汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力技术领域，具体为一种汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统及其控制方法。

背景技术：

汽轮机抽气系统作为凝汽系统不可或缺的一部分，其抽气能力对凝汽器有至关重要的影响。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，而抽气系统又无法及时将其抽出，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，真空度降低。

传统汽轮机抽气系统一般采用水环真空泵，由于真空泵需要在汽轮机组启动前建立真空，因此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，造成了真空泵功率的严重浪费。

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现象发生时，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。

鉴于目前使用的汽轮机抽气系统适应性差、能耗大的特点，一些电厂开始采用罗茨水环真空泵抽气系统，将水环式真空泵用作气冷式罗茨真空泵的前级泵，凝汽器抽出的蒸汽-空气混合物首先经由罗茨泵进行预压缩，后进入中间冷却器进行冷却，最后通入水环式真空泵后再由气水分离器排出。这样的罗茨-水环真空泵抽气系统有效提高了水环式真空泵的入口气体压力，水环泵工作液过冷度明显提高，压缩效率也明显提高。但是由于结构及工作原理的限制，气冷式罗茨真空泵入口工作压力有限制，因此不能用于机组启动时凝汽器真空的建立。一些电厂使用的罗茨-水环真空泵机组，由于选型、运行方式不当等问题，不但导致节能降耗效果不明显，甚至导致了凝汽器压力的升高。

技术实现要素：

本发明的技术目的是在现有罗茨-水环真空泵机组的基础上进行改进，制定一套新型的凝汽器罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统及其控制方法，针对现有技术中存在的问题，以改善现有技术的不足。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统，包括由气冷式罗茨真空泵、喷水混合式冷却器及其进水水泵、气水分离器a、水环式真空泵、水环真空泵变频控制器、气水分离器b、抽气阀、三通阀、压力传感器a、压力传感器b、温度传感器a和控制系统，其特征在于：

所述气冷式罗茨真空泵的抽气口通过设有抽气阀的管道与凝汽器的出口相连，其排气口与喷水混合式冷却器的气体入口连接，喷水混合式冷却器的气体出口与气水分离器a的入口连接，所述气水分离器a的出口与水环真空泵的抽气口连接，水环真空泵的排气口与气水分离器b连接；

一条旁通管路的一端连接在抽气阀与气冷式罗茨真空泵之间的管路上，另一端通过三通阀连接在气水分离器a与水环真空泵之间的管路上，三通阀在控制系统控制下，决定是否旁路气冷式罗茨真空泵及其后冷却器和气水分离器a；

所述压力传感器a设置在气冷式罗茨真空泵的抽气口前，用于监测抽气系统入口的气压；所述压力传感器b设置在水环真空泵抽气口与所述三通阀的出口之间，用于监测抽气系统中间点的气压；所述温度传感器a设置于喷水混合式冷却器内，用于监测喷水混合式冷却器内的气体温度；

气冷式罗茨真空泵的驱动电机与控制系统连接，由控制系统控制启闭；所述水环真空泵的驱动电机通过变频控制器与控制系统连接，根据控制系统发送的控制指令利用变频控制器调整其转速；所述三通阀的第一进口与气水分离器a连接，第二进口与旁通管路连接，出口与水环真空泵连接，所述第一进口、第二进口各自设有控制阀门，且分别与所述控制系统连接，由控制系统控制通断；所述喷水混合式冷却器内设有喷洒减温水的喷头，喷头通过管路与混合式喷水冷却器进水水泵连接，进水水泵与控制系统连接，由控制系统控制启停。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

所述喷水混合式冷却器采用的减温水为除盐水。

所述气冷式罗茨真空泵与喷水混合式冷却器的连接管路上设有逆止阀a，所述三通阀与水环真空泵的连接管路上设有逆止阀b。

所述喷水混合式冷却器的下部设有储液池，所述储液池通过管路与冷却器排水水泵连接，所述控制系统包括设置在喷水混合式冷却器内的液位传感器，所述液位传感器、冷却器排水水泵分别与控制系统连接，控制系统根据液位传感器反馈的信号，控制冷却器排水水泵的启停。

所述喷水混合式冷却器的气体出口通过主管路与气水分离器a的入口连接，通过分支管路与气冷式罗茨真空泵的冷却气入口连接，以使返流气体对泵体进行冷却；所述水环真空泵的工作液采用气水分离器b的排水，所述工作液经汽水分离器b出水口流向水环真空泵进水口。

所述气水分离器b的出水口与水环真空泵进水口之间的连接管路上安装有水环泵工作液冷却器和温度传感器b，所述水环泵工作液冷却器、温度传感器b分别与所述控制系统连接，控制系统根据温度传感器b的反馈调节水环泵工作液冷却器出口水温。

