CN108005885B - 一种汽轮机干湿混合变频控制抽气系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮机抽气系统及其运行方法，本发明的汽轮机抽气系统包括压力变送器，干式真空泵、湿式真空泵及气水分离器和变频控制系统。本发明采用变频控制系统的来调整汽轮抽气系统的运行，能够在汽轮机组启动时快速建立真空，正常运行时科学合理抽气；解决了目前汽轮机抽气系统的抽气能力受水温限制的问题。本发明可以灵活控制湿式真空泵转速，灵活调整压缩比分配，扩大抽气压缩比变化范围。

Description

一种汽轮机干湿混合变频控制抽气系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种凝汽设备及其运行方法，特别涉及一种抽气系统及其运行方法。

背景技术

汽轮机抽气系统作为凝汽设备不可或缺的一部分，其抽气能力对凝汽器有至关重要的影响。汽轮机抽气系统的作用是将凝汽器内的不凝结气体及时抽出，如果漏入的空气量较大，而抽气设备又无法及时将其抽出，则凝汽器中空气和其他不凝结气体聚积在管束周围形成气膜，使热阻增加，传热系数降低，影响凝汽器的传热性能，导致凝汽器传热端差增大，真空降低。

传统汽轮机抽气系统一般采用水环真空泵，由于真空泵抽气系统除了需要在汽轮机正常运行时维持真空外，还是机组启动前建立真空的装置，这就意味着为加快真空建立的速度，机组配置的真空泵容量往往较大，抽吸流量和消耗功率也较大，但在机组正常运行时，漏入空气量少，要求的抽速远小于真空建立时的抽速，而配置的电机却不能随系统漏气量变动自动调节水环真空泵转速，这就导致了机组正常运行维持真空时抽气系统消耗功率大，造成了真空泵功耗的严重浪费。

同时，虽然水环真空泵相较过去使用的射水抽气器性能已有很大改善，也降低了抽气功耗，但作为单一水介质的真空泵，水环真空泵是一种粗真空抽吸装置，其抽气性能受工作水温度影响很大。由于水的压力达到温度对应的饱和压力时，水会发生汽化，水环真空泵的吸气腔室被汽化的水蒸汽充满，失去抽吸能力，所以水环真空泵所能达到的极限压力即为工作水温度所对应的饱和压力。由此可见，工作水的温度是制约水环真空泵抽气能力的重要因素。根据真空泵生产厂商的数据，当工作液温度为额定值15℃时，其极限压力为3kPa左右。但在电厂实际运行中，工作液温度往往远高于实际值，尤其在闭冷器的冷却器结垢等发生时，水环真空泵抽气能力下降明显，导致凝汽器压力上升。夏季工作水温度也较高，水环真空泵运行在极限压力附近，吸气效率急剧下降，有时甚至导致一台真空泵无法维持凝汽器的真空，严重影响凝汽器换热效率。

另外，由于水环真空泵是一种容积泵，压缩比受结构限制，吸气腔室和排气腔室决定了水环真空泵的压缩比，变化范围较小，随凝汽器真空度提高，水环真空泵抽气能力随压缩比的增大而下降，当凝汽器真空度发生较大范围的变化时，单独使用水环真空泵无法有效地满足抽气要求。在冷却水进口温度较低的春冬季，凝汽器真空度较高，而在冷却水温度较高的夏季，凝汽器真空度较低。凝汽器压力可从3KPa变化到10KPa，这也就意味着抽气压缩比在10～33的范围内变化，当压缩比较大时，水环泵吸气效率低，容易出现压缩不足、出口压力低于大气压力的现象，同时凝汽器换热也因抽气系统的抽气能力不足而受到影响。

发明内容

发明目的：针对目前使用的汽轮机抽气系统适应性差、吸气效率低、受水温影响大和能耗大的特点，本发明提供了一套抽气量灵活可控、吸气效率受工作水温度影响小的新型干湿混合变频控制真空泵机组，扩大抽气压缩比变化范围，提高汽轮机抽气系统适应性，快速建立并有效维持凝汽器真空，降低抽气系统能耗。

