CN106014997B - 一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级罗茨‑水环智能变频控制真空系统，包括第一级大压差罗茨机械真空泵、第二级大压差罗茨机械真空泵、以及牵引液环泵，所述第一级罗茨机械真空泵和第二级罗茨机械真空泵都配备了变频电机、变频器和排气口冷凝器，所述第一级罗茨机械真空泵和第二级罗茨机械真空泵的入口端设置压力变送器，所述压力变送器和变频器均与控制柜连接，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值。本发明利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值，使得第一级罗茨机械真空泵、第二级罗茨机械真空泵的压差均衡和安全运行。

Description

一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统。

背景技术

在火力发电厂中，凝气器真空对发电煤耗影响较大。以300-330MW机组为例，真空每提高1Kpa，对应的发电煤耗下降2.6g/kWh。目前电厂常用的抽真空设备是射水泵和水环泵，前者逐渐被后者所替代。水环真空泵的性能与所抽吸气体的状态（压力、温度）和工作液的温度等有关。同时运行中受到“极限抽吸压力”的影响，容易在叶轮表面发生局部水锤现象，运行噪音很大且会使叶片产生很大的拉应力，长时间运行易导致叶片的断裂，威胁机组的安全运行。

由于工作液温度对水环泵的性能影响较大。高水温工况下，其抽气性能快速下降80%~90%，甚至在某入口压力下抽气量为0，这就是为什么有些机组在夏天需启动两台真空泵来维持凝气器真空的原因。另外由于工作液温度的上升，对水环式真空泵长期运行极为不利，造成以下后果：

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℃的气化压力为4.241kPa，40℃的气化压力为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，将使部分工作液气化，真空泵因抽吸自身工质气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气器内积聚破坏凝气器真空，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。

2、水环真空泵气蚀: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，产生大量蒸气形成气泡，当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，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气蚀过程。金属表面出现点蚀现象，严重时会出现蜂窝状损坏，如果真空泵叶轮在气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。

目前提高真空泵性能可能采用的新技术主要有四种：

1、增装制冷装置

降低工作液的温度，达到提高真空泵的抽气性能，即提高其抽气量和极限真空值，从而达到提高凝气器系统真空的目的。但由于电厂使用的是循环水冷却塔，并非采用制冷剂得到冷冻水，因此到夏天时，循环水温度一般在30°~ 35°左右，即使增加换热器的换热面积或增加新鲜循环水补充量也不能有效的降低工作液的温度。若是采用制冷设备得到低于常温的冷冻水需要耗用更多的耗能，不利于节能。因此该技术不适合大规模的推广和适用。

2、加装大气喷射器

大气喷射器是配置在水环式真空泵的进口管道上的一个前置射气抽气器，它的一端开口朝向大气，利用真空泵负压与大气压形成压差而产生的空气射流，在喷射器内获得比真空泵更低的抽吸压力，从而消除真空泵“极限抽吸压力”对凝气器压力改善的限制。但这种技术虽然解决了真空泵的极限压力及气蚀问题，但却降低了抽气量，同时增加了电能消耗，这表现在有些电厂采用这种技术改造后，因抽气量降低无法单泵维持真空，而被迫启用两台真空泵，能耗直接增加了100%。

3、使用罗茨气冷泵配备液环泵真空装置

此技术是使用两级罗茨气冷泵配备液环泵真空装置在火电厂凝气器抽真空系统的应用，由于在实际正常运行中，气轮机启动初期需要快速建立真空，要求在30min内达到机组启动要求，此时需要很大的抽气量，则是利用大抽气量的液环泵来实现，到稳定后，主要的真空度是由凝气器对水蒸气的冷凝获得，但要达到指定的真空度，则还需要抽吸少量的不凝性气体（主要是空气）。因此利用罗茨气冷泵满足较大压差，利用单级液环泵作为前级牵引泵，通过以小代大的方式达到节能目的。但由于罗茨气冷泵原理是气体冷却后循环压缩，使得该泵的实际运行效率比较低（压缩排出的气体冷却后部分需要要返回到该泵腔内与吸入的气体进行混合，造成较大的返流，同时由于满足较大的压差和密封，往往采用的三叶罗茨，实际的运行效率就不超过40%，而普通的罗茨真空泵的效率一般可以达到50%，我方提供的罗茨真空泵则最高可以达到53%的效率），耗能相对比较高，占地面积较大。

