罗茨水环真空泵在燃煤电厂中的节能降碳实践研究
华曙光，陈添财，赵宁
（内蒙古京能双欣发电有限公司，内蒙古 鄂尔多斯市，016014）
Research on Energy Conservation and Carbon Reduction Practices of Roots Water Ring Vacuum Pumps in Coal-Fired Power Plants
SHUGUANG HUA,Tiancai Chen,Ning Zhao
(Inner Mongolia Jingneng Shuangxin Power Generation Co., Ltd., Ordos City, Inner Mongolia,016014)
ABSTRACT：With the in-depth advancement of China's "dual carbon" goals, energy conservation and carbon reduction technology transformation in coal-fired power plants, as a significant area of energy consumption and carbon emissions, has become an inevitable trend. This paper takes the energy-saving transformation project of Roots vacuum pumps in the 2×350MW units of Inner Mongolia Jingneng Shuangxin Power Generation Co., Ltd. as a case study, comprehensively analyzing the energy conservation and carbon reduction effects of Roots vacuum pump technology in the condenser vacuum system. Practice shows that this technology has reduced the plant's power consumption rate by 0.02%, saving 145.07 kWh per hour for each of the two units, with a power-saving rate as high as 73.69%. The annual power savings amount to 1.1316 million kWh. At the same time, it has reduced the consumption of demineralized water and equipment noise, demonstrating significant economic and environmental benefits. This provides a valuable reference for energy-saving transformations of similar units.
Key words: Roots water ring vacuum pumps; condenser vacuum;plant power consumption rate; coal-fired power plant; energy conservation and carbon reduction
摘要：随着我国"双碳"目标的深入推进，燃煤电厂作为能源消费和碳排放的重要领域，节能降碳技术改造已成为必然趋势。本文以内蒙古京能双欣发电有限公司2×350MW机组的罗茨真空泵节能改造项目为案例，全面分析了罗茨真空泵技术在凝汽器真空系统中的节能降碳效果。实践表明，该技术使厂用电率下降0.02%，双机每小时节电量145.07kWh，节电率高达73.69%，年节约电量达113.16万kWh，同时减少了除盐水消耗及设备噪音，具有显著的经济效益与环保效益，为同类型机组的节能改造提供了有益参考。