技术方案：本发明所述一种汽轮机抽气系统，包括干式真空泵、冷却器、抽水泵、气水分离器A、湿式真空泵、变频控制器、气水分离器B、旁通管道及控制系统；所述干式真空泵进口与凝汽器连接，出口连接冷却器；所述冷却器底部设有抽水泵，将底部多余的水抽回凝汽器热井，作为锅炉给水循环利用；冷却器出口连接气水分离器A，气水分离器A另一端与湿式真空泵的进口连接，湿式真空泵的电机与变频控制器连接且出口连接有气水分离器B。气水分离器的作用是为了对经过喷水减温后的混合气体进行气水分离。

本发明将干式真空泵和湿式真空泵串联使用，通过干式真空泵的预压缩提高水环真空泵入口压力，提高了其吸气效率，既发挥了湿式真空泵抽速大的优势，又减小了工作液温度对其吸气性能的影响；同时，干湿混合的设计也相当于为干式真空泵加设了前级泵，既发挥了干式真空泵可在任意压差下运行的优势，扩大了机组压缩比的变化范围，又克服了其单独运行时所能达到的极限真空度较低的缺点。

所述控制系统通过PLC控制。PLC为控制系统核心控制器。

所述控制系统包括位于凝汽器出口与干式真空泵之间的抽气阀和压力变送器A、位于干式真空泵与冷却器之间的逆止阀A、冷却器内部的水位变送器和温度变送器A、三通阀、位于湿式真空泵入口逆止阀B和压力变送器B和湿式真空泵的温度变送器B；所述三通阀分别连接凝汽器出口、气水分离器A和湿式真空泵，三通阀可以控制旁路系统的启停。本发明用三通阀代替传统使用的旁通阀，三通阀由PLC控制系统控制，根据凝汽器出口处压力决定三通阀的开闭情况。

压力变送器A与压力变送器B用于现场监测凝汽器出口及真空泵机组中间点压力，实时反馈给控制系统，控制系统根据凝汽器压力调整中间点压力，确定干式真空泵和湿式真空泵的抽速比。温度变送器A与水位变送器用于监测冷却器中气体温度和多余水量。

所述冷却器内的水位变送器、温度变送器A、压力变送器A与PLC输入端相连。所述变频控制器、三通阀，冷却器和抽水泵与PLC输出端口相连。

冷却器中设有温度变送器A和水位变送器，实时监测凝汽器出口，用于测定冷却器中混合气体温度，以及其中未蒸发的冷却水和经减温后的冷凝水量；所述温度变送器A与水位变送器与PLC控制系统的输入端相连，核心控制器PLC收集现场温度和压力信号，由PLC接收并处理，经过运算处理后，结果通过控制变频器频率输出，确定冷却器中需要达到的温度，控制冷却器喷头定量喷洒除盐水，调整水环真空泵转速和中间点压力，同时冷却器内温度变送器将冷却后的混合气体温度实时反馈给PLC，对喷水量进行修正。

所述湿式真空泵出口处设有温度变送器B；湿式真空泵入口压力变送器B也将中间点压力实时反馈给核心控制器PLC。

所述抽水泵的启停和运行由PLC根据水位变送器获得的信号控制。

湿式真空泵的电机与变频控制器相连，同时变频控制器与PLC控制系统输出端连接，通过调节湿式真空泵转速调整真空泵机组中间点压力，发挥干式真空泵可在任意压差下运行的优势，合理分配两级真空泵的压缩比，使得真空泵机组在任意凝汽器压力、任意抽气压缩比下，都能科学合理抽气，并且降低抽气系统能耗。

控制系统根据变送器从现场采集并转化的弱电信号进行运算，确定最佳工作状态，调整湿式真空泵转速，减温器喷水量和抽水泵的启停。

所述旁通管道通过三通阀与干式真空泵及位于其后的冷却器和气水分离器A并联。

所述冷却器为喷水混合式冷却器。采用喷水混合式冷却器替代了传统常用的表面式换热器，通过喷洒除盐水的方式对混合气体直接进行冷却，避免表面式换热器混合气体中相当一部分空气的存在对换热效果的的削弱，增强对混合气体的冷却效果，防止转子过热，保障机组运行稳定性和安全性。