4、使用三级罗茨-双级水环泵智能变频控制真空系统

此技术是使用一种高效真空泵组在火电厂凝气器抽真空系统的应用，该工艺与使用罗茨气冷泵配备液环泵真空装置的工艺是相似的，但节能量达到90%，相比使用罗茨气冷泵配备液环泵真空装置还可以提高15%-20%的节能，，占地面积只有该工艺的70%，同时可以在夏天高水温工况下提高凝气器的真空（在相同工况下与常规水环泵相比），因此采用一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统可以更加的适合原有火电厂凝气器抽真空系统的应用的技术改造。

发明内容

本发明的目的是提供用于火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值，使得第一级罗茨机械真空泵、第二级罗茨机械真空泵的压差均衡和安全运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统，包括第一级大压差罗茨机械真空泵、第二级大压差罗茨机械真空泵、以及前级牵引泵，其特征在于所述第一级罗茨机械真空泵和第二级罗茨机械真空泵都配备了变频电机、变频器和排气口冷却器，所述第一级罗茨机械真空泵入口端和第二级罗茨机械真空泵的出口端设置压力变送器，所述压力变送器和变频器均与控制柜连接，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值，所述旁通管道连接第一级罗茨机械真空泵排气口和第二级罗茨机械真空泵排气口。

根据本发明的优选实施例，所述前级牵引泵采用双级液环泵。

根据本发明的优选实施例，每一级罗茨机械真空泵排气腔均设置有温度变送器，所述温度变送器与控制柜连接。

根据本发明的优选实施例，每一级罗茨机械真空泵的排气腔设置有螺旋式翅片盘管排气口冷却装置，每一级罗茨机械真空泵的排气口设置有排气口高效换热器。

根据本发明的优选实施例，所述双级液环泵的进气口与第二级罗茨机械真空泵排气口冷却器连接，所述双级液环泵的出气口与气水分离器连接，所述气水分离器的顶部设置排放口，所述气水分离器通过循环液换热器回流至双级液环泵。

本发明与现有的气冷式罗茨泵配备单级液环泵组成的真空系统最大的区别就是，利用两台罗茨机械真空泵，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值，使得第一级罗茨机械真空泵、第二级罗茨机械真空泵的压差均衡和安全运行，从而实现了原有系统一台气冷式罗茨机械真空泵需要克服的压差。这里的温度变送器作为罗茨机械真空泵的安全检测，避免出现过载过热，以至于出现内部机械转动部件卡死和抱死故障，使得整个真空系统为最安全状态。本发明的另一优点在于在循环冷却水温度变化时节能效果更佳明显。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为图1的后视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作出详细说明。

图中包括第一级罗茨机械真空泵1，第二级罗茨机械真空泵2，前级牵引泵双级液环泵3，第二级罗茨机械真空泵排气口冷却器4，第一级罗茨机械真空泵内置螺旋盘管冷却器7，第一级罗茨机械真空泵排气口冷却器8，循环液换热器9，气水分离器10，第一级罗茨机械真空泵入口真空压力变送器11，第二级罗茨机械真空泵出口压力变送器12，真空入口气动关断阀13，液环泵吸入口温度变送器14，第一级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器15，第二级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器16，第二级罗茨机械真空泵旁路压差调整管道17，第一变频电机及变频器18，第二变频电机及变频器19，循环液温度变送器20，循环液吸入口气动阀门21。

从火电厂凝气器抽吸过来的不凝性气体通过真空入口气动关断阀13到第一级罗茨机械真空泵1，该真空泵配备了第一变频电机及变频器18，抽吸过来的气体在压缩过程中通过第一级罗茨机械真空泵内置螺旋盘管冷却器7被冷却后排出第一级罗茨机械真空泵1，再通过第一级罗茨机械真空泵排气口冷却器8进行第二级冷却。

冷却后的气体进入第二级罗茨机械真空泵2，该真空泵配备了第二变频电机及变频器19，抽吸过来的气体在压缩过程中通过第二级罗茨机械真空泵内置螺旋盘管冷却器5被冷却后排出第二级罗茨机械真空泵2，再通过第二级罗茨机械真空泵排气口冷却器4进行第二级冷却。

所述前级牵引泵双级液环泵3设置有循环液吸入口以及与循环液吸入口相配合设置的循环液吸入口气动阀门21，循环液吸入口还设置循环液温度变送器20。

冷却后的气体进入前级牵引泵双级液环泵3，通过压缩混合后，气水混合物在气水分离器10中进行气水分离后，气体直接从气水分离器10的顶部被直接排放，水即液环泵的循环液通过循环液换热器9进行冷却后再次回到前级牵引泵双级液环泵3。当系统需要启动/停止以及故障时，前级牵引泵双级液环泵3的循环液吸入口气动阀门21会打开或者关闭，防止气水分离器10中的循环液过量进入前级牵引泵双级液环泵3造成停机返水或者漫灌的现象。

