刘 凯1,2，泰惠敏1,2，吴曰舜1,2
(1.江苏省电力公司技术中心，江苏 南京 210036;2.江苏省电力科学研究院有限公司，江苏 南京 210036)摘 要：介绍国产300MW 汽轮机真空抽气系统实施技术改造的成功经验。阐述真空抽气系统的抽吸能力与环境温度(即循环冷却水温度)、凝汽器设计及运行性能、真空系统严密性、凝汽器空气冷却区气汽混合物的比例及数量等之间的关系，其中确定机组真空抽气系统实际需要处理的汽气混合物的数量是技术改造成功的关键。比较射水抽气器、水环真空泵和射汽抽气器的性能特点后，确定选用水环真空泵，取得满意的效果。关键词：国产300MW 汽轮机；真空抽气系统；技术改造；水环真空泵；选型计算中图分类号:TP29 文献标识码:B 文章编号:1001-9529(2004)11-0049-04 Technical retrofit of vacuum extraction system for domestic 300MW steam turbine
LIU Kai 1,2TAI Hui -min 1,2W U Ri -shun 1,2
(1.R &D Center ,Jiangsu Provincial Electric Power Company ,Nanjing 210036,China ;2.Jiangsu Provincial Electric Power Research Institute Co .,Ltd .,Nanjing 210036,China )
A bstract :The successful experiences in technical retrofit of the vacuu m extraction s y stem for dom
estic 300MW steam tur -bine were introduced .The relation of the capability of the vacuum extraction s ystem with the factors of environment tempera -ture (i .e .temperature of circulating cooling water ),the designed and operation performance of condenser ,the sealing tight -ness of the vacuu m system ,the proportion and quantity of the gas -steam mixture in the air -cooled sector of the condenser was expatiated .It was confirmed that the quantity of the gas -steam mixture which requires treatment in the vacuum extrac -tion s ystem of the unit is the key to a s uccessful retrofit .After comparing the performance features of the water jet air ejec -tor ,water ring vacuum pump and steam jet air ejector ,the water ring vacuum pump was chosen with satisfactory effect .Key words :domestic 300MW steam turbine ;vacuum extraction system ;technical retrofit ;water ring vacuum pump ;type selection calculation
谏壁发电厂共有4台国产300MW 汽轮发电机组，每台机组配有一台主汽轮机凝汽器、两台给水泵汽轮机凝汽器。各台凝汽器均设有独立的真
空抽气系统，存在系统设计不合理、能耗及循环水耗量大等问题。在完成主汽轮机通流部分技术改造后，汽轮机额定容量增加为320MW ，排汽量相应增加，对机组真空抽气系统的适应能力提出了更高的要求。