所述湿式真空泵为水环真空泵。水环真空泵结构简单易加工、抽气速率大、压缩气体过程温度变化小及工作平稳可靠的特点使其在凝汽器抽气系统中得到了广泛的应用。

所述干式真空泵为选自罗茨真空泵、螺杆真空泵、往复真空泵或爪式真空泵。干式真空泵工作腔体无油，增强了真空泵的运行可靠性，更耐用，维护所需工作量减少相比油密封真空泵不受水蒸汽或尘粒的影响，能有效抽除含水蒸汽的气体，同时使被抽气体的污染降到最低。

罗茨真空泵是一种无内压缩的真空泵，靠腔内一堆叶形转子同步、反向旋转的推压作用来移动气体而实现抽气，通常压缩比较低，故高、中真空要求下需要配置前级泵。相比普通罗茨泵，气冷式罗茨真空泵除了具备转速高、体积小、且对被抽气体中的水蒸汽不敏感等特点，更因为有返流气体能够有效冷却泵体，扩大工作压力范围，具有在高压力下连续工作不会超温的优点，配置合适的电机和冷却器后可在任意压力下启动、在任意压差下运转，而不会出现转子过热卡死的现象。

螺杆真空泵是利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用的抽气设备，能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合。此外，螺杆泵具有抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无磨损、寿命长、能耗低、无油污染等优点，因此也适用于电厂真空泵抽气系统。

无油往复真空泵，靠活塞往复运动使泵腔的工作容积进行周期性变化，以此来实现抽气和排气的目的，因此又称活塞真空泵。往复真空泵具有抽气量较大，抽速范围为光的特点；爪式真空泵与其他干式泵相比，有重量轻、配件数少的优点，都可以用于抽气系统中。

上述汽轮机抽气系统的运行方法，包括以下步骤：

(1)当发电机组初始运行，汽轮机抽气系统启动，此时干式真空泵被旁路，湿式真空泵以最大转速运行；(2)当发电机组正常运行时，干式真空泵和湿式真空泵同时运行，旁路管道关闭，控制系统调整湿式真空泵转速，减温器喷水量和抽水泵的启停。

有益效果：本发明根据凝汽器出口压力水环真空泵抽气出力可调，机组启动时水环真空泵大抽速快速建立真空，机组正常运行时变频控制器控制湿式真空泵减小抽速，科学合理抽气，有效维持凝汽器真空，避免在凝汽器抽气量小的情况下湿式真空泵仍大功率抽气的情况，降低汽轮机抽气系统能耗；抽吸气体经干式真空泵压缩后，湿式真空泵入口气体压力提高，避免了水环真空泵工作在其极限压力附近的情况，大幅提高吸气效率，使真空泵机组能够维持稳定抽速，克服传统水环真空泵抽气性能受水温的影响，扩大工作液温度允许变化范围；通过调整湿式真空泵转速，优化选择机组中间点压力，发挥干式真空泵可在大压差下运行的优势，合理分配两级真空泵压缩比，缩扩大抽气压缩比变化范围，提高真空泵机组适应性，尤其对于双压凝汽器中的低压凝汽器，解决了单一水环真空泵压缩不足的问题；本发明更有效地对干式真空泵出口气体进行冷却，削弱混合气体中空气的存在对换热的影响，使得返流气体更有效地冷却泵体，保障真空泵机组运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的汽轮机抽气系统，包括与凝汽器出口连接的干式真空泵100，干式真空泵与凝汽器之间连接凝汽器抽气口阀801和压力变送器A901；干式真空泵100的出口与喷水混合式冷却器200连接，干式真空泵100与喷水混合式冷却器之间设置有逆止门A802，来自凝汽器的蒸汽和空气混合物进入干式真空泵100被初级压缩后进入喷水混合式冷却器200，喷水混合式冷却器200底部与抽水泵300连接，将喷水混合式冷却器中的凝结水抽至凝汽器热井中，作为锅炉给水循环利用。喷水混合式冷却器内部设置有水位变送器902和温度变送器A903，水位变送器902和温度变送器903与控制器PLC输入端连接，由PLC反馈的信号控制喷水混合式冷却器的喷头，定量喷射除盐水对混合气体进行降温，使得部分蒸汽被凝结，混合气体体积流量减小，冷却后的混合气体经过与喷水混合冷却器200出口连接的气水分离器A400。干式真空泵及喷水混合式冷却器的设置不仅使得水环真空入口压力提高，增加了水环真空泵工作液过冷度，有效改善了水环真空泵吸气性能，避免水环真空泵长期运行在极限压力附近的情况，而且部分蒸汽的凝结也减小了气体的容积流量，降低了水环真空泵的耗功。

