300MW供熱機(jī)組水環(huán)式真空泵系統(tǒng)技術(shù)改造

吳河生，范朝光

（太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司，江蘇太倉215433）

江蘇太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司4×300MW機(jī)組分別于2004年投產(chǎn)，其中3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為抽汽供熱機(jī)組，2007年對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)組進(jìn)行了供熱改造，實(shí)現(xiàn)了6臺(tái)機(jī)組供熱（包括一期2臺(tái)135MW機(jī)組），每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)水環(huán)式真空泵，正常一備一運(yùn)。自投產(chǎn)以來，3號(hào)機(jī)3A、5號(hào)機(jī)5B、6號(hào)機(jī)6A真空泵都曾出現(xiàn)真空泵葉輪損壞、葉片段落，甚至泵殼變形事故，特別是夏季水溫升高，真空泵轉(zhuǎn)子葉片材料（鑄造304）在抗汽蝕上達(dá)到極限，其使用壽命受到一定影響，真空泵葉輪正常使用都不到一年，而且在更換葉輪期間機(jī)組沒有備用真空泵。雖然該公司采取了將2臺(tái)機(jī)組真空系統(tǒng)并聯(lián)，也制定了2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)真空泵的措施以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但是具體實(shí)施中每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀況不同，并不能完全實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)真空泵，給該公司安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來一定的影響。

1 水環(huán)式真空泵工作原理

太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司4×300MW機(jī)組配備的是新型節(jié)能產(chǎn)品ELMO-F系列中的2BW4353-O型水環(huán)式真空泵組，該公司5號(hào)、6號(hào)機(jī)組4臺(tái)水環(huán)式真空泵由廣東佛山水泵廠生產(chǎn)。

水環(huán)式真空泵的主要部件是葉輪和殼體。由于葉輪偏心地裝在殼體上，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，工作液在殼體內(nèi)形成運(yùn)動(dòng)著的水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面也與葉輪偏心，由于在殼體的適當(dāng)位置開設(shè)有吸氣口和排氣口，水環(huán)泵就完成了吸氣、壓縮和排氣這3個(gè)相互連續(xù)的過程，從而實(shí)現(xiàn)抽送氣體的目的[1]。

2 水環(huán)式真空泵葉輪損壞的原因

結(jié)合電廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析認(rèn)為真空泵葉輪損壞的主要原因，是因?yàn)橄募经h(huán)境溫度及循環(huán)水溫度高，真空泵冷卻器冷卻效果變差，進(jìn)而使真空泵內(nèi)的工作水溫度升高、接近于真空泵工作壓力下的飽和溫度，使泵內(nèi)工作液汽化，導(dǎo)致真空泵處于憋死或接近憋死的狀態(tài)下運(yùn)行。在水溫一定的條件下真空越高（絕對(duì)壓力低）、水溫越高，泵內(nèi)的水接近沸騰并會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的產(chǎn)生與破裂過程會(huì)對(duì)葉輪造成汽蝕損壞。根據(jù)葉輪內(nèi)水環(huán)形成的壓力分布，葉頂和葉根是最容易發(fā)生汽蝕的部位，汽蝕破壞了葉輪的動(dòng)平衡，引起泵體的強(qiáng)烈振動(dòng)，振壞真空泵的附屬設(shè)備（壓力真空表、壓力開關(guān)、入口氣動(dòng)門的反饋裝置等），而且會(huì)發(fā)出非常大的汽蝕噪聲。由于溫度升高，加劇了泵內(nèi)工作水的汽化，大量汽化產(chǎn)生的氣泡是凝汽器內(nèi)被抽吸的氣汽混合物中氣泡的很多倍，這些氣泡都在葉輪處破裂，對(duì)葉輪產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，使葉輪在同等工況下遭受數(shù)倍于設(shè)計(jì)工況的沖擊力，尤其是葉頂和葉根，最終導(dǎo)致葉輪壽命縮短而損壞，影響真空泵組的安全運(yùn)行，進(jìn)而影響汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 真空泵冷卻系統(tǒng)對(duì)機(jī)組真空的影響

