真空泵改造的重要意义。针对某电厂燃气蒸汽联合循环机组真空系统能耗高的问题，分析其水环真空泵正常运行时电耗较高的原因及其解决办法，提出利用罗茨真空泵与水环真空泵组成高效真空泵组作为机组正常运行时抽真空的设备，原有的水环真空泵仅用于启动和故障时备用的方案。
        【关键词】真空系统；节能；水环真空泵；罗茨-水环真空泵
        0引言
        近年来，随着环保意识和可持续发展理念的提高，内部挖潜和节能改造成为火电厂提升经济效益的重要手段。火电机组的真空度对于机组的总体效率有重要的影响，而真空系统自身的能耗也会影响机组的总体能耗水平。目前广泛应用于火电厂的抽真空设备主要是射水抽气器和水环真空泵。而水环真空泵普遍存在容易发生汽蚀和能耗较高的问题，因此，如何解决上述问题成为降低真空系统能耗的关键。
        1真空泵概述
        1.1水环式真空泵系统
        1.1.1 结构及工作原理
        图1为水环真空泵工作原理示意图。水环真空泵的叶轮与泵体存在偏心，两端由侧盖封住，侧盖端面上的吸气口和排气口分别与泵的入口与出口相通，当泵内有适量工作液体时，由于叶轮旋转，液体向四周甩出，在泵体内部与叶轮之间形成一个旋转液环，液环内表面与轮毂表面及侧盖端面之间形成了月牙型的工作空腔，叶轮上的叶片又将空腔分成若干不相通、容积不等的封闭小室。在叶轮前半转，月牙型空腔逐渐增大，气体被吸入；在后半转，月牙型空腔逐渐减小，气体被压缩，然后经排气口排出。

        图1 水环式真空泵工作原理示意图2 罗茨真空泵工作原理简图图3改造后的真空泵组系统
        1.1.2水环式真空泵的缺点及改造的必要性
        1) 选型偏大。在机组正常运行时，水环式真空泵维持系统所需真空度有较大余量，浪费了部分能耗。
        2) 效率低。水环式真空泵总效率一般低于30%。
        3) 水环式真空泵性能、出力受制于工作水温度的变化。夏季高温时，水环式真空泵性能、出力急剧下降，可能导致凝汽器真空度下降，降低机组经济性。
        4) 汽蚀现象。当水环真空泵入口压力低到泵内水温饱和值附近时，容易出现汽蚀工况，导致凝汽器真空受限，系统运行不稳定等。
        5) 能耗大。启机时，为了快速(一般30 min)建立起真空，一般启动2台真空泵运行，凝汽器进汽后，真空的维持靠凝汽器内蒸汽凝结成水时的容积差来实现，这时只保留1台真空泵运行来抽出蒸汽中的不凝结气体，维持凝汽器真空。
        从提高机组经济性、降低厂用电率、增加经济效益、保护设备等综合角度出发，优化改造抽真空系统十分必要。
        1.2 罗茨-水环真空泵系统
        1.2.1罗茨-水环真空泵工作原理
        高效真空泵组由小功率的水环真空泵和防汽蚀的罗茨真空泵串联组成，蒸汽和不凝结气体进入罗茨真空泵，加压后经冷却器冷凝进入下级水环真空泵，由于提高了水环真空泵的入口压力，可保证水环真空泵高效稳定运行，有效防止汽蚀的形成。
        罗茨真空泵是一种双转子的容积式真空泵，其结构如图2所示，工作原理如下:
        a) 2个叶轮之间以很小的间隙相向旋转运动，叶轮将泵室分为小的空间。
        b)叶轮位置为I和II时，进气室空间增大。
        c)叶轮位置III时，部分空间与进气口隔开。
        d)在位置IV，被隔离空间与更高压强的出气口相连，并由于进入更多气体受到压缩。
        e)叶轮继续旋转，被压缩的气体通过出气口法兰排出。
        从图2及其工作原理可知，罗茨真空泵在设计上相当于2个螺杆在转动，其抗汽蚀能力强，做前置泵能有效保证其后水环真空泵的工作安全，保证系统利用较小的功率达到较高的真空度。
        1.2.2罗茨-水环真空泵优点
        某电厂在罗茨真空泵上增加旁路冷却系统。在泵的排气口安装换热器，冷却水取用开式水。冷却气体从泵的两侧进入泵腔并冷却转子及泵腔，但不影响泵的抽气性能，与水环真空泵等串联成罗茨-水环真空泵组，达到更高的真空度，满足工艺要求。
        (1)节能效果显著。与单独罗茨泵相比，罗茨-水环真空泵组可在高压差下工作，可适当减小前级泵功率，从而达到节能效果。
        (2)适用范围宽。因排气侧可承受高压力，有效解决了单独罗茨真空泵因压差过大、前级泵真空度差而造成的过载、过热现象。
        (3)可在更高的入口压力下工作。
        (4)利用罗茨真空泵的排汽作为水环泵的入口，有效防止水环泵汽蚀隋况的发生。
        2改造实例及系统分析
        2.1方案1：
        “一种火力发电厂凝汽器真空维持系统”专利技术解决了目前电厂水环真空泵存在的上述问题。本技术在其他电厂已成功应用，节能效果明显。实施方案（如图3）不改变原抽真空系统的设备及功能，在抽真空母管上并接一台高效真空泵组，蒸汽和不凝结气体进入罗茨泵，加压后经冷却器冷凝进入下级水环泵，由于提高了水环泵的入口压力，可保证水环泵高效稳定运行。
        2.1.1抽真空系统改造经济分析
        表l为原真空泵与罗茨一水环真空泵组运行参数比较。
        表1原真空泵与罗茨一水环真空泵组参数比较