本发明所述喷水混合式冷却器与常用的表面式冷却器相比，换热性能更好。由于混合气体中有相当一部分是空气，影响表面式冷却器换热效果，通过直接定量喷射除盐水的方式，更直接有效地冷却气体，结构简单，控制灵活，同时部分蒸汽的凝结也减小了水环真空泵的容积流量计，降低水环真空泵的抽气出力。

气水分离器A的出口连接有水环真空泵500，气水分离器A与水环真空泵之间设置有逆止门B804，位于水环真空泵入口压力变送器B904，变频控制器600与水环真空泵500的电机连接，水环真空泵500的出口连接有气水分离器B700，水环真空泵500与气水分离器B700之间设置有温度变送器B905。

喷水混合式冷却器与水环真空泵前设有逆止门A802和逆止门B804，防止如突然停机时，喷水冷却器内或水环真空泵内液体倒流。

如图1所示，本发明设置有旁通管道，旁通管道与干式真空泵、喷水混合式冷却器和气水分离器A并联，旁通管路通过三通阀803并联到主管路上，旁通管道的入口位于压力变送器A901与干式真空泵100之间，旁通管路的出口位于气水分离器A与逆止阀B804之间，三通阀采用合流阀，由核心控制器PLC控制干式真空泵通道或者旁通管路的开启。当干式真空泵入口压力较高时，如机组真空建立初期，用水环真空泵进行预抽，旁通管道开启，干式真空泵及喷水混合式冷却器和气水分离器A通路被关闭，当凝汽器达到一定真空度后，PLC控制三通阀使得旁路管道被关闭，启动干式真空泵，三通阀也可手动控制。机组正常运行时，凝汽器压力较低，旁通管道处于关闭状态，干式真空泵和水环真空泵共同运行，干湿混合，两级压缩，有效抽气。

如图2所示，本发明的汽轮抽气系统通过控制系统实现对干式真空泵和水环真空泵的控制，本发明控制系统主要包括核心控制器PLC及其输入输出部分，控制系统的具体结构包括核心控制器PLC、抽气阀801、压力变送器A901、逆止阀A802、水位变送器902、温度变送器A903、三通阀803、逆止阀B804和压力变送器B904、温度变送器B905；水位变送器902、温度变送器A903和压力变送器A904与PLC输入端相连。

本发明采用PLC作为控制系统的一级中枢，并且通过其自带CPU采集来自现场变送器的弱电信号，并将其处理后的结果输出，控制变频器频率、三通阀的开闭、喷水混合式冷却器喷头喷水量及抽水泵的启停，而这些受控制的器件又将其实时运行或控制状态，如频率、转速、开关状态和流量信号等反馈回CPU进行实时确认，同时根据目标值进行及时调整。

所述真空泵机组包括干式真空泵和湿式真空泵，凝汽器出口和水环真空泵入口处设有压力变送器A901、压力变送器B904，用于监测抽气系统入口和中间点压力；喷水混合式冷却器上部设有温度变送器A903，用于监测冷却器中混合气体的温度，底部设有水位变送器902，监测冷却器中的未蒸发的除盐水以及凝结水量，以确定水泵的启停。上述变送器通过变送器将采集到的温度、压力、水位等信号转化为弱电信号输入控制器，控制器CPU根据实时采集到的数据进行运算和处理，确定机组最合适的中间点压力和温度。

