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摘 要：本文结合具体的工程技术条件，详细阐述了大容量双背压汽轮机发电机组的凝汽器抽真空系统的真空泵配置方案及真空泵的选型计算方法，并比较了配置4台不同容量的真空泵和3×50%真空泵方案的经济性，得出4台不同容量的真空泵配置方案经济性更优的结论。
关键词：凝汽器；双背压；真空泵；经济性
凝汽器是汽轮机组的重要辅机，凝汽器的真空度，直接影响火电厂经济运行。
大容量凝汽式发电机组在凝汽器背压高于设计值时，背压升高0.1kPa，机组煤耗约增加0.28g/kWh。凝汽器内的空气等不凝结气体在凝汽器管束周围表面形成气膜，影响凝汽器的传热性能，导致真空降低。维持凝汽器真空的重要设施是设置合理的凝汽器抽真空系统。目前，300MW以上的机组均采用效率较高、运行稳定性好的水环式真空泵，而不采用射汽抽气器、射水抽气器等。机组的类型及背压的不同，真空泵的配置方案也不尽相同。本文将针对某大容量双背压凝汽器式汽轮发电机组，给出真空泵的选型及配置方案。
1. 工程技术条件
本工程汽轮机、凝汽器及给水泵汽轮机的主要技术参数如下：
1） 汽机：采用单轴、一次中间再热、四缸四排汽、凝汽式、国产超超临界机组，汽轮机的蒸汽参数为28MPa/600℃/620℃。VWO工况下，汽轮机的排汽量为475.533kg/s（1711.9t/h）。
2） 凝汽器：采用双壳体、双背压、单流程凝汽器，凝汽器面积60000m2，凝汽器设计背压，高背压5.5kPa，低背压4.3kPa，平均背压4.8kPa。
3） 给水泵汽轮机：给水系统配置1台100%容量的汽动给水泵和1台100%容量的给水泵汽轮机，给水泵汽轮机的排汽分两个接口接入凝汽器，给水泵汽轮机的排汽量为51.72（186.2t/h）。
循环冷却水的水温：13～32℃。
汽轮机阻塞背压约4.0kPa。
2. 凝汽器抽真空系统的拟定
双壳体、双背压凝汽器抽真空系统有如下三种设计方案[1]：
a） 每台机组配置4台水环式机械真空泵，此4台真空泵分为两组，每组（两台）对应一个凝汽器壳体运行。机组正常运行时，二运二备。机组启动时，四台真空泵同时投运。详见附图1。
图1 配置4台真空泵的凝汽器抽真空系统图
目前，即按照凝汽器高、低背压的不同配置不同型号的真空泵，虽然每台机配置4台真空泵，相比3×50%方案增加了投资，但可能会带来厂用电的下降。
b） 配置3×50%容量的水环式机械真空泵，系统采用扩大单元制运行方式。机组正常运行时，真空泵二运一备，其中指定的两台真空泵分别对应高/低背压凝汽器运行，另一台真空泵作为任意一台运行真空泵的备用。去备用真空泵的抽真空管道从扩大单元制的母管上引接。在两台运行真空泵和备用真空泵之间的母管上设有两只切换阀，以便正常运行时高低背压抽真空系统之间的隔离以及实现备用泵切换的功能，详见图2。
图2 配置台真空泵的凝汽器抽真空系统图
c） 高背压侧不能冷凝的气体从高压壳体流入低压壳体，从低背压侧的凝汽器壳体上引出抽真空管道接至真空泵。此系统对低背压凝汽器的换热产生不利影响，不推荐采用。
从减少系统备用裕量，节省投资及空间的角度出发，双背压机组选用方案b）有一定的优势。方案a）相比3×50%方案增加了投资，但可能会带来厂用电的下降。因此，有必要对方案a）和方案b）进行经济性比较。
3. 真空泵的选型
真空泵选择的基础数据主要包括凝汽器的抽干空气量，真空泵的设计抽气压力，真空泵入口处的抽气温度。这些数据都可以根据HEI《表面式凝汽器标准》[2] （以下简称HEI标准）计算。
3.1 抽干空气量
1） 凝汽器排汽总和为汽轮机的排汽加上给水泵汽轮机的排汽，即1711.9+186.2=1898.1/h；
2） 确定凝汽器主排汽口数：两个低压缸的排汽各进一个凝汽器壳体，凝汽器主排汽口数是2；
3） 凝汽器主排汽口的有效蒸汽流量：1898.1t/h÷2=949.05t/h；
4） 凝汽器的总排汽口数：凝汽器有2个主排汽口、2个小汽轮机排汽口，凝汽器的总排汽口数等于4；
5） 根据凝汽器的总排汽口数4与主排汽口的有效蒸汽流量949.05 t/h查HEI标准表9，得知凝汽器的抽干气量为81.65kg/h。
