摘 要：文章对华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司600MW亚临界汽轮发电机组的真空系统进行了优化节能改造。解决了机组在夏季工况下机组真空偏低和真空泵叶轮汽蚀严重的问题，改造后机组真空提高0.3KPa（冬季），大幅降低了真空的检修维护成本，起到了很好的节能效果。

关键词：真空泵；蒸汽喷射器；真空

前言

华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司 #1机组，真空泵是上海鹤见泵厂生产的EMVA200，每台机组配3台泵，通常2用1备。真空泵冷却水源来自用循环冷却塔，每年至少有三个月真空泵工作水温高于30℃。水环真空泵的工作液般采用循环水冷却，但循环水温度受到气候条件影响，温度变化较大，特别是夏天，循环水温度可能达到三十多度以上，再加上一定的传热温差，工作液温度有可能达到四十多度，严重影响了机组的经济性和安全运行。鉴于此，我们应用了Presen STE 蒸汽喷射器抽真空系统，可以使凝汽器一直保持在相应工况下的设计最低背压，即凝汽器的真空保持在最高状态，从而达到节能效果，而不受真空泵工作液温度过高问题导致的抽吸能力下降的限制，同时还能很好的解决真空泵的噪音和叶轮断裂问题。

1 抽真空系统运行现状及改造必要性

1.1 影响水环真空泵工作性能的因素

华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司#1机组凝汽器抽气使用的真空泵属于水环真空泵，水环真空泵的性能与所抽吸气体的状态（压力、温度）和工作液的温度有关。

1.1.1 抽气压力影响

抽气压力是以水环泵的吸入口压力——即以凝汽器压力为基础的，并且随着凝汽器压力的变化而变化的（凝汽器抽气口压力一般在3.39kPa到12kPa范围变化）。

在一定条件下的抽气量Vs、泵轴功率Pp、等温总效率ηp与抽气压力Px之间的关系曲线即为水环真空泵的特性曲线，见图1。从图中可以看出，真空泵抽气量、轴功率和等温总效率随着抽气压力的变化趋势。

1.1.2 抽气温度影响

对应抽气压力、抽气温度在25℃到49℃范围内变化（不考虑抽气过冷度），图2是不同抽气温度下真空泵的特性曲线。

从图2中可以看出，抽气温度越低，抽气量越大，但是根据凝汽器运行工况，一般情况下抽气温度都会高于设计抽气体温度（20℃），但是因为抽气压力一般在10kPa以下，因此从图中看出，抽气温度对抽气量影响不太明显。

1.1.3 工作水温度影响

从图3中可以看出，工作液温度对真空泵性能影响较大，特别是在抽气压力比较低的情况下影响更加明显，而电厂中真空泵的抽气压力刚好在此范围之内。因此提高真空泵工作性能从改变工作液温度着手切实可行，且效果明显。

1.2 水环式真空泵系统存在的问题及改造必要性

随着工作时间的延长，由于做功和水蒸气释放气化潜热会造成工作液温度不断升高，而工作液温度的升高会造成真空泵抽气能力下降，凝汽器真空变差，影响机组经济性，同时还会引起真空泵汽蚀，影响安全运行。

工作液的设计温度是15℃，实际运行中均高于这一温度，目前真空泵工作液通常由循环水冷却，但是循环冷却水温受气候影响，特别是夏天随着循环水温度升高，真空泵工作液温度将远高于设计值。工作液温度升高会造成以下后果：

1.2.1 破坏真空，降低机组经济性

随着工作液温度升高，对应的饱和压力不断升高，比如30℃的汽化压力为4.241kpa，40℃的汽化压力为7.35kpa，当水环真空泵抽吸压力小于或等于工作液温对应的饱和压力时，将使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工质汽化产生的气体挤占真空泵抽气量造成真空泵出力严重不足，不凝性气体将造成传热恶化并在凝汽器内积聚破坏凝汽器真空，水蒸气中质量含量占1%的空气能使表面传热系数降低60%，从而降低机组经济性。由热力学知识可知，凝汽器真空变差，则机组热经济性会显著下降。