一种基于如上所述汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统的抽气控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

汽轮机组启动前，打开所述抽气阀、三通阀第二进口的控制阀门，关闭三通阀第一进口的控制阀门，使旁通管路处于通路状态，气冷式罗茨真空泵被旁路，启动水环真空泵，将其调节到最大功率，迅速建立凝汽器真空；

当凝汽器内气压值达到或低于预设值时，关闭三通阀第二进口的控制阀门，打开第一进口的控制阀门，关闭旁通管路，启动气冷式罗茨真空泵。

汽轮机组正常运行时，控制系统根据压力传感器a测量的压力值确定气冷式罗茨真空泵的最优压缩比，同时根据压力传感器b发送的中间点压力信号计算求得气冷式罗茨真空泵实际的压缩比，将所述最优压缩比作为目标值，将实际压缩比与目标值进行对比后，根据比较结果，调整水环真空泵的转速，若气冷式罗茨真空泵实际的压缩比小于目标值，则降低转速；若实际压缩比大于目标值，则增大转速。

相较于汽轮机组正常运行时的漏气量：

当汽轮机组漏气量增大时，增大水环真空泵的转速；

当汽轮机组漏气量减小时，在满足凝汽器抽气要求的前提下，按电耗最低的方案调节水环真空泵的转速。

所述储液池的液位设有上限和下限，当液位达到上限时，控制系统控制冷却器排水水泵启动工作；当液位达到下限时，控制系统控制冷却器排水水泵停止工作

有益效果：

本发明抽气系统在汽轮机组启动前，通过旁路管道可快速建立真空。机组正常运行时，利用变频控制器根据凝汽器工况及压力调整水环真空泵转速，以实现最优运行压缩比分配方案，科学合理抽气，有效维持凝汽器真空，满足不同情况下抽空气量的要求，降低汽轮机抽气系统的能耗。同时，本发明抽气系统和控制方法解决了水环真空泵抽气能力受水温限制的问题，可以更有效地对气冷式罗茨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为本发明抽气系统的结构示意图。

其中：气冷式罗茨真空泵（100）、喷水混合式冷却器（200）、冷却器排水水泵（300）、气水分离器a（400）、水环真空泵（500）、变频控制器（600）、气水分离器b（700）、控制阀（801）、逆止阀a（802）、三通阀（803）、逆止阀b（804）、压力传感器a（901）、液位传感器（902）、温度传感器a（903）、压力传感器b（904）、温度传感器b（905）。

图2为本发明控制系统的示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。

如图1、图2所示的一种汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统，包括控制系统和依次连接的气冷式罗茨真空泵100、喷水混合式冷却器200、气水分离器a803、水环真空泵500与气水分离器b700，且抽气系统的入口和水环真空泵500的抽气口之间另设有旁通管路，所述旁路通道并接在气冷式罗茨真空泵100、喷水混合式冷却器200和气水分离器a803的两端。所述气冷式罗茨真空泵100的抽气口通过设有抽气阀801的管道与凝汽器的出口相连，气冷式罗茨真空泵100的排气口与喷水混合式冷却器200的气体入口连接。

所述喷水混合式冷却器200的下部设有储液池，上部设有喷头。喷水混合式冷却器200的气体出口通过主管路与气水分离器a400的入口连接，通过分支管路与气冷式罗茨真空泵100的冷却气入口连接，以使返流气体对泵体进行冷却。所述储液池的底部通过管路与冷却器排水水泵300连接，喷头通过进液管路与喷水混合式冷却器进水水泵连接，工作时向进入喷水混合式冷却器200中的气体喷洒减温水。所述冷却器排水水泵300、冷却器进水水泵分别与控制系统连接，由控制系统控制启停。

所述气水分离器a400的气体出口与水环真空泵500的抽气口连接，所述旁通管路的一端连接在控制阀801与气冷式罗茨真空泵100抽气口之间的管路上，另一端通过三通阀803连接在气水分离器a400的气体出口与水环真空泵500之间的管路上。

所述水环真空泵500的排气口与气水分离器b700的气体入口连接，经气水分离器b700除水后，向设备外部排出气体。水环真空泵500的驱动电机与变频控制器600的信号输出端连接，所述变频控制器600的信号输入端则与控制系统连接，控制系统根据相关传感器组件反馈的信号，通过变频控制器600控制水环真空泵500的运行。

所述气水分离器b700内积蓄的液体可作为水环真空泵500的工作液回收利用，如图1所示，气水分离器b700的出水口与水环真空泵500的进水口连接，二者的连接管路上设有水环泵工作液冷却器和温度传感器b905，控制系统根据温度传感器b905的反馈，调节水环泵工作液冷却器的出口水温。