关键词：罗茨水环真空泵；凝汽器真空；厂用电率；燃煤电厂；节能降耗
0 引言
在国家“双碳”目标约束下，节能改造成为火电企业应对能源转型挑战、提升核心竞争力的重要手段，行业内就如何改造能大幅降低机组煤耗，避免高排放机组被淘汰进行了很多尝试。随着深度调峰频次的增加，机组综合供电煤耗更是上涨明显，因此如何通过改造提升汽轮机效率十分紧迫。
机组运行中，凝汽器真空系统的运行状态直接关系到整个机组的热经济性和运行效率。真空度每降低1kPa，供电煤耗约增加1.5%-2.5%，对机组经济性产生显著影响。因此，维持凝汽器最佳真空，提高真空系统运行效率，是电厂节能降耗的重要途径之一。因此凝汽器真空系统的节能优化逐步得到各企业的重视，由此出现了许多新的节能改造方案。
罗茨真空泵作为一种新兴的节能技术，通过优化工作原理和系统配置，有效解决了传统水环真空泵能效低下的问题。内蒙古京能双欣发电有限公司在2×350MW机组上实施的罗茨真空泵改造项目，通过在现有抽真空系统母管上并联一套罗茨-水环真空泵组集装装置，机组正常运行中替代原系统水环真空泵的方式，解决了水环真空泵选型偏大、极限真空低、受水温影响大等问题，为该项技术的效果验证提供了宝贵的实践案例。
本研究旨在通过分析这一成功案例，梳理罗茨真空泵技术的原理特点、实施方法和效益评估，为同类型机组的节能改造提供理论依据和实践指导。
1 真空系统现状
1.1 原凝汽器抽真空系统简介
该厂使用东方汽轮机有限公司生产的 超临界、一次中间再热、单轴、三缸双排汽、七级回热抽汽、间接空冷凝汽式汽轮机。
采用表面式凝汽器间接空冷系统，间冷水在凝汽器管内流动过程中与管外的排汽进行热交换，使排汽凝结成水，在凝汽器中形成真空。正常工作时，间冷水先进入凝汽器的两个前水室，后穿过中间的两组管束流到后水室，转向之后穿过凝汽器外侧的两组管束流回到前水室，之后排出凝汽器。蒸汽由汽轮机排汽口进入凝汽器，经过管束中央通道及两侧通道后进入主管束区，通过间冷水管的管壁进行热交换后凝结。部分蒸汽由中央通道及两侧通道进入热井对凝结水进行回热，以消除过冷度，起到除氧作用。剩余少部分汽-气混合物经空冷区再次热交换 后，少量未凝结蒸汽和空气混合物经抽气口由抽真空设备抽出。
抽真空系统设计采用两台双级锥体式水环真空泵，机组启动抽真空时启动两台真空泵运行，真空建立后一台泵运行、另一台备用。
系统原水环真空泵极限真空为3.3kPa，额定电流230A，正常运行电流183.25A，每台机组各设置2台，运行方式为一运一备。依照年平均运行7800小时计算，每台机组真空泵年耗电量P=1.732×0.4×183.25×0.85×7800≈841716KWh。
1.2 原系统真空泵运行中存在的问题
虽然在机组启动时能够快速建立真空，但在正常运行时，由于设计选型时主要考虑在机组启动时能够满足快速建立真空的需求，同时在机组真空系统有小量漏点时能够维持机组真空，导致配置功率过大，正常运行时存在“大马拉小车”的现象，造成不必要的能耗。
同时，水环真空泵效率普遍低于30%，且在夏季环境温度升高时，抽吸能力会大幅下降，进一步影响机组真空。
以上两个技术缺陷使得水环真空泵在持续运行能耗和适应环境变化方面存在明显不足。
2罗茨真空泵节能技术原理与优势
2.1 罗茨真空泵技术原理
罗茨真空泵是一种容积式泵，其工作原理是通过泵腔内两个相反方向同步旋转的叶形转子，在转子间、转子与泵壳内壁间保持细小间隙而互不接触，通过转子旋转形成容积变化从而实现抽气作用。这种独特的工作方式使其无需内部润滑，减少了油蒸气对真空系统的污染，同时大大降低了摩擦损失和驱动功率，实现了高效运行。
在电厂凝汽器抽真空系统中，罗茨真空泵通常不单独使用，而是采用罗茨-水环真空泵组的创新配置。该配置保留原水环真空泵用于机组启动阶段快速建立真空，在机组正常运行时则切换至罗茨真空泵维持真空。这种组合方式充分发挥了两类真空泵的各自优势：水环真空泵在建立初期高真空工况下表现优异，而罗茨真空泵在维持正常运行真空时效率更高，两者结合实现了系统效率最大化。
2.2 罗茨真空泵相较于水环真空泵的技术优势
与传统水环真空泵相比，罗茨真空泵在多个方面展现出显著优势：
罗茨真空泵具有较高的抽气效率，能够在较低的功率消耗下维持相同的真空度。这主要源于其内部无需润滑、摩擦损失小的结构特点。在实际运行中，罗茨真空泵的能耗通常仅为传统水环真空泵的20%-30%，节能效果显著。