6） 低背压凝汽器与高背压凝汽器的抽干空气量：81.65kg/h÷2=40.825kg/h。
3.2 真空泵的设计抽气压力
HEI标准[2]规定，真空泵的设计抽气压力为3.4kPa（a）或凝汽器设计压力，取二者中的较小值，但也应结合汽轮机阻塞背压、凝汽器和抽真空设备的可能运行的压力范围来综合考虑。本工程汽轮机厂提供的阻塞背压约4.0kPa，在阻塞背压下汽轮机出力达到最大，低于阻塞背压蒸汽在叶片上做负功，会加剧汽轮机的振动，不推荐机组在4.0kPa下带额定负荷运行。另外，本工程设计背压较高，如采用3.4kPa（a）作为真空泵的设计抽气压力，势必导致选择的真空泵容量较大，增加投资及运行费用。
按方案a），根据凝汽器高、低背压的不同确定的真空泵选型参数，低背压凝汽器的背压取4.0kPa，与低背压凝汽器相连的真空泵A（简称真空泵Ⅰ）的设计抽气压力选取3.7kPa（管路损失考虑0.3kPa），凝汽器低背压运行在4.0kPa时，对应的高背压为4.9kPa，与高背压凝汽器相连的真空泵B（简称真空泵Ⅱ）抽气压力选取4.6kPa（管路损失考虑0.3kPa）。
如按方案b），真空泵的配置为3x50%，备用泵可以作为高背压凝汽器和低背压凝汽器的备用泵，因此，方案b）中的真空泵的设计抽气压力都按3.7kPa选取，同方案a）中的泵Ⅰ。 本文所选的真空泵设计抽气压力高于HEI标准，但是以机组的阻塞背压计算得到的，按照本文所选的真空泵设计抽气压力选择的真空泵抽气能力可以满足设设计背压下的运行需要。
3.3真空泵的设计抽气温度
HEI标准[2]规定，真空泵的设计抽气温度等于真空泵设计抽气压力对应的饱和蒸汽温度与设计抽气过冷度之差值。设计抽气过冷度等于0.25ITD与4.16℃之大者。对于大容量湿冷机组，凝汽器的ITD值不超过16.64℃，其设计抽气过冷度等于4.16℃。根据真空泵的设计抽气压力，可以计算得到方案a）中与高背压凝汽器相连的泵Ⅱ设计抽气温度为27.26℃，与低背压凝汽器相连的泵Ⅰ设计抽气温度为23.48℃。
方案b）中的3×50%真空泵的设计抽气温度（同泵Ⅰ）都按23.48℃选取。
综合上述分析，方案a）配置四台真空泵的真空泵选型参数见表1中泵Ⅰ和泵II，方案b）配置3x50%真空泵的选型参数同表1中的Ⅰ泵。
表1 真空泵选型参数
4. 经济性比较
目前，真空泵型式主要有双级锥体泵（佶缔纳士），单级平板泵（同方泵业）和双级平圆盘泵（鹤见）。双级泵的极限抽吸能力可达到2.6kPa，单级泵的极限抽吸能力在3.4kPa。表2是双级椎体泵和单级平圆盘泵的选型数据。
表2 真空泵选型
表2中的真空泵都可以满足抽干空气大于40.9kg/h的要，本工程背压较低，单级泵需要配置大气喷射器增加抽吸能力、克服汽蚀，在机组背压低于4.1kPa时，投入大气喷射器，大气喷射器的投运会增加真空泵组电耗，因此，双级泵较单级泵在效率上有优势。
正常运行时，方案a）投入一台泵Ⅰ，一台泵Ⅱ，方案b）投入两台泵Ⅰ。根据表2，正常运行时采用方案a）每台机可节约电耗约50kW。按机组年运行小时数7300小时，成本电价约0.3元/kW·h计算，每台机每年可节约电费10.95万元。
方案a）比方案b）每台机增加设备投资约50万元，考虑安装费用、管道阀门费用10万元，方案a）增加初始投资Z=60万元，U为年运行费。根据年最小费用公式：
N=Z×0.17+U （按真空泵运行费相同，取0）
N=10.2万元
由上述分析可知，方案a）每台机增加投资约60万元，折算到每年花费为10.2万元，但每台机每年可以少花电费10.95万元，综合收益为10.95-10.2=0.75万元。
5. 结论
本文给出了双壳体、双背压凝汽器的抽真空系统设计及真空泵选型计算方法。根据本文中给出的工程技术条件，采用4台真空泵，按照凝汽器高、低背压的不同配置不同型号的2×50%容量的真空泵方案经济性较好，采用双级泵经济性好。■
参考文献
[1] Q/DG 1-J006-2010，火力发电厂凝汽器相关管道及抽真空系统设计导则 [S].
[2] STANDARDS for STEAM SURFACE CONDENSERS[S]， HEAT EXCHANGE INSTITUTE， INC.