本发明所述真空泵机组的控制系统中，核心控制器PLC输出端与水环真空泵变频器600、冷却器喷头及底部抽水泵300和三通阀803的入口端相连。

所述水环真空泵转速由变频控制器600控制，CPU根据凝汽器压力确定水环泵抽速，使得在真空泵机组启动时，抽气系统能够迅速建立真空，当机组正常运行时，两级真空泵的抽速比决定了真空泵机组的中间点压力，此时选择合适的中间点压力，合理调整两级真空泵的抽速比，提高水环真空泵入口吸气效率，保证抽气系统稳定抽速，有效维持真空，降低系统能耗。CPU还根据现凝汽器出口和真空泵机组中间压力等因素，确定中间点温度，根据所需中间点温度确定冷却器中喷射除盐水量，并根据冷却器反馈温度不断调整喷水量。

当真空泵机组启动时需要在短时间内快速建立真空，此时干式真空泵被旁路，水环真空泵在保证电机不过载的情况下以最大转速运行。水环真空泵消耗功率主要与抽气速率、吸入压力、排气压力及工作也温度有关，在工作液温度、进排气压力一定的情况下，其消耗功率与转速成正比。当机组启动时，抽气量大，变频控制器控制水环真空泵以高转速进行运转，此时水环真空泵耗功较大。

选择电机时，保证满足水环真空泵运行过程中所需的最大功率，且有一定安全余量，所选电机最大输出功率大于水环真空泵最大功率，安全系数一般取1.1左右。

当真空泵机组正常运行时，凝汽器漏气量较少，此时只需维持真空，因此真空泵机组抽气量也较小。干式真空泵和水环真空泵共同运行，两级压缩，干式真空泵抽速固定不变，中间点压力主要由两级真空泵的抽速比，即水环真空泵的抽速决定。确定水环真空泵转速时，主要考虑在满足合理抽气的要求下，将真空泵机组的能耗降到最低。

干式真空泵消耗功率主要与其抽气速率和进排气口压差有关。在干式真空泵转速不变的条件下，其消耗功率与进排气口压差成正比。

当干式真空泵和水环真空泵共同运行时，机组消耗功率近似认为两级真空泵消耗功率之和。随着水环真空泵转速的减低，水环真空泵与干式真空泵抽速比减小，中间点压力提高，干式真空泵进出口压差变大，水环真空泵进出口压差变小，由此可见，真空泵机组消耗总功率为关于水环真空泵转速的函数。CPU通过收集现场采集凝汽器出口处压力变送器801弱电信号，确定使得总功率最小的中间点压力，以此计算出对应的水环真空泵转速，通过输出模块驱动变频控制器控制水环真空泵电机，以目标转速运行。水环真空泵入口压力变送器B904收集真空泵机组中间点压力，反馈给变频控制器，与目标压力值进行比较，以确定水环真空泵电机变频频率的机进一步调整方向，逐渐向目标值逼近，使得机组消耗总功率最小。

本发明真空泵机组中，冷却器中喷射减温水量由CPU根据中间点需要达到的温度确定。由于所喷射的减温水不会完全蒸发，仍有一部分留在冷却器中，且被混合式气体冷却器冷却后，一部分蒸汽被冷凝，位于冷却器底部的水位变送器902用于检测其中水位，抽水泵将水抽回凝汽器热井，抽水泵采用间歇性的工作模式，对冷却器中的水位设置上下限，当水位超过上限时，CPU控制抽水泵开始运行进行抽水，当水位低于下限时CPU控制抽水泵停止工作。当抽水泵停止工作时，CPU收集水位随时间变化情况，通过计算处理可确定冷却器中减温水利用率，更精确地计算所需减温水量，提高冷却器控制效率。

即本发明所述的抽气系统的运行方法为当发电机组初始运行，汽轮机抽气系统启动，此时干式真空泵被旁路，湿式真空泵以最大转速运行；当发电机组正常运行时，干式真空泵和湿式真空泵同时运行，旁路管道关闭，控制系统调整湿式真空泵转速，冷却器喷水量和抽水泵的启停。