通过第一级罗茨机械真空泵入口真空压力变送器11反馈的真空机组入口真空度和第二级罗茨机械真空泵出口压力变送器12反馈的前级牵引泵双级液环泵3入口真空度数据进行分析处理，再配合第一级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器15和第二级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器16的反馈值对第一变频电机及变频器18给出信号调整变频电机的运行转速和第二变频电机及变频器19给出信号调整变频电机的运行转速，使得整个系统达到最佳的和安全的运行状况。同时根据不同的运行工况判断是否打开第二级罗茨机械真空泵旁路压差调整管道17的气动阀门。

该工艺与现有的气冷式罗茨泵配备单级液环泵组成的真空系统最大的区别就是，利用两台罗茨机械真空泵，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值，使得第一级罗茨机械真空泵、第二级罗茨机械真空泵的压差均衡和安全运行。从而实现了原有系统一台气冷式罗茨机械真空泵需要克服的压差。

本发明涉及的是火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统与现有的气冷式罗茨泵配备单级液环泵组成的真空系统另一个最大的区别是前级牵引真空泵采用的是更高效的双级液环泵（在同等功率消耗下）。液环真空泵有单级、双级之分，以及单作用和双作用区别。单级和双级真空泵指其叶轮的级数；单/双作用指其叶轮/壳体的形式，单作用叶轮真空泵的叶轮旋转一周气体经历一次吸入/排出；双作用的真空泵其叶轮旋转一周经历两次气体的吸入与排出。双级和单级液环泵的设计初衷、特征和使用条件是不同的。数据显示，双级液环泵相对于单机液环泵，在较高的真空度范围内（5kpa-15kpa），抽速平稳，或者在很大的抽气范围内，可以维持较高的真空度。而单级泵在此真空范围内只能达到30%左右的最大抽速，在真空度高于15kpa的环境下使用双级液环泵是最有效率和适合的，同时避免气蚀对液环泵的破坏。当水温升高时，双级液环泵比单级液环泵在抽气能力上受到更小的影响。这是因为相比较单级液环泵泵腔内近一个大气压的压差，双级液环泵在其每一级泵腔内的压差要小很多。因此单级液环泵必须配套名义抽气量更大的泵，相对于可以选用名义抽速小，实际耗能低的双级液环泵，并不经济。

本发明涉及的是火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统与现有的气冷式罗茨泵配备单级液环泵组成的真空系统的最大特点之一在于不同季节（即循环冷却水温度变化时）节能效果更佳明显，在冬季时，冷却水温度在5-15度时，由于双级液环泵的效率远高于单级液环泵，此时第一级罗茨机械真空泵运行即可以满足工艺需求，第二级罗茨机械真空泵不需要运行或者以最低频率运行即可（仅克服运行阻力），在春季或者秋季时，冷却水温度在15-25度时，此时第一级罗茨机械真空泵与第二级罗茨机械真空泵的转速（由变频器和变频电机来控制）根据系统入口的压力变送器以及排气口的压力变送器调控，使得整个真空系统的能耗为最佳模式（即最节能的模式）。在夏季时，冷却水温度超过30度时，此时第一级罗茨机械真空泵与第二级罗茨机械真空泵的转速（由变频器和变频电机来控制）根据系统入口的压力变送器以及排气口的压力变送器以及每一级罗茨机械真空泵内部的温度变送器检测的实际气体温度来调控，这里的温度变送器作为罗茨机械真空泵的安全检测，避免出现过载过热，以至于出现内部机械转动部件卡死和抱死故障。使得整个真空系统为最安全状态。

这里根据季节进行节能处理是由循环液温度变送器20采集冷却水的温度，然后进行判断。如果判断冷却水温度在5-15度时，第一级罗茨机械真空泵运行，第二级罗茨机械真空泵以最低频率运行，冷却水温度在15-25度时，此时第一级罗茨机械真空泵与第二级罗茨机械真空泵的转速根据第一级罗茨机械真空泵入口真空压力变送器11反馈的真空机组入口真空度和第二级罗茨机械真空泵入口压力变送器12反馈的前级牵引泵双级液环泵入口真空度数据进行调控，冷却水温度超过30度时，第一级罗茨机械真空泵与第二级罗茨机械真空泵的转速根据系统入口的压力变送器以及排气口的压力变送器以及每一级罗茨机械真空泵内部的温度变送器检测的实际气体温度来调控，系统入口的压力变送器应该是第一级罗茨机械真空泵入口真空压力变送器11反馈的真空机组入口真空度，排气口的压力变送器应该是第二级罗茨机械真空泵入口压力变送器12反馈的前级牵引泵双级液环泵入口真空度数据。