同时，新机组扩建规划需要对全厂循环冷却水系统进行重新布置和水量平衡。为此，委托江苏省电力科学研究院有限公司以满足机组运行对真空的需要为前提，降低真空抽气系统电耗和水量消耗为原则，对真空抽气系统进行研究，寻求全面的解决方案，并确定10号汽轮机为首台实施真空抽气系统技术改造机组。
1 真空抽气系统设备概况
主汽轮机原配置有2台CS -1200-60-1型射水抽气器，抽气器为7通道，喷嘴直径为46mm 。铭牌参数为：工作水压0.45MPa ，吸入口压力3.5kPa ，额定抽干空气量60kg /h ，工作水量1200t /h 。
每台给水泵汽轮机凝汽器，配备1台CS -150-6-1型射水抽气器，为单通道短喉管型式，铭牌参数为：工作水压0.32MPa ，吸入口压力5kPa ，额定抽干空气量6kg /h ，工作水量150t /h 。
机组轴封系统配有一台型号为CS /E -300-700型射水抽气器，属低真空抽气器。工作水压0.32MPa ，吸入口压力为90～95kPa ，工作水温20℃，工作水量300t /h ，抽气量700kg /h 。
usb视频设备每台机组共配置5台射水抽气器，由3台
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49—第32卷 第11期2004年11月
华东电力East China Electric Power
Vol .32 No .11Nov . 2004
14sh-9A型射水泵供水，射水泵设计扬程0.64 MPa，流量1170m3/h，配用电动机功率为300～315kW。工作水取自循环水系统，完全开式排放。由于系统设计不合理，运行时需2台射水泵并列运行,1台备用。2台14sh-9A射水泵并列运行时，实测系统功耗637kW、水量2500t/h。
2 改造的关键技术
由于国产300MW级汽轮机组真空系统复杂，服役年限较长，设备陈旧，真空严密性差(大多在400～800Pa/min)，而且技改项目是在运行机组上进行的，保证改造后的真空抽气系统不仅能完全替代原有的系统，还应满足主机增容改造后排汽量增加对真空抽气系统抽吸能力新的需求，同时具有相应的储备容量，在汽轮机组各种可预见的运行工况下都能与凝汽器相互匹配。以下是需要解决的关键技术。
2.1 确定真空抽气系统需处理的混合气体量
真空抽气系统需处理的混合气体来源于汽轮机组运行中处于真空状态下的系统及设备的不严密处漏入的气体、工质中携带的各种不凝结气体、以及水蒸汽等。它们的数量取决于真空系统的范围及严密性、凝汽器设备结构尺寸及性能的完善程度、运行工况调整(特别是轴封系统的运行状况)等因素，而这
些因素主要是由汽轮机组的容量决定。一般来说，机组容量越大，其数量越大。
对于新机组，美国、德国等国家均根据本国汽轮机组设计、制造、安装、运行、维修的实际情况，制定了有关的国家标准，如：美国热交换器协会“HEI”最新版《表面式凝汽器标准》。在这些标准中规定了如何根据汽轮机组的排汽量、排汽口的数量、凝汽器壳体的数量等确定真空抽汽装置所需处理的混合气体的数量。而我国目前尚未制定相关标准，一般情况下，该数量是由设计院提供。
对于在役机组，目前各国尚无相应的技术标准，在进行技术改造时，应遵循真空抽气系统处理混合气体的能力与凝汽器的需求相适应的原则。在选型设计前安排进行原配射水抽气器的性能试验、机组真空系统泄漏量的测试(约为58kg/h干空气)、真空严密性试验(约为800Pa/min)，掌握机组真空抽气系统的实际工作状态及对抽吸能力的要求，这是技术改造能否成功的关键。
根据水蒸汽和干空气状态方程式，道尔顿定律(Dolton La w)可以推导出水蒸汽量与干空气量的关系。
2.2 选择真空抽气装置的类型
凝汽式汽轮机组真空抽气系统配置的抽气器主要有射水抽气器、射汽抽气器及水环真空泵。
射水抽气器由于结构简单、工作可靠、投资成本低，成为现役国产汽轮机组抽气器的首选，但耗水量大，耗电多，运行成本高的缺点也是十分突出的。水环真空泵具有集成化强、占地面积小、系统故障
少、维修方便、工作适应范围大(既能作为启动抽气器，又能承担维持真空运行)、节电节水的特点。射汽抽气器，就节电节水而言，不亚于水环真空泵，但射汽抽气器在设计工况下要求工作蒸汽压力定压运行，否则其性能将会恶化，对于单元制运行的机组，特别是负荷变动比较频繁的机组，其适应性受限制。