        罗茨泵功率为18.5kW，水环泵功率为18.5kW，原设计真空泵为160 kW，按该厂2014年机组年利用5 574h计算，单机1年可节约厂用电59万kWh，比投入防汽蚀系统节约65万kWh。
        2.2方案2：
        某电厂（300MW机组）在原系统基础上构建改造方案，增加一套高效小功率真空泵组，泵组由前置罗茨真空泵和后置水环泵组成，前置罗茨真空泵和后置水环泵的额定功率均为7.0 kW，额定电流15.6A，整个泵组的总功率为15A。系统启动时采用原有2台大功率水环真空泵，正常运行时切换到小功率真空泵组上。改造方案如图 4的虚线部分所示。

        图4 水环真空泵抽真空系统原理
        2.2.1 抽真空系统改造经济分析
        表2为系统改造前后，在不同的机组负荷下稳定运行时真空系统的运行电流及真空度情况。由表2可以看到，在相同的负荷下真空度基本一致，由于原真空泵电机功率大(110kW)，高效真空泵组电机功率小(罗茨真空泵电机7.0 kW，水环泵电机7.0kW)，因此改造前真空泵电流与改造后高效真空泵组电流相差极大。
        表2 水环真空泵系统改造前后运行参数

        系统改造的主要投入包括2个方面，一是增设高性能真空泵组，二是配套相应的管道和控制联锁逻辑等。改造后，机组正常运行时真空系统运行的电耗率明显降低，因此，其经济性主要体现在真空系统运行电耗的降低方面。
        结论：
        1近年来，随着300MW火力发电机组在国内运行的日益完善，降低供电厂用电率，增加设备运行可靠性成为一项重要工作。罗茨一水环真空泵组经安装调试后，运行稳定，达到了预期的节能效果，并有效防止了汽蚀现象的发生。
        2同时，高效真空泵组的系统投入少，维护简单，运行稳定性高，改造方案不仅适合于联合循环机组，也适用于各火电厂机组的真空系统改造，具有良好的经济效益和推广价值。