汽轮机组启动前，需快速建立凝汽器真空，将凝汽器出口阀门打开，此时凝汽器出口压力较高，核心控制器PLC调整三通阀保证旁通管道在通路状态，干式真空泵被旁路不参与运行，三通阀也可通过手动调整，使得水环真空泵单独运行，根据凝汽器压力在水环真空泵电机允许功率范围内，以最大抽气速率抽气，水环真空泵配置的大功率电机也保证了其单独运行时的大抽速，因此能在短时间内快速建立真空。随水环真空泵运行凝汽器压力逐渐降低，当凝汽器出口压力变送器测量气压值低于一定值(譬如气压低于12kPa)时，发送脉冲信号，三通阀将旁通管路关闭，干式真空泵通路开启，启动干式真空泵电机，干式真空泵参与运行。

汽轮机组正常运行时漏气量小，凝汽器压力低，抽气中有相当一部分水蒸汽，CPU根据凝汽器出口压力变送器测量压力值确定抽气机组中间点压力，计算相应水环真空泵转速，将处理结果转化为变频控制器的频率输出，调整水环真空泵转速(可设定在2:1～4:1的范围内)；CPU同时确定机组中间点温度，计算达到目标温度值所需减温水量，控制冷却器喷头喷水量。中间点压力和温度变送器将现场实际温度反馈给核心控制器，用于进一步调整变频器功率和减温器喷水量，向目标值逐步接近。水位变送器监测冷却器中水位，高于上限抽水泵即开始运行，水位低于下限后停止。抽水泵停止运行时，根据冷却器内水位变化情况可推算减温水利用率，实现冷却器的更精确控制。

对比传统汽轮机抽气系统，变频控制器的设置使得真空泵机组可满足汽轮机组各个工况的抽气要求，并且降低抽气系统能耗，干式真空泵对凝汽器抽气的压缩使水环真空泵吸入压力提高1～3倍，远高于水环真空泵工作液对应饱和压力，保证水环真空泵在工作液温度较高时都能够有效吸气。由于凝汽器压力随季节变化较明显，抽气系统要求压缩比变化范围也较大，通过调整水环真空泵转速，可灵活分配两级压缩比、选择中间点压力，使得抽气系统在各个机组运行工况下都能满足抽气要求。

Claims (9)

1.一种汽轮机抽气系统，其特征在于，包括干式真空泵、冷却器、抽水泵、气水分离器A、湿式真空泵、变频控制器、气水分离器B、旁通管道及控制系统；所述干式真空泵进口与凝汽器连接，干式真空泵的出口与冷却器连接；所述冷却器底部设有抽水泵，冷却器出口连接气水分离器A，气水分离器A另一端与湿式真空泵的进口连接，湿式真空泵的电机与变频控制器连接且湿式真空泵的出口连接有气水分离器B；

所述控制系统包括位于凝汽器出口与干式真空泵之间的抽气阀和压力变送器A、位于干式真空泵与冷却器之间的逆止阀A、冷却器内部的水位变送器和温度变送器A、三通阀、位于湿式真空泵入口逆止阀B和压力变送器B和湿式真空泵的温度变送器B；所述三通阀分别连接凝汽器出口、气水分离器A和湿式真空泵。

2.根据权利要求1所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述控制系统通过PLC控制。

3.根据权利要求2所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述冷却器内的水位变送器、温度变送器A、压力变送器A与PLC输入端相连。

4.根据权利要求3所述的汽轮机抽气系统，所述变频控制器、三通阀，冷却器和抽水泵与PLC输出端口相连。

5.根据权利要求1所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述旁通管道通过三通阀与干式真空泵及位于其后的冷却器和气水分离器A并联。

6.根据权利要求1所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述冷却器为喷水混合式冷却器。

7.根据权利要求1所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述湿式真空泵为水环真空泵。

8.根据权利要求1所述的汽轮机抽气系统，其特征在于所述干式真空泵为选自罗茨真空泵、螺杆真空泵、往复真空泵或爪式真空泵。

9.根据权利要求1-8所述的任一汽轮机抽气系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）当发电机组初始运行，汽轮机抽气系统启动，此时干式真空泵被旁路，湿式真空泵以最大转速运行；

（2）当发电机组正常运行时，干式真空泵和湿式真空泵同时运行，旁路管道关闭，控制系统调整湿式真空泵转速，冷却器喷水量和抽水泵的启停。