2.2.2 环境适应性
水环真空泵的抽吸能力受工作液温度影响显著，特别是在夏季高温环境下，抽吸能力大幅下降，直接影响凝汽器真空度。而罗茨真空泵性能受工作液温度影响小，对高温季节运行的机组可提高凝汽器的真空值，相应降低发电煤耗0.5-5.0克/千瓦时。此外，罗茨真空泵对被抽气体中含有的灰尘和水蒸汽不敏感，转子不必润滑，泵腔内无油，驱动功率小，无机械摩擦，运行更加稳定可靠。
2.2.3 维护成本
由于罗茨真空泵内部无直接机械接触，磨损问题得到极大缓解，维护周期长，备品备件消耗少，降低了日常维护成本和人力的投入。同时，罗茨真空泵组运行振动小，转子动平衡好，运行平稳，噪音少，无污染，符合绿色环保要求。
3 京能双欣发电有限公司应用案例分析
3.1 改造方案
京能双欣发电有限公司采用的改造方案具有针对性强、实施合理的特点，具体如下：
3.1.1 系统配置
在不改变原抽真空系统的设备及功能的前提下，在原抽真空母管上并联安装一台高效罗茨-水环真空泵组，形成一种"一运两备"的新型运行模式。这种设计方案确保了系统安全可靠经济运行，既保留了原有设备在启动和应急情况下的功能，又增加了高效运行模式。
3.1.2 运行逻辑
机组启动阶段：按原运行方式将原有抽真空设备投入运行，利用水环真空泵快速建立真空的特性，确保启动效率[1]。
正常运行时：待机组运行正常、真空稳定后，切换至高效罗茨真空泵组维持真空，原有抽真空设备切除做备用。此时蒸汽和不凝结气体进入罗茨泵，加压后经冷却器冷凝进入下级水环真空泵，由于提高了水环真空泵的入口压力，可保证水环真空泵高效稳定运行[2]。
应急情况：当机组真空系统发生严重泄漏，高效真空泵不能维持凝汽器真空时，自动将原有抽真空设备投入运行满足真空要求。高效真空泵组在检修或设备故障时，原有抽真空设备也可立即投入运行，确保真空要求。
3.1.3 控制策略
设备之间设有可靠的联锁控制系统，根据凝汽器真空度自动切换运行模式，实现不同工况下的最优化运行，同时大幅提高系统运行的可靠性和安全性。
3.2 运行效果分析
改造后，京能双欣发电有限公司1、2号机组新增罗茨真空泵组抽真空效果良好，具体运行数据对比如下：
根据上表数据，改造后运行电流从183.25A降至42.92A，1、2号机组较原水环真空泵运行电流分别下降140.33A、137A，节电效果极为显著。双机每小时节电量145.07kWh，节电率73.69%，厂用电率下降0.02%。按照双机年台平均运行7800小时计算，年节约电量高达113.16万kWh，经济效益显著。
除了节电效益，改造还带来了多方面的综合效益：
1）节水效益：罗茨真空泵组运行减少了原水环真空泵机械密封水用量，双机节约除盐水量达6t/h，降低了水处理成本和水资源消耗。
2）环境友好：设备运行噪音明显下降，改善了工作环境，减少了噪声污染。
3）可靠性提升：罗茨真空泵组运行稳定，减少了原水环真空泵易发生汽蚀的缺陷，降低了维护成本；同时，真空泵组由原来的一运一备改为一运两备，提高了机组真空系统运行的可靠性。
3.3 节能与降碳效益综合分析
3.3.1 节电效益计算
根据京能双欣发电有限公司的实际运行数据，罗茨真空泵改造项目的节电效益可通过以下公式计算：
每小时节电量=(原运行电流-改造后运行电流)×电压×√3×功率因数/1000
基于实际运行数据：原水环式真空泵运行电流为183.25A，罗茨水环真空泵运行电流为42.92A，厂用电压400V，假设功率因数为0.85，则：
每小时节电量=(183.25-42.92)×400×1.732×0.85/1000≈102kWh
该公司实际报告的双机每小时总节电量为145.07kWh，按此计算，年运行7800小时的总节电量达113.16万kWh。以当地平均电价0.4元/kWh计算，仅电费一项，每年就可节约约45.26万元，经济效益显著。
3.3.2 降碳效益评估
罗茨真空泵改造的降碳效益主要体现在直接减排和间接减排两个方面：
直接减排：根据国家能源局发布的《燃煤电厂节能减排指标》计算，每节约1kWh电，相当于减少二氧化碳排放约0.997千克。基于该项目年节电量113.16万kWh，可实现的年二氧化碳减排量为：1131600kWh ×0.997 kg/kWh≈1128吨。
