摘要：汽轮机正常运行时，排汽压力的变化对汽轮机的经济性、安全性影响很大，真空的提高，可以使汽轮机汽耗减少而获得较高的经济性。凝汽器里有一些空气通过不严密的部位漏入真空系统，改造前依靠两台水封真空泵（一台运行，一台备用）连续不断地将凝汽器中的不凝结气体抽出，维持凝汽器内部真空。在正常运行中，目前的真空泵存在大马拉小车的状况，能耗较高。本文阐述如何增加小功率真空泵实现节能降耗的具体措施。
关键词：发电；汽轮机；真空
前言
沙角A电厂二期#5机组是上海汽轮机厂生产的, 型号：N330—16.7／538／538，型式为亚临界、中间再热、单轴双缸、两排汽、高中压合缸、凝汽式、给水泵汽轮机排汽到主机冷凝器。额定工况0.0064MPa,冷却水温额定25℃,最大35℃。
汽轮机凝汽器真空的经济性、安全性。汽轮机正常运行时，排汽压力的变化对汽轮机的经济性、安全性影响很大，真空的提高，可以使汽轮机汽耗减少而获得较高的经济性、凝汽器真空越高，即排汽压力越低，蒸汽中的热能转变为机械能愈多，被循环水带走的热量愈少，凝汽器压力每减低1KPa，会使汽轮机负荷大约增加额定负荷的2%。真空也不是越高越好，真空越高，循环水泵消耗的能量愈多，末级湿度越大，轴向推力增加。如果凝汽器真空恶化，排汽压力升高，蒸汽中的热能被循环水带走的热量就越多，热能损失越多，则同样的蒸汽流量，同样的初参数，负荷就不能带到额定值。如果需要保持额定负荷必然需要增加蒸汽流量，叶片将要过负荷，轴向推力增加，因此机组在运行中应尽量维持经济真空，以获得较好的经济性.
沙角A电厂#5机凝汽器真空的建立和维持。汽轮机运行中有排汽排入凝汽器由于排汽压力低、容积大，排汽受到连续通过钛管的循环水冷却凝结成水，蒸汽凝结成水后，其体积大大缩小，原来由蒸汽充满的容积空间就形成高度真空。理想状况下，只要循环水不中断，凝汽器真空就可以维持一定水平，但是实际上，汽轮机排汽总是带有一些不可凝结气体及处于高度真空状态下凝汽器及其系统，不可能完全严密，总有一些空气通过不严密的部位漏入真空系统，改造前机组的抽真空系统分别配有两台水环真空泵，运行方式:一台运行一台备用。真空泵型号：2BW4 350-0EK4,配用电机型号：Y355L-10. 水封真空泵连续运行，不断地将凝汽器中的不凝结气体抽出，以维持凝汽器内部真空。
一、改造前真空泵的应用特点
1、选型大
当年在设计选型时，设计部门只考虑快速启机的响应速度（30分钟内达到某真空值）和最大的允许漏气量作为选型原则，因此，选择的水环真空泵功率比较大。
2、效率低
水环真空泵的效率较低，水环真空泵总效率η＝ηιs×ηω×ηm
Ηιs——等温指示效率0.92～0.95，它反映实际压缩过程与等温压缩过程的偏差。
Ηω——0.5～0.7，它反映叶轮搅动液体流动的损失。
Ηm——0.98～0.99，液环压缩机中的机械效率。
因此，水环真空泵的总效率只有45%，如果设备老化或者泵体处密封效果差等因素影响效率更加低。
3、真空泵出力受制于工作水温度的变化
目前，单纯水环真空泵的出力（即是抽气能力）受工作水温度升高的影响较大，这是因为所有水环真空泵厂家提供的性能参数是以工作水在15℃工况下测取的数据，当工作水温度偏离设计值时，抽气能力下降较快，有研究表明，当工作水达到35℃以上，抽气能力急剧下降80%及以上，这是因为工作水温度升高到真空压力下的饱和温度时发生了汽化现象，真空泵主要应付于抽取汽化蒸汽，导致抽空气能力大幅下降；同时，工作水温度的升高对真空泵的极限真空值产生较大的影响——这是因为极限真空值就是工作水温度所对应的饱和压力。为了解决这个问题，华北电力大学一项专利技术（如图1所示）提出，应用冷冻水来降温，但是其系统复杂，制冷系统经过三个以上的循环后才产生作用，传热效果显著下降，虽然，原理上可解决工作水温度高导致真空泵抽气能力下降的问题，但是，真空泵的循环工作水流量达到4～13吨/小时，所需的制冷量大幅提高了能耗！这种技术仅是降低了真空泵工作水温度，维持真空泵的原有抽气出力，当然它的主要功能还是可以小幅提高凝汽器的真空，但这个系统本身不能降低真空泵的能耗，相反还需要增加制冷功耗！