经过综合比较，决定采用水环式真空泵替代原真空抽气系统所用的射水抽气器。
2.3 真空抽气装置设计参数的确定
(1)机组主要技术参数(表1)
表1 主机主要参数
参 数主机给水泵汽轮机机组额定功率/MW3205.5
主蒸汽流量/t·h-197633.5
排入凝汽器流量/t·h-159633.5
凝汽器设计背压/kPa5.15.0
可降解塑料检测
凝汽器设计冷却水温/℃20/3320/33
凝汽器壳体数/个11
汽轮机主排汽口数/个41
凝汽器冷却水源长江长江
(2)抽气器吸入压力
民宿管理系统根据美国HEI标准，设计吸入压力取3.385 kPa和凝汽器设计压力5.1kPa两者中的小者，决定时，还应考虑在整个可预见的凝汽器运行压力范围内凝汽器及其抽气设备运行的协调性，以及系统设备的实际布置情况。
主汽轮机设计排汽压力为5.1kPa，给水泵汽轮机设计排汽压力为5kPa，考虑流动阻力，抽气器的吸入压力应比机组的排汽压力低。最后确定抽气的设计吸入压力为4.0kPa，能满足机组设计真空的需求。
(3)抽气器吸入温度确定
根据美国HEI标准，抽气器的设计吸入温度应为设计压力下吸入的混合气体的饱和温度。由于运行中该温度受到运行特性、非凝结气体数量、
50(总750)华东电力2004,32(11)
以及抽气器容量特性的影响，可以用对应于抽气器设计压力下的饱和蒸汽温度减去0.25(T s-T1)和4.16℃两者中的大值来代替，其中T s为饱和蒸汽温度28.98℃;T1为进口水温20℃。最后确定抽气器设计吸入温度为24.82℃。
(4)主汽轮机水环真空泵抽吸能力确定
根据美国HEI标准，当凝汽器壳体数为1个，排汽口为4个，每个排汽口的排汽量149t/h时，抽气器的抽吸能力应满足处理101kPa,21℃工况条件下汽轮机组泄漏量(干空气量)40.82kg/h的需求。
根据现场试验获取的数据分析，汽轮机组泄漏量(干空气量)在58kg/h左右，考虑到各种运行工况的变化，特别是夏季循环水温升高的影响，轴封系统调整，真空严密性下降等因素，将抽气器抽吸能力定为40.82～60kg/h(干空气量)。
(5)给水泵汽轮机水环真空泵抽吸能力确定
根据美国HEI标准，凝汽器壳体为1个，排汽口数为1个，每个排汽口的排汽量为33.5t/h，抽气器的抽吸能力应满足处理101kPa,21℃工况条件下汽轮机组泄漏量(干空气量)10.21kg/h的需求。
根据现场试验获取的数据分析，原CS-150-6-1抽吸能力6kg/h，所以，给水泵汽轮机抽气器抽吸能力定为6～10.21kg/h(干空气量)。
3 技术方案
3.1 水环式真空泵的确定
目前国内较多使用的有武汉四方泵业有限公司和上海NASH两家生产的水环式真空泵，前者采用单级泵设计,NASH采用的是两级泵设计。由于在两级泵里，气体的压缩不像单级泵是一次完成，而是分两次完成的。这样压缩热分成两次传给密封液，两级泵密封液的温升比单级泵的要小，而密封液的温度又决定水环式真空泵的抽吸性能，故两级泵的性能曲线较单级泵的更接近理想的热力极限曲线，工作效率较高。同时，在相同的凝汽器背压下，因两级泵每级的压缩比较小，工作水的最高圆周速度小于单级泵，出现汽蚀可能性变小。经过综合技术经济分析，确定选用上海NASH的TC型两级真空泵。
根据NASH TC11的保证性能，当抽吸压力为4.0kPa时，对应的抽气能力为1954～2167m3/h、64.3～71.3kg/h，满足所确定的主汽轮机水环式真空泵技术参数要求。根据NASH TC M3的保证性能曲线，当抽吸压力为4.0kPa时对应的抽气能力为260～300m3/h、8.6～9.9kg/h，满足所确定的给水泵汽轮机水环式真空泵技术参数要求。因此选定NASH TC11和NASH TCM3型水环真空泵分别作为主汽轮机和给水泵汽轮机真空抽吸装置。
365t
3.2 系统设计方案
(1)主汽轮机采用独立的真空抽气系统，用3台NASH TC11水环式真空泵替代原2台CS-1200-60-1型射水抽气器。
(2)给水泵汽轮机采用连通抽气系统，即2台机组抽气系统相互连通，用3台NASH TCM3水环式真空泵替代原2台CS-150-6-1型射水抽气器。
3.3 系统布置
(1)主汽轮机真空抽气系统及平面布置