间接减排：该改造还通过减少除盐水用量带来了间接减排效益。制备除盐水是一个高能耗过程，节约除盐水6t/h相当于进一步减少了能源消耗和相关的碳排放。
3.3.3 安全环保与社会效益
除了直接的经济效益和降碳效果，罗茨真空泵改造还带来了多方面的安全环保与社会效益：
1）噪音降低：罗茨真空泵转子动平衡好，运行平稳，噪音少，无污染，绿色环保。工作环境噪音的降低不仅减少了对厂区周边环境的影响，也改善了运行人员的工作条件，有利于职业健康保护。
2）可靠性提升：罗茨真空泵对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感，运行可靠性高，减少了因真空泵故障导致的机组非计划停运风险。设备之间设有可靠的联锁控制系统，进一步提高了机组真空系统运行的安全可靠性。
3）维护成本降低：由于罗茨真空泵内部无直接机械接触，磨损问题得到极大缓解，维护周期长，备品备件消耗少，降低了日常维护成本和人力的投入。
4 推广建议与展望
4.1 推广建议
基于京能双欣发电有限公司的成功经验，罗茨真空泵技术在燃煤电厂具有广泛的推广价值。在推广应用中，需考虑以下因素：
1）机组容量与真空严密性：研究表明，加装罗茨水环真空泵组适用于真空严密性好的机组；而采用蒸汽喷射抽真空系统适用于机组容量大和真空严密性差的机组[3]。因此，在方案选择时，应首先评估机组的真空严密性状况，选择最适合的技术路线。
2）改造时机选择：罗茨真空泵改造可在机组大修期间进行，以最大限度减少对机组运行的影响。改造过程中无需对原系统进行大规模改动，只需在原抽真空母管上并联安装罗茨真空泵组，工程量小，实施难度低。
3）运行模式优化：改造后应建立科学的运行规程，明确机组启动、正常运行和异常情况下的操作流程和切换逻辑，加强运行人员培训，确保新系统发挥最大效益。
4.2 未来展望
随着技术进步和环保要求的提高，罗茨真空泵技术也在不断创新发展中，未来可能出现以下趋势：
1）智能化集成：新一代罗茨真空泵正朝着智能化方向发展，集成智能接口技术实现工艺调整和状态监测（工业4.0），通过智能状态监测确保较长的使用寿命和高运行安全性。这将使罗茨真空泵不仅作为节能设备，更成为电厂智能化管理系统的重要组成部分。
2）性能持续优化：通过改进转子几何形状、采用能效等级为IE4的电机、优化冷却系统等措施，罗茨真空泵的能耗水平有望进一步降低，抽空时间缩短约20％，适应更广泛的应用环境。
3）系统集成优化：未来罗茨真空泵可能不再仅仅是单一设备的替代，而是作为整个真空系统优化的核心，与蒸汽喷射器、水环泵等设备形成更加高效的综合系统，根据不同工况智能切换运行模式，实现系统能效最大化。
5 结束语
内蒙古京能双欣发电有限公司罗茨真空泵改造项目的成功实施，证明了该项技术在燃煤电厂节能降碳领域具有重要价值和推广意义。研究结果表明：
1）罗茨真空泵技术通过优化系统配置和运行方式，解决了传统水环真空泵在正常运行时能效低下的问题，实现了系统能耗大幅降低，节电率达到73.69%，厂用电率下降0.02%。
2）该技术不仅带来显著的节电效益，还通过减少除盐水消耗、降低设备噪音、提高运行可靠性等途径，产生了综合性的经济效益与环保效益。
3）基于该项目的成功经验，罗茨真空泵技术在同等规模及以上燃煤电厂，特别是真空严密性良好的机组中具有广泛的适用性，可作为电厂节能降碳技术改造的优选方案之一。
4）随着技术进步和系统优化，罗茨真空泵技术在智能化、性能优化和系统集成方面仍有较大发展空间，未来将在电厂节能减排中发挥更加重要的作用。
总之，在能源转型和碳减排压力日益增大的背景下，罗茨真空泵技术为燃煤电厂提供了一条经过实践验证的节能降碳路径，值得在行业中广泛推广和应用。
参考文献
[1] 陈小忠，崔国华，黄宁.凝汽器真空维持系统节能优化及实施.《仪器仪表用户》，2017(06)
[2] 黄力森. 调峰机组真空系统安全节能改造实践.广东电力，2016(01)
[3] 陈鑫，程石，郑敏聪. 火电机组凝汽器抽真空系统节能改造[J]. 发电设备，2019(01)
作者简介：
华曙光(1985-)，男，高级工程师，内蒙古京能双欣发电有限公司，发电运行部
京公网安备 11011502004515号 
