真空泵加装压缩制冷装置技术

摘要：现代火电机组抽真空系统都采用水环式真空泵。水环真空泵是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000～4000Pa。水环式真空泵主要应用于火电厂300MW亚临界参数以上的凝汽器抽真空系统中。水环真空泵工作性能受密封水温度影响很大。针对大唐长春第三热电厂MI0-BFML型真空泵在夏季工作时由于闭式循环冷却水温度过高造成水封温度过高问题，加装压缩制冷技术，降低了水环真空泵密封水工作温度，提高了真空泵性能，提高了凝汽器真空，提高了机组效率。

关键词：水环真空泵，密封水温度

1、前言

在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图1顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。综上所述，水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。

水环真空泵真空度比较低，水环真空泵是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000～4000Pa。这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压力的限制。水环式真空泵冷却蒸汽的能力主要取决于冷却密封水温度及密封水流量，这两个参数的变化决定了水环式真空泵系统的工作效率，而冷却密封水温度又取决于冷却器（热交换器）循环冷却水的温度与流量。从热力学角度可知，当水的温度达到其对应压力下的饱和温度时就会汽化。运行中的真空泵吸气腔的真空比凝汽器真空要高些，而形成水环的密封水受到真空泵叶轮做功，其温度要升高4℃左右，所以在真空泵冷却器效果变差的情况下，密封水就会产生汽化，真空泵的出力就会下降。运行中的水环式真空泵的密封水温度普遍都较高，尤其在我国南方的夏季。当真空泵密封水温度达到35.5℃时，从“水与水蒸气特性参数表”可以查知，这一密封水温度对应的汽化压力为5.8kPa，这就是真空泵在运行条件下的“极限抽吸压力”。

一般情况下水环式真空泵密封水设计为除盐水或闭冷水，密封水的冷却水都设计为循环水（没有经过处理的海水或淡水），虽然在设计上真空泵密封用水不会达到饱和值，但在实际运行中，由于循环水的水质变差、夏季水温大幅升高、冷却器结垢、赃物等堵塞造成冷却器的冷却水流量不足等原因，冷却器的换热效率下降，造成冷却器端差增大。它不仅严重地影

响机组的出力，使机组运行经济性下降，而且由于密封水汽化，还会导致真空泵叶轮汽蚀损坏。特别是在春夏秋三个季节，由于真空泵出力不足，汽轮机凝汽器真空下降，导致供电煤耗上升，严重影响汽轮机的安全经济运行。

大唐长春第三热电厂两台C280/N350-16.7/537/537型汽轮机是采用闭式循环冷却水来冷却水环真空泵密封水的。在夏季运行时，闭式循环冷却水温度高达37～44℃，致使真空泵密封水工作温度也非常高，严重的影响了真空泵性能。针对这一现象，大唐长春第三热电厂采用压缩制冷技术来降低真空泵密封水工作温度。具体加装技术如图2所示。

制冷装置与冷却器串联应用的核心技术是在真空泵冷却器出口串联一套压缩制冷装置，通过压缩制冷装置控制水环式真空泵密封水温度，压缩制冷装置可实现根据冷却器冷却水温度设定自动跟踪，作为真空泵冷却器的辅助设备，达到提高真空泵出力和提高凝汽器真空的目的。

2、技术特点

目前真空泵生产厂家对真空泵密封水过冷度研究较少，降低密封水温度的手段也只是停留在板式或管式冷却换热器上，而板式或管式冷却换热器的冷却能力受到循环冷却水温的限制，被冷却工质不能降到冷却工质入口温度以下，采用制冷装置就解决了受循环冷却水温限制的问题。

串联方式还有一个非常重要的特点就是保证在制冷装置控制系统故障时不会使密封水发生结冻现象，原来的冷却器对制冷机起到保护作用。同时制冷装置用闭冷水作为冷却水不仅冷却效果好于冷却风扇，而且减少耗电，并减少冷却风扇的投资。在可靠性方面由于制冷装置和冷却器串联，如果制冷装置在运行中发生跳闸，真空泵可以继续恢复到没有制冷装置运行状态，对机组的安全运行不会造成任何影响。

3、节能效果

凝汽器真空变化对汽轮机的经济性有很大的影响，提高真空可以使汽轮机的耗汽量减小，供电煤耗降低，获得较好的经济性，所以保持凝汽器较高的真空和较小的端差，是提高机组循环热效率的主要方法之一。由性能计算得知，真空度升高1%煤耗大约减少1%，所以当凝汽器真空提高1Kpa时，发电煤耗降低大约3.2g/kwh左右（按平均供电煤耗320g/kwh计算）。

大唐长春第三热电厂采用水环真空泵加装压缩制冷装置后，真空泵密封水温度降低10℃左右，凝汽器真空提高约0.5-0.7kPa左右，经济效果显著提高。按每天发电量1000万千瓦时计算，由前面计算得知，供电煤耗=0.5×3.2=1.6g/kwh，每天少烧标准煤=1000×104kwh×1.6g/kwh=1600×104g=16t，每天节省燃料成本=16t×700元/t=11200元，按每年机组利用时间为290天计算，每年节省燃料成本=290×11200元=324.8万元。可见大唐长春第三热电厂采用水环真空泵加装压缩制冷技术后所得收益是巨大的。

4、结论

打破传统工业所用工质的冷却理念，把制冷压缩装置串联在常规的板式或管式表面的换热器中，保证了汽轮机在设计真空下安全、高效、经济运行。通过对真空泵冷却器的改造，成功的用最小的投资获得最大经济效益。采用制冷压缩机和冷却器串联方式，并采用闭冷水冷却制冷机，为火力发电厂节能降耗开创了技术创新的新思路。（作者单位：大唐长春第三热电厂）