主汽轮机凝汽器中的空气由设在凝汽器两侧的2只DN250空气门引出，经237×5管道合并后管径为377×5，取消原去射水抽气器的空气管，将377×5管道在4.5m标高处延伸至发电机出线小室后向下降至3.0m标高，沿A排侧水平方向布置，由337×5总管分别经237×5管道接入NASH TC11水环式真空泵的吸入口。NASH TC11水环式真空泵基础尺寸为1500×4 800mm，基础标高为+0.40m，泵中心标高为+1. 166m,3台水环式真空泵分别布置在原3台射水泵的位置上，呈纵向布置。
(2)给水泵汽轮机真空抽气系统及平面布置
2台给水泵汽轮机采用连通的抽气系统，共采用3台NASH TCM3水环式真空泵。2台给水泵汽轮机凝汽器的两侧108×4空气管，分别接入布置在A排汽轮机平台柱北侧的219×6的抽气总管后，排出A排柱侧墙外。NASH TC M3水环式真空泵泵基础尺寸为1000×2400mm，基础标高为+0.20m，泵中心标高为+0.595m，分别布置在A排26、27号柱之间，呈横向布置。
布置示意图如图1所示。
4 实施结果
技术改造工作于2003年5月完成。通过性能试验、夏季工况考核以及近1年的运行均表明,
刘 凯，等 国产300MW汽轮机真空抽气系统技术改造51(总751)
图1 改造前后真空抽气系统变动示意图
改造后的真空抽气系统，投用1台NASH TC11和1台NASH TC M3水环真空泵运行，即可满足机组运行的需要。实测系统功耗为改造前的1/5，水耗为改造前的1/60。
4.1 性能试验
(1)建立初始真空
液冷服务器
2台NASH TC11水环真空泵运行，供轴封汽后40min，凝汽器真空从“0”升至83kPa。
(2)维持真空运行
1台NASH TC11水环真空泵运行，机组负荷309MW，循环水温度25.4℃，主汽轮机凝汽器真空93.5kPa。1台TC M3运行，给水泵汽轮机凝汽器真空为95kPa。
4.2 夏季工况考核试验
机组负荷331MW，循环水温度31℃，分别投运1台NASH TC11水环真空泵和1台NASH TC M3水环真空泵运行，主汽轮机凝汽器真空为90.5kPa，给水泵汽轮机凝汽器真空为93kPa，可以满足机组运行的需要。
本次技术改造的费用为264万元，改造后直接收益112.72万元/年，约2.34年即可收回全部投资。
5 结论
(1)通过对有关凝汽器真空抽气系统设计理论、国际上现行技术标准(如美国HEI标准、前苏联B TИ标准等)进行了深入细致、系统地分析研究，掌握了真空抽气系统的抽吸能力与环境温度(即循环冷却水温度)、凝汽器设计及运行性能、真空系统严密性、凝汽器空气冷却区气汽混合物的比例及数量等之间的
关系。结合一些机组在进行类似技术改造时未能取得预期效果的事例，进行综合分析，通过有针对性的分析研究，掌握机组真空抽气系统的实际工作状态、对抽吸能力的需求，制定相应的设计方案和技术措施，为成功实施技术改造奠定了基础。
(2)进行老机组真空抽气系统技术改造时，必须针对性地计算出需处理的汽气混合物的数量。实践情况表明，本项目机组实际需处理的混合气体量明显大于按美国HEI标准确定的数量，这是标准“适用范围”的差异造成的，不能盲目机械地套用。
(3)射水抽气器处理从凝汽器中抽取的汽气混合物的能力明显优于水环真空泵，汽气混合物中的水蒸汽含量对射水抽气器的性能基本不发生影响，但对水环真空泵性能的影响却是不能忽视的，过多的水蒸气含量将导致水环真空泵工作水温的增高，影响泵组所能达到的极限真空，在进行替代选型时对此应给予充分的重视。
NASH水环真泵在入口处设有喷嘴，喷射冷却水使进入的汽气混合物的体积减小，从而增加泵的处理能力，这也是最终选择NASH水环真空泵的因素之一。
(4)虽然水环真空泵和射水抽气器的工作介质都是水，但射水抽气器是直接使用循环水，而水环真空泵的工作水是通过循环水冷却的，它比前者高，这一差别可能影响水环真空泵的预期使用效果，设计时应给予充分考虑。
(5)凝汽器的极限真空是由其冷端温度(即循环水温度)决定的，在真空抽气系统抽吸能力与机组所需处理的汽气混合物相匹配的情况下，单纯靠增加真空抽吸装置的台数，是不能提高凝汽器的真空值的。
收稿日期:2004-06-15
作者简介：刘 凯(1949-)，男，高级工程师，主要从事发电厂热能动力工程试验研究及技术改造工作。
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