所述气冷式罗茨真空泵100与喷水混合式冷却器200的连接管路上设有逆止阀a802，所述三通阀803与水环真空泵500的连接管路上设有逆止阀b804。

所述抽气系统中的监测组件包括：设置在气冷式罗茨真空泵100抽气口前的压力传感器a901；设置在水环真空泵500抽气口前的压力传感器b904；设置在喷水混合式冷却器200内的液位传感器902和温度传感器a903；设置在水环真空泵500进水口端的温度传感器b905。所述压力传感器a901、液位传感器902、温度传感器a903、压力传感器b904、温度传感器b905的信号输出端分别与所述控制系统连接，向控制系统反馈相应的传感器采集的信号。所述抽气阀801、三通阀803和气冷式罗茨真空泵100的驱动电机也分别与所述控制系统连接，由控制系统控制通断或启停。

工作原理：

来自凝汽器的蒸汽与空气的混合气体，经过气冷式罗茨真空泵100的初级压缩后，进入喷水混合式冷却器200。喷水混合式冷却器的喷头受控制系统的控制，定量喷射减温水（本实施例中采用除盐水）对喷水混合式冷却器200中的混合气体进行降温，使得部分蒸汽被凝结，混合气体体积流量减小，冷却后的混合气体大部分经主管路流向气水分离器a400进行气水分离，小部分经分支管路回流至气冷式罗茨真空泵100中以冷却泵体。气冷式罗茨真空泵100及喷水混合式冷却器200的设置不仅使得水环真空泵500气体入口的压力提高，增加了水环真空泵500工作液过冷度，还改善了水环真空泵500吸气性能，避免水环真空泵500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500的耗功。最后将从水环真空泵500出口排出的混合气体排入气水分离器b700，经过二次除水后再向抽气系统外部排放。

所述旁通管道与气冷式罗茨真空泵100、喷水混合式冷却器200和气水分离器803并联，旁通管路通过三通阀803并联到主管路上，旁通管路的出口处即为设有逆止阀804的水环真空泵500。所述三通阀803采用合流阀，设有与气冷式罗茨真空泵100连接的第一进口，与旁通管路连接的第二进口以及与水环真空泵500连接的出口，所述第一进口、第二进口均由控制系统控制其阀门的开启或关闭。当气冷式罗茨真空泵100气体入口（抽气口）压力较高时，如机组真空建立初期，用水环真空泵500进行预抽，旁通管道开启，气冷式罗茨真空泵100及其出口冷却器200和气水分离器400所在的通路被关闭，当凝汽器达到一定真空度后，控制系统控制三通阀803使得旁路管道被关闭，启动气冷式罗茨真空泵100，所述三通阀803也可手动控制。机组正常运行时，凝汽器压力较低，旁通管路处于关闭状态，气冷式罗茨真空泵100和水环真空泵500共同运行，干湿混合，两级压缩，有效抽气。

在本发明抽气系统中，应用喷水混合式冷却器200比常用的表面式冷却器，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，所述喷水混合式冷却器200通过直接向气体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500的容积流量计，降低水环真空泵500的抽气出力。所述喷水混合式冷却器200底部的排水水泵300可将储液池中的凝结水抽至凝汽器热井中，作为锅炉给水循环利用。所述喷水混合式冷却器200与水环真空泵500分别设有逆止阀a802和逆止阀b804，防止突然停机时，喷水混合式冷却器200内或水环真空泵500内液体倒流。

参照图2，本发明的汽轮机罗茨-水环真空泵变频控制抽气系统的控制系统主要包括核心控制器plc及其输入输出部分。本发明采用plc作为控制系统的一级中枢，通过其自带的cpu采集来自现场传感器的弱电信号，并将其处理后的结果输出，控制变频控制器频率、三通阀的开闭、喷水混合式冷却器喷头喷水量以及冷却器排水水泵的启停，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控制系统的cpu进行实时确认，同时根据预设的目标值进行及时调整。

本发明的控制系统中，压力、温度和水位传感器的信号输出端与控制系统的输入端相连。气冷式罗茨真空泵100的抽气口和水环真空泵500的抽气口前均设有压力传感器（901、904），用于监测抽气系统入口和中间点的气体压力。喷水混合式冷却器200内设有温度传感器a903和水位传感器902，所述温度传感器a903用于监测喷水混合式冷却器200中混合气体的温度；所述水位传感器902用于监测冷却器储液池中未蒸发的除盐水以及凝结水量，以确定冷却器排水水泵300的启停。所述水环真空泵500的进水口前设有温度传感器b905，用于监测进入水环真空泵500的工作液的温度。上述的多个传感器将采集到的温度、压力、水位等信号转化为弱电信号输入核心控制器，核心控制器的cpu根据实时采集到的数据进行运算和处理，确定抽气系统最合适的中间点压力和温度。