作者简介：赵巍巍（1981-），女，大学本科，工程师，主要从事电站工程热机专业设计工作。
关键词：凝汽器；双背压；真空泵；经济性
凝汽器是汽轮机组的重要辅机，凝汽器的真空度，直接影响火电厂经济运行。
大容量凝汽式发电机组在凝汽器背压高于设计值时，背压升高0.1kPa，机组煤耗约增加0.28g/kWh。凝汽器内的空气等不凝结气体在凝汽器管束周围表面形成气膜，影响凝汽器的传热性能，导致真空降低。维持凝汽器真空的重要设施是设置合理的凝汽器抽真空系统。目前，300MW以上的机组均采用效率较高、运行稳定性好的水环式真空泵，而不采用射汽抽气器、射水抽气器等。机组的类型及背压的不同，真空泵的配置方案也不尽相同。本文将针对某大容量双背压凝汽器式汽轮发电机组，给出真空泵的选型及配置方案。
1. 工程技术条件
本工程汽轮机、凝汽器及给水泵汽轮机的主要技术参数如下：
1） 汽机：采用单轴、一次中间再热、四缸四排汽、凝汽式、国产超超临界机组，汽轮机的蒸汽参数为28MPa/600℃/620℃。VWO工况下，汽轮机的排汽量为475.533kg/s（1711.9t/h）。
2） 凝汽器：采用双壳体、双背压、单流程凝汽器，凝汽器面积60000m2，凝汽器设计背压，高背压5.5kPa，低背压4.3kPa，平均背压4.8kPa。
3） 给水泵汽轮机：给水系统配置1台100%容量的汽动给水泵和1台100%容量的给水泵汽轮机，给水泵汽轮机的排汽分两个接口接入凝汽器，给水泵汽轮机的排汽量为51.72（186.2t/h）。
循环冷却水的水温：13～32℃。
汽轮机阻塞背压约4.0kPa。
2. 凝汽器抽真空系统的拟定
双壳体、双背压凝汽器抽真空系统有如下三种设计方案[1]：
a） 每台机组配置4台水环式机械真空泵，此4台真空泵分为两组，每组（两台）对应一个凝汽器壳体运行。机组正常运行时，二运二备。机组启动时，四台真空泵同时投运。详见附图1。
图1 配置4台真空泵的凝汽器抽真空系统图
目前，即按照凝汽器高、低背压的不同配置不同型号的真空泵，虽然每台机配置4台真空泵，相比3×50%方案增加了投资，但可能会带来厂用电的下降。
b） 配置3×50%容量的水环式机械真空泵，系统采用扩大单元制运行方式。机组正常运行时，真空泵二运一备，其中指定的两台真空泵分别对应高/低背压凝汽器运行，另一台真空泵作为任意一台运行真空泵的备用。去备用真空泵的抽真空管道从扩大单元制的母管上引接。在两台运行真空泵和备用真空泵之间的母管上设有两只切换阀，以便正常运行时高低背压抽真空系统之间的隔离以及实现备用泵切换的功能，详见图2。
图2 配置台真空泵的凝汽器抽真空系统图
c） 高背压侧不能冷凝的气体从高压壳体流入低压壳体，从低背压侧的凝汽器壳体上引出抽真空管道接至真空泵。此系统对低背压凝汽器的换热产生不利影响，不推荐采用。
从减少系统备用裕量，节省投资及空间的角度出发，双背压机组选用方案b）有一定的优势。方案a）相比3×50%方案增加了投资，但可能会带来厂用电的下降。因此，有必要对方案a）和方案b）进行经济性比较。
3. 真空泵的选型
真空泵选择的基础数据主要包括凝汽器的抽干空气量，真空泵的设计抽气压力，真空泵入口处的抽气温度。这些数据都可以根据HEI《表面式凝汽器标准》[2] （以下简称HEI标准）计算。
3.1 抽干空气量
1） 凝汽器排汽总和为汽轮机的排汽加上给水泵汽轮机的排汽，即1711.9+186.2=1898.1/h；
2） 确定凝汽器主排汽口数：两个低压缸的排汽各进一个凝汽器壳体，凝汽器主排汽口数是2；
3） 凝汽器主排汽口的有效蒸汽流量：1898.1t/h÷2=949.05t/h；
4） 凝汽器的总排汽口数：凝汽器有2个主排汽口、2个小汽轮机排汽口，凝汽器的总排汽口数等于4；
5） 根据凝汽器的总排汽口数4与主排汽口的有效蒸汽流量949.05 t/h查HEI标准表9，得知凝汽器的抽干气量为81.65kg/h。
6） 低背压凝汽器与高背压凝汽器的抽干空气量：81.65kg/h÷2=40.825kg/h。
3.2 真空泵的设计抽气压力