1.2.2 水环真空泵汽蚀

真空泵在运转中，若局部区域工作液的绝对压力降低到当时温度下的工作液气化压力时，工作液便在该处开始气化，产生大量蒸汽形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经过叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以致破裂。在真空泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是真空泵中的汽蚀过程。金属表面出现点蚀现象，严重的会出现蜂窝状损坏。如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力，还会引起应力释放，产生裂纹，严重影响设备安全高效运行。

为了防止水环真空泵发生汽蚀，运行中通常要求真空泵的抽吸压力必须比工作液温对应的饱和压力至少高出0.85kpa。因此如果工作液温度为30℃，对应饱和压力4.241kpa，则真空泵抽吸压力不能低于5.091kpa，但是如果工作液温度20℃，则真空泵抽吸压力可降低至3.188kpa。

因此，无论从机组运行经济性还是安全性考虑，都需要对凝汽器的抽真空系统进行技术改造。

2 国内外研究水平综述

目前，针对真空系统的改造主要有以下几种方式：方案1：在水环泵前加装大气喷射器，解决泵的振动、噪音、汽蚀和转子断裂等安全性问题，配合精确的设计计算，也可以达到一定的节能效果，在夏季工况预计可以提高机组真空0.2-0.3kPa左右；方案2：给真空泵冷却水加装冷却装置，即冷冻水系统，在夏季工况下一般可提高机组真空0.2-0.3kPa左右；方案3：结合方案1和方案2，将大气喷射器和冷却水系统联锁，根据真空系统的漏空气量，进行联锁控制，在最低耗能的情况下，达到机组真空始终保持凝汽器最高真空状态下的节能效果，同时解决真空泵的汽蚀和转子断裂等安全性问题；改造该系统后，在夏季工况下预计可以提高0.3-0.5kPa左右；方案4：加装蒸汽喷射器，用0.3MPa以上的蒸汽作为动力源，抽吸真空系统内的干空气和水蒸气，蒸汽喷射器后接一管列式冷凝器，把抽出气体中的水蒸气冷凝成水回收到凝结水系统，干空气由真空泵抽出。这种方式，可以保证机组真空保持在凝汽器的最高真空状态，同时解决真空泵汽蚀和转子断裂等安全性问题；改造该系统后，在夏季工况下可以提高0.3kPa及以上真空。

对比这四种方案，特点如下：方案1，可以很好地解决振动、噪音及汽蚀等安全问题，但是用大气作为动力源有可能增加真空泵需抽吸的不凝气体量，对于设计精度要求很高，且真空提高能力有限，是对真空泵缺陷的一种弥补改进措施；方案2，效果显著，但因为真空泵长期处于高真空状态，叶轮的应力几何倍数的增加将会导致叶轮的裂纹和断裂等安全性问题，同方案1，也是对系统缺陷的一种弥补改进措施；方案3和4都比较完善，但是方案4只增加一级蒸汽喷射器使得系统更加简洁、易维护，它本身就是一个抽真空系统，独立于真空泵，不受真空泵性能的影响，而且抽吸能力根据系统给定的最恶劣情况设计，因而在设计值范围内对机组严密性不敏感，可以进一步减少真空系统维护工作量。真空泵在这个系统中的作用只是抽吸少量蒸汽喷射器剩余的不凝气体，从根本上解决了由真空泵缺陷带来的问题。与大气喷射器相比，它只需要消耗几百公斤的蒸汽（0.3MPa以上的压力），但可以抽到更高的真空，以及解决真空泵因汽蚀产生的噪音和转子断裂问题。