本发明涉及的是火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统的中的关键就是要及时移除气体压缩时产生的热量，现有的工艺采用的气冷罗茨机械真空泵的冷却方式是采用排气口配备一个列管式换热器进行气体换热后部分返回到气冷罗茨机械真空泵泵腔内冷与压缩气体混合降低压缩气体，由于列管式换热器阻力大，且采用循环气体换热造成了气冷罗茨机械真空泵的效率更低。本发明中采用的是多级换热的方式，首先采用的是螺旋式翅片盘管排气口冷却装置专利技术，放置在罗茨机械真空泵的排气腔处，直接对压缩气体进行换热冷却，同时再配备排气口高效换热器（主要是缠绕式气体冷却器），对罗茨泵排出气体进一步冷却。这种多级冷却方式不仅占地面积小，更为主要的是流通阻力小，便于维护、拆卸和更换。且没有任何气体返流，相比气冷罗茨机械真空泵效率要高的多了。这也是本发明火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统相对于现有的气冷式罗茨泵配备单级液环泵组成的真空系统更节能的技术体现。

本发明涉及的是火电厂凝气器抽真空节能系统的一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统的另一个重要关键在于可以人机交互智能化控制柜，该控制柜与该真空系统为一个整体，它配备了可以人机交互的液晶触摸屏和PLC控制系统，可以根据设定不同的参数（例如每一级罗茨机械真空泵额定最大转速和额定最低转速，安全电流，安全温度，最佳压力值等）获得不同的自动控制方式，亦可以设定最低能耗模式，最高效率模式，最安全模式以及季节模式（例如冬季模式，春秋模式，夏季模式等）得到最适合的运行模式。所有的数据传感器检测到的温度，压力，电流等都可以在人机只能交互屏幕上显示，并且可以进行记录，储存，读取以及设定。本套装置的数据记录（包含运记录，故障记录，参数记录）通过数据传送可以进入大数据库进行分析和研究，对于其他类似项目具有对比性和参考度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于上述这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统，包括第一级大压差罗茨机械真空泵、第二级大压差罗茨机械真空泵、以及牵引液环泵，其特征在于所述第一级罗茨机械真空泵和第二级罗茨机械真空泵都配备了变频电机、变频器和排气口冷凝器，所述第一级罗茨机械真空泵和第二级罗茨机械真空泵的入口端设置压力变送器，所述压力变送器和变频器均与控制柜连接，通过每一级的压力变送器给出的压力反馈值，利用变频器对罗茨机械真空泵的转速进行分别调速，并利用旁通管道进行调节压力差值；

所述牵引液环泵采用双级液环泵；

每一级罗茨机械真空泵排气腔均设置有温度变送器，所述温度变送器与控制柜连接；

每一级罗茨机械真空泵的排气腔设置有螺旋式翅片盘管排气口冷却装置，每一级罗茨机械真空泵的排气口设置有排气口高效换热器；

所述双级液环泵的进气口与第二级罗茨机械真空泵排气口冷却器连接，所述双级液环泵的出气口与气水分离器连接，所述气水分离器的顶部设置排放口，所述气水分离器通过循环液换热器回流至双级液环泵。

2.一种三级罗茨-水环智能变频控制真空系统的控制方法，其特征在于从火电厂凝气器抽吸过来的不凝性气体通过真空入口气动关断阀到第一级罗茨机械真空泵，该真空泵配备了第一变频电机及变频器，抽吸过来的气体在压缩过程中通过第一级罗茨机械真空泵内置螺旋盘管冷却器被冷却后排出第一级罗茨机械真空泵，再通过第一级罗茨机械真空泵排气口冷却器进行第二级冷却，冷却后的气体进入第二级罗茨机械真空泵，该真空泵配备了第二变频电机及变频器，抽吸过来的气体在压缩过程中通过第二级罗茨机械真空泵内置螺旋盘管冷却器被冷却后排出第二级罗茨机械真空泵，再通过第二级罗茨机械真空泵排气口冷却器进行第二级冷却，冷却后的气体进入前级牵引泵双级液环泵，通过压缩混合后，气水混合物在气水分离器中进行气水分离后，气体直接从气水分离器的顶部被直接排放，水即液环泵的循环液通过循环液换热器进行冷却后再次回到前级牵引泵双级液环泵；由第一级罗茨机械真空泵入口压力变送器采集真空机组入口真空度，由第二级罗茨机械真空泵入口压力变送器采集前级牵引泵双级液环泵入口真空度数据进行分析处理，再配合第一级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器和第二级罗茨机械真空泵排气腔温度变送器的反馈值对第一变频电机及变频器和第二变频电机及变频器给出信号调整变频电机的运行转速。