本发明抽气系统的控制系统的输出端与水环真空泵变频控制器600、喷水混合式冷却器200的进水水泵、冷却器排水水泵300以及三通阀803的两进口阀门分别相连。水环真空泵500的转速由变频控制器600控制，核心控制器的cpu根据凝汽器压力确定水环真空泵500的抽速（转速），使得在机组启动时，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抽气系统的中间点压力，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500抽气口的吸气效率，保证抽气系统稳定抽速，有效维持真空，降低系统能耗。核心控制器的cpu还根据现凝汽器出口和中间压力等因素，确定中间点的温度，根据所需中间点温度确定喷水混合式冷却器200中喷射除盐水的量，并根据温度传感器a反馈的温度不断调整冷却器的喷水量。

本发明抽气系统中，喷水混合式冷却器200中喷射的减温水量由核心控制器的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，且被抽混合气体冷却后一部分蒸汽被冷凝，所述冷却器底部的储液池内设有检测水位的液位传感器。喷水混合式冷却器200通过排水泵300将水抽回凝汽器热井，排水泵采用间歇性的工作模式，对冷却器中储液池的水位设置上下限，当传感器检测到水位超过上限时，液位传感器902向控制系统发送信号，控制系统的cpu控制冷却器排水水泵300开始运行进行抽水；当传感器检测到水位低于下限时，cpu控制冷却器排水水泵300停止工作。当冷却器排水水泵300停止工作时，cpu收集水位随时间变化的情况，通过计算处理可确定喷水混合式冷却器200中减温水的利用率，更精确地计算所需减温水量，提高冷却器控制效率。

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不只限于以下实施例。

实施例1

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，控制系统调整三通阀803保证旁通管道在通路状态，气冷式罗茨真空泵100被旁路不参与运行，三通阀803也可通过手动调整，使得水环真空泵500单独运行，根据凝汽器的出口压力在水环真空泵500驱动电机允许的功率范围内，以最大抽气速率抽气，水环真空泵500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。随着水环真空泵500的运行，凝汽器压力逐渐降低，当压力传感器901测量的气压值低于12kpa（暂定）时，发送脉冲信号，三通阀803将旁通管路关闭，气冷式罗茨真空泵100通路开启，启动气冷式罗茨真空泵100的驱动电机，气冷式罗茨真空泵100参与运行。

实施例2

汽轮机组正常运行时漏气量小，凝汽器压力相比真空建立时逐渐降低并逐步稳定，核心控制器的cpu根据压力传感器901测量的压力值确定抽气系统的最优运行方案（即气冷式罗茨真空泵最优压比），同时cpu接收到压力传感器904发送的中间点压力信号，经过计算求得气冷式罗茨真空泵100实际的压缩比，与目标值进行对比。比较结果经由控制系统的pi控制器输出，利用变频控制器600调整水环真空泵500的转速。若气冷式罗茨真空泵100实际的压缩比小于目标值，则降低转速；若实际压缩比大于目标值，则增大转速。

实施例3

汽轮机组正常运行时抽气量变化较小，若汽轮机组密封系统突发故障，漏气量发生变化，可通过调整水环真空泵500转速以实现抽空气量在一定范围内变化。在汽轮机组稳定运行时，若漏气量增大，可增大水环真空泵500的转速，降低抽气系统中间点压力，减小气冷式罗茨真空泵100的压缩比，从而减小气冷式罗茨真空泵100的内泄露流量，增大抽气系统实际抽气量，以满足凝汽器漏空气量增大的要求；若漏气量减小，则确定水环真空泵500转速的主要因素则是抽气系统电耗，在满足凝汽器抽气要求的前提下，可按照抽气系统最佳运行方案确定水环泵转速，将抽气电耗降到最低。

实施例4

在抽气系统的喷水混合式冷却器200内，冷却后混合气体需要达到的温度由核心控制器的cpu控制，cpu根据温度传感器a903反馈的现场实际温度，计算达到目标温度值所需减温水量，通过调节冷却器喷头的喷水量，逐步向目标值逐步接近。液位传感器902监测冷却器中的水位，高于上限冷却器排水水泵300即开始运行，水位低于下限后停止。水泵停止运行时，利用cpu根据冷却器内水位变化的情况推算减温水的利用率，实现对喷水混合式冷却器200的更精确控制。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。