HEI标准[2]规定，真空泵的设计抽气压力为3.4kPa（a）或凝汽器设计压力，取二者中的较小值，但也应结合汽轮机阻塞背压、凝汽器和抽真空设备的可能运行的压力范围来综合考虑。本工程汽轮机厂提供的阻塞背压约4.0kPa，在阻塞背压下汽轮机出力达到最大，低于阻塞背压蒸汽在叶片上做负功，会加剧汽轮机的振动，不推荐机组在4.0kPa下带额定负荷运行。另外，本工程设计背压较高，如采用3.4kPa（a）作为真空泵的设计抽气压力，势必导致选择的真空泵容量较大，增加投资及运行费用。
按方案a），根据凝汽器高、低背压的不同确定的真空泵选型参数，低背压凝汽器的背压取4.0kPa，与低背压凝汽器相连的真空泵A（简称真空泵Ⅰ）的设计抽气压力选取3.7kPa（管路损失考虑0.3kPa），凝汽器低背压运行在4.0kPa时，对应的高背压为4.9kPa，与高背压凝汽器相连的真空泵B（简称真空泵Ⅱ）抽气压力选取4.6kPa（管路损失考虑0.3kPa）。
如按方案b），真空泵的配置为3x50%，备用泵可以作为高背压凝汽器和低背压凝汽器的备用泵，因此，方案b）中的真空泵的设计抽气压力都按3.7kPa选取，同方案a）中的泵Ⅰ。 本文所选的真空泵设计抽气压力高于HEI标准，但是以机组的阻塞背压计算得到的，按照本文所选的真空泵设计抽气压力选择的真空泵抽气能力可以满足设设计背压下的运行需要。
3.3真空泵的设计抽气温度
HEI标准[2]规定，真空泵的设计抽气温度等于真空泵设计抽气压力对应的饱和蒸汽温度与设计抽气过冷度之差值。设计抽气过冷度等于0.25ITD与4.16℃之大者。对于大容量湿冷机组，凝汽器的ITD值不超过16.64℃，其设计抽气过冷度等于4.16℃。根据真空泵的设计抽气压力，可以计算得到方案a）中与高背压凝汽器相连的泵Ⅱ设计抽气温度为27.26℃，与低背压凝汽器相连的泵Ⅰ设计抽气温度为23.48℃。
方案b）中的3×50%真空泵的设计抽气温度（同泵Ⅰ）都按23.48℃选取。
综合上述分析，方案a）配置四台真空泵的真空泵选型参数见表1中泵Ⅰ和泵II，方案b）配置3x50%真空泵的选型参数同表1中的Ⅰ泵。
表1 真空泵选型参数
4. 经济性比较
目前，真空泵型式主要有双级锥体泵（佶缔纳士），单级平板泵（同方泵业）和双级平圆盘泵（鹤见）。双级泵的极限抽吸能力可达到2.6kPa，单级泵的极限抽吸能力在3.4kPa。表2是双级椎体泵和单级平圆盘泵的选型数据。
表2 真空泵选型
表2中的真空泵都可以满足抽干空气大于40.9kg/h的要，本工程背压较低，单级泵需要配置大气喷射器增加抽吸能力、克服汽蚀，在机组背压低于4.1kPa时，投入大气喷射器，大气喷射器的投运会增加真空泵组电耗，因此，双级泵较单级泵在效率上有优势。
正常运行时，方案a）投入一台泵Ⅰ，一台泵Ⅱ，方案b）投入两台泵Ⅰ。根据表2，正常运行时采用方案a）每台机可节约电耗约50kW。按机组年运行小时数7300小时，成本电价约0.3元/kW·h计算，每台机每年可节约电费10.95万元。
方案a）比方案b）每台机增加设备投资约50万元，考虑安装费用、管道阀门费用10万元，方案a）增加初始投资Z=60万元，U为年运行费。根据年最小费用公式：
N=Z×0.17+U （按真空泵运行费相同，取0）
N=10.2万元
由上述分析可知，方案a）每台机增加投资约60万元，折算到每年花费为10.2万元，但每台机每年可以少花电费10.95万元，综合收益为10.95-10.2=0.75万元。
5. 结论
本文给出了双壳体、双背压凝汽器的抽真空系统设计及真空泵选型计算方法。根据本文中给出的工程技术条件，采用4台真空泵，按照凝汽器高、低背压的不同配置不同型号的2×50%容量的真空泵方案经济性较好，采用双级泵经济性好。■
参考文献
[1] Q/DG 1-J006-2010，火力发电厂凝汽器相关管道及抽真空系统设计导则 [S].
[2] STANDARDS for STEAM SURFACE CONDENSERS[S]， HEAT EXCHANGE INSTITUTE， INC.
作者简介：赵巍巍（1981-），女，大学本科，工程师，主要从事电站工程热机专业设计工作。