沙角A电厂#5机组水环真空泵的工作水温度：22～39.5℃，因此，水环真空泵存在抽气能力降低和汽化汽蚀现象不可避免。在夏天，真空泵效率会低至30%，凝汽器真空降到－90KPa及以下的主要原因
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图1 水环真空泵辅助冷却系统
二、改造的原因
节能减排是现阶段的主要国策之一。温室效应及一次能源的日趋缺乏和价格居高不下，给火电厂的经营造成了很大的挑战，挖掘潜力、降低成本、增强竞争力是经营者的不二选择。我们厂真空泵节能改造的主要目的也在这里：一方面使真空泵的能耗水平降低；另一方面，改善真空泵的工作状况，提高真空泵的性能，以能快速及时地将漏入真空系统的空气抽出，减少传热阻力，以达到提高凝汽器真空的目的，从而达到降低机组煤耗的最终追求。
三、改造的思路
火电厂发电机组正常运行时，凝汽器处于高度真空状态，此时凝汽器的真空状况并不是依靠真空泵建立的。体现在做真空严密性试验时，即使退出真空泵运行一段时间，凝汽器的真空也不会快速下降，而是缓慢的下降，这是因为，正常运行时凝汽器内部的大量蒸汽被连续通过钛管的循环水冷却凝结成水真空后，体积缩小28000倍形成了高度真空，由于凝汽器系统的不严密性，导致一些不凝结气体（主要是空气）漏入并积聚在凝汽器内，形成水蒸汽凝结放热的热阻，降低了蒸汽凝结速度，导致真空缓慢下降，就出现真空泵退出运行后凝汽器真空值缓慢下降的现象，为了维持凝汽器在高真空状态，必需把不凝结气体不断的抽出，所以，机组正常运行中真空泵的作用主要作用是抽出漏入并积聚在凝汽器内的空气。汽轮机凝汽器正常运行中的漏气量是非常少的，300MW机组在真空严密性试验合格状态下的漏气量仅有10多公斤每小时，其对应-97KPa真空下的容积为200立方/小时，而配备的真空泵抽气能力达到5000立方/小时，因此，在正常运行中，目前的真空泵存在大马拉小车的状况，能耗较高，存在很大的电能浪费，真空泵存在较大的节能空间。
从抽气时间公式：t=2.3×（Ｖ／Ｑ）×ｌｇ（ｐ１／ｐ２）看出，对同一容积（V）的容器，在初终参数（ｐ１，ｐ２）确定情况下，抽气时间是抽气率Q的函数，而抽气率Q的大小代表真空泵的功率大小，若不考虑抽气时间时，也就可不考虑真空泵的功率大小，只要真空泵的性能参数（极限真空值和抽速率）符合抽真空要求即可。这就是在正常运行工况下可用小功率真空泵替代大功率真空泵运行的理论基础。所以，真空泵节能的本质原理是以小代大，而且在正常运行工况下投入运行。
四、改造的方法
沙角A电厂#5机组在抽真空系统中原有两台真空泵组的基础上并联接入一台小功率的罗茨-水环真空泵组，型号：BK1-1200，就可以解决上述问题。当机组启动时候，使用常规真空泵抽吸凝汽器真空，当机组并网发电正常运行时，把常规真空泵切换到小功率罗茨-水环真空泵运行，以小代大实现节能目的。
小功率的罗茨-水环真空泵改造具备如下优点：
1、新泵效率高，功耗低。
2、新泵工作性能不因工作水温度升高而下降。
3、配套的新水环泵不会发生汽蚀现象，转子损坏的风险低。
4、新泵极限真空比常规水环泵高。
五、改造的安全可靠性
任何技术改造及新技术应用必须首先检验它的安全可靠性。沙角A电厂#5机组真空泵节能改造中仅是在原抽真空泵系中并接了一台小功率真空泵，在机组正常运行、真空稳定情况下，将小功率真空泵投入并联运行，然后切除大功率真空泵，并把大功率真空泵置联锁备用状态，当真空系统发生严重泄漏空气，小功率真空泵不能维持凝汽器真空时，联动大功率真空泵，并且小功率真空泵跳闸时联锁启动大功率真空泵，多配置一台小功率真空泵，多了一台大功率真空泵作备用，系统的安全可靠性比原系统的可靠性更高