从前期投资、经济性、运行维护费用和可靠性方面综合考虑，本次可行性研究选择了Korting STE透平蒸汽喷射器抽真空技术。

3 Korting STE透平蒸汽喷射器抽真空系统介绍

Korting STE透平蒸汽喷射器系统，吸气侧直接以凝汽器的最低背压为设计点，考虑系统的最大可能的漏空气量，动力侧以0.3MPa以上压力的蒸汽作为动力源，通过动力喷嘴以超音速射流，产生真空，来抽吸凝汽器里的不凝气体，两股气体充分混合后，进入冷凝器，水蒸气冷凝成水，回收到热井或者冷凝器。冷凝器出口压力设计为10～12kPa以上，该压力的不凝结气体进入末级抽气系统。末级抽气系统有两种方式：蒸汽喷射器或真空泵。（见图5）

汽轮机的废蒸汽1在汽轮机冷凝器中冷凝，吸入侧A由空气、不凝气和夹带蒸汽被抽吸到两级真空系统3中的第一级喷射器3.1，通过内冷凝器3.3，二级喷射器3.2和后冷凝器3.4，不凝气体在E处排到大气中。A处的部分蒸汽和D处蒸汽在冷凝器冷凝，作为冷凝液从C处回到热井及汽轮机冷凝器（冷凝液回收）。

透平冷凝液B被用做蒸汽喷射器系统的冷却水，它通过级间和后冷凝器3.3和3.4带走凝结后的吸入流体和动力流体的热量，这样的热交换完成了透平冷凝液回流到蒸汽锅炉的流体F的第一级预热。蒸汽喷射系统在两级喷射器3.1和3.2作用下产生真空。

D侧为动力蒸汽侧，通过动力喷嘴以超音速射流，产生真空，A为凝汽器来汽侧，与D侧的蒸汽混合后通过排出侧E排出。

4 研究内容和实施方案

4.1 Korting STE透平蒸汽喷射器抽真空系统改造技术方案概述

根据包头公司#1组的真空系统及真空泵的运行情况，本次改造选择在现有真空泵前面串联一套Korting STE透平蒸汽喷射器系统，组成一套完备的凝汽器抽真空系统。

4.1.1 设计原则

（1）蒸汽喷射器的设计原则：根据凝汽器的最低背压，考虑机组真空严密性，为蒸汽喷射器抽吸口的压力设定，根据提供的动力蒸汽的压力，选取合适的蒸汽喷射器的出口参数，最终决定了动力蒸汽的耗量。

（2）表面式冷凝器的设计，根据冷却水的最高温度，来进行换热面积的计算，并根据经验参数考虑余量，确保系统长时间运行的可靠性。

（3）控制系统可实现远程DCS系统控制和就地控制。

4.1.2 系统流程图如图6所示

图6 改造后凝汽器抽真空系统流程图

4.1.3 通过改造后，预计达到的效果

（1）确保凝汽器保持高真空状态，不受机组严密性和真空泵性能的影响，保证经济节能运行；改造后，预计能提高凝汽器真空0.3kPa～0.5kPa。（2）解决真空泵因汽蚀生产的噪音大和叶轮裂纹甚至断裂等安全问题，并且由于真空泵运行由原来的两用一备变成一用两备，可以降低真空泵的运行电流，达到减少厂用电的节能效果。

4.1.4 系统运行所需的蒸汽来源

0.3Mpa以上的压力蒸汽，可从辅机联箱里抽出，耗气量在500～700kg/h左右。

4.2 Korting STE透平蒸汽喷射器抽真空系统改造主要设备

真空系统改造加装的系统包含如下内容：（1）Korting STE透平蒸汽喷射器；（2）Korting STE表面式冷凝器；（3）阀门、仪表、变送器等附件。

5 改造后试验结论及效益分析

5.1 蒸汽喷射改造后试验对比

#1机组大修期间在凝汽器抽真空系统中安装蒸汽喷射器系统，解决真空泵夏季高温因汽蚀生产的噪音大和叶轮裂纹等安全问题以及出力不足的问题，在一定范围内提高凝汽器真空；真空泵运行由原来的两用一备变成一用两备，达到减少厂用电的节能效果。试验期间对蒸汽喷射器系统进行了切除，就切除后与投入时真空情况进行对比，见表1。