六、改造效果
1、首先列出改造前水环真空泵投运时的情况，具体各负荷下的参数如下：
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注：a、A、B水环真空泵运行方式为一台运行一台备用。
b、#5机B真空泵因电机轴承烧毁更换备用旧电机，该电机电流过大，表格数据为该泵电机更换前数据。
2、加装罗茨-水环真空泵组后机组运行功率变化列表如下：
负荷 180MW 250MW 300MW
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（注：上表为原离心式水环泵停运，罗茨真空泵组单独运行时所采集数据。）
3、罗茨真空泵组第一次并入系统前，运行方式为B离心式水环泵运行、A泵备用。以B泵作为参照对象进行对比，可得出凝汽器抽气器设备运行时功率的变化。
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4、以机组负荷300MW计算，罗茨真空泵改造后，原离心式水环泵备用，凝汽器抽气设备用电率下降70.8%，机组厂用电率下降0.031%。（#5机组厂用电率约为6.28%）。对比离心式水环泵和罗茨真空泵组单独运行时机组的参数如下表：
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由表中可以看出，两种抽气设备单独运时机组参数变化不大，煤耗基本无变化。罗茨真空泵在运行参数达到了设计要求。
5、参数对比得出的初步结论
#5机组加装一台罗茨-水环真空泵后，在不增加煤耗的基础上，按机组负荷300MW计算，凝汽器抽气设备用电率下降70.8%，厂用电率下降0.031%（按#5机平均厂用电率6.28%计算），节能效果显著。
七、经济效益及社会效益：
1、改造后节电经济性分析。我厂330MW单台机组改造前使用的真空泵运行平均总电流约为250A，改造后设备的总运行电流降至75A以下，每年可节省电量约46万千瓦时。另外机组低负荷时原有大泵电机为定速电机，电流变化不大，但新加装罗茨泵电机为变频电机，其低负荷最低电流比较满负荷最大电流低约20%，此时节电效果更明显。为易于计算，以机组长期满负荷为标（此时项目的节能效果最差），具体计算如下：
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项目总投资在60万元左右，投资回收期不到3年。
2、实现真空泵终身免维护，减少大量的备件采购费用和检修工作量。改造后，因原配置的真空泵仅在启机建立真空时投入运行，若按每年平均启动5次，每次运行8小时计算，全年仅运行40小时，30年运行时间也不过1200小时（即60天），原配置的真空泵长期处于备用状态，不存在汽蚀状况，不存在设备损坏的问题，因此，改造后，原真空泵可终身不需解体检修或大大减少维护次数，真正实现少维护或免维护，从而节省大量的检修费用和减少大量的检修工作，更能节省不少的更换配件费用。
3、社会效益：每台机组每年节省电量460000KWH（按5000运行小时计算），相当于节省标准煤177吨，减少二氧化碳排放375吨。
八 结束语：
真空泵节能技术简单，并无任何的不安全因素，改造后，在设计寿命内（以20年计）总增加经济效益21.16×20=423.8万元，加上节省的维护费用50万元，总效益为473.2万元，对初期投入的60万元是非常值得的，并且还可减少二氧化碳排放375×20=7500吨，总体经济效益和社会效益非常明显，改造意义明显，不但满足了机组提高长期安全性运行要求，而且积极响应国家节能减排政策，起到了非常良好的示范效应。
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图2 改造后真空泵系统