步骤1：试验开始前，蒸汽喷射装置正常运行，9：55分开始切除蒸汽喷射装置，10：19分开始再次投入蒸汽喷射装置。

步骤2：试验前后真空泵冷却水始终为10摄氏度，试验要求为30摄氏度，电厂考虑安全因素，未升高冷却水温度。

步骤3：试验中，蒸汽喷设装置的切除方式是蒸汽喷射器装置不停，照常进汽和冷凝，然后关闭凝汽器至蒸汽喷射器吸气入口的汽动隔离门和打开高低压凝汽器的串联门。

通过表1数据看出，在真空冷却装置切除时，高压真空为-86.33kPa，低压真空为-86.86kPa，真空逐渐下降，到20分钟左右真空达到稳定值，此时高压侧为-86.07kPa，低压侧为-86.55kPa；由此可以看出在投入与切除真空冷却装置前后，高压侧降低0.34kPa，低压侧降低0.31kPa，平均影响为0.325kPa。

5.2 改造效果分析

（1）改造前后凝汽器主要性能指标如表2所示。

表2 600MW工况下大修前后凝汽器主要性能指标对比

（2）由表2可知，凝汽器大修改造后，修正到设计条件下，低背压凝汽器压力降低了0.669kPa，高背压凝汽器压力降低了0.107kPa，达到预期效果。

5.3 效益分析

按包头公司#1机真空严密性200Pa/min的情况及真空泵运行状况数据计算，加装Korting STE透平蒸汽喷射器抽真空系统平均提高机组真空0.5kPa，机组真空每提高1kPa节约煤耗2.5g/（KW·H），标煤单价640元/吨，真空泵工作液温25℃以上运行时间4个月（2880h）计算。

1台600MW机组每年燃煤节约费用：

（600×103）×2880×（0.5×2.5×10-6）×640=138.24万元

系统改造后正常运行时真空泵由原来的两用一备，变为一用两备，可退出一台真空泵运行。每台泵停用一小时节省约80度电，厂用电单价按0.3元/千瓦时计算。

1台600MW机组每年厂用电节约费用：

80×24×365×0.3=21.02万元

则该系统改造后的每年经济收益为：138.24+21.02=159.26万元/年。

注：改造后由于真空泵不再出现汽蚀、叶轮裂纹、断裂等安全问题而节省的维护、更换费用没有计算在内。

6 结束语

本次将蒸汽喷射器在600MW机组真空系统优化节能改造上应用，解决的问题及取得的节能成效突出表现在以下几方面：（1）真空系统的优化改造解决了真空泵夏季工况运行由于真空泵冷却液温度过高造成真空泵出力降低的问题。（2）真空系统的优化改造解决了真空泵由于工作液温度过高造成真空泵汽蚀损坏叶轮等部件，大幅降低了检修费用。（3）真空系统的优化改造使机组真空全年都有所提高，提高机组经济性。（4）真空系统的优化改造改变了原有的运行方式，实现真空泵1运2备，对厂用电率的降低起到一定的作用。

综上所述，真空系统加装蒸气喷射器改造在节能方面起到很好的作用，同时对机组的安全稳定运行起到了保证性作用，此技术改造目前未暴漏出具体问题，具有很强的推广价值。

参考文献

[1]华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司.#1机组整体优化后性能鉴定试验报告（汽机部分）.

[2]华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司.#1机组真空系统优化节能研究及应用.

作者简介：赵志中（1970-），男，籍贯：山西，内蒙古工业大学热能动力专业，学历：研究生，现职称：高级工程师，华电内蒙古能源有限公司包头发电分公司总工程师。