水環(huán)式真空泵運(yùn)行時(shí)，為保持抽吸能力，其密封用水工作液必須保持一定的過冷度，如水溫升高則真空泵密封水工作液發(fā)生汽化，其極限抽真空值就是該溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力。

3.1 理論基礎(chǔ)

最低吸入極限壓力取決于工作液溫度，在水溫為15℃、環(huán)境溫度20℃的情況下，泵的吸入極限壓力可達(dá)3.3 kPa（絕壓）。如果泵不帶汽蝕保護(hù)裝置或大氣噴射器時(shí)，泵的長期工作壓力一般不大于8kPa，否則會(huì)產(chǎn)生汽蝕。水溫越低相應(yīng)的最低吸入極限壓力就越低。

在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作時(shí)，真空泵的壓力應(yīng)比冷凝器背壓約低0.7 kPa，以保持空氣正常流動(dòng)。4.9 kPa（該公司汽輪機(jī)額定背壓）對(duì)應(yīng)的飽和溫度約為32.5℃，考慮到真空泵正常運(yùn)行所需4.2℃的過冷度，也就是說，此時(shí)真空泵密封水工作液應(yīng)低于28.3℃才能正常工作。真空泵工作液取自閉式水補(bǔ)水,在夏季閉式水溫度最高可達(dá)35℃,因此在實(shí)際運(yùn)行中真空泵密封水工作液很難保證有4.2℃的過冷度。隨著水溫接近飽和，其抽氣能力也不斷下降，直至飽和汽化而喪失工作能力。

真空泵的工作壓力與冷凝器的壓力是動(dòng)態(tài)平衡過程，不管工作液溫度的高低，真空泵的抽吸壓力必須低于冷凝器的壓力才能把冷凝器內(nèi)的不凝結(jié)氣體抽走。因此真空泵工作液溫度必須低于排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，否則就會(huì)真空惡化，還會(huì)導(dǎo)致真空泵葉輪的汽蝕損壞。

3.2 影響實(shí)例及試驗(yàn)

2009年7月17日3號(hào)機(jī)出現(xiàn)真空下降的情況，就是由于夏季水溫升高，工作液閉式循環(huán)，水溫不斷升高，未及時(shí)對(duì)汽水分離器換水,導(dǎo)致真空泵內(nèi)工作液汽化造成的。

7月30日在2號(hào)機(jī)A真空泵進(jìn)行了試驗(yàn)，A泵加入16.0℃的冷水后分離器溫度為16.2℃，啟動(dòng)A泵后溫度很快升至24.5℃，并逐漸上升，真空下降，在30℃水溫時(shí)真空提高約1 kPa，真空泵電流約上升0.85 A。工作水溫每降1℃真空提高約0.19 kPa。可見，保持真空泵工作液密封水較低的溫度是保證夏季機(jī)組真空的重要手段。

4 改造方法討論

根據(jù)公司的實(shí)際情況，對(duì)真空泵工作液的冷卻器冷卻水或工作液進(jìn)行改造，既能提高真空、改善真空泵的工作狀況，又能解決真空泵的汽蝕問題。

改造實(shí)施究竟是改造冷卻水，還是直接改造工作液，下面就以該公司對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)2種改造方法的實(shí)踐來說明哪種辦法更為有效、可靠。

4.1 冷卻水改造

2009年3 月利用公司大修對(duì)6號(hào)機(jī)6A真空泵工作液冷卻器冷卻水進(jìn)行了改造，真空泵工作液冷卻器冷卻水原設(shè)計(jì)為閉式水，壓力0.4～0.6 MPa，閉式水由開式循環(huán)水冷卻，水溫高于開始循環(huán)水5℃左右，利用5號(hào)、6號(hào)機(jī)連續(xù)供熱的特點(diǎn)，將除鹽水補(bǔ)水經(jīng)過真空泵冷卻器后補(bǔ)入除鹽水補(bǔ)水箱，供熱時(shí)除鹽水泵一直運(yùn)行，5號(hào)、6號(hào)機(jī)除鹽水補(bǔ)水箱連續(xù)保持除鹽水泵80 t/h的流量。此方法既不用增加設(shè)備投入，又可以提高除鹽水補(bǔ)水溫度。

真空泵工作液冷卻器冷卻水切換前后各相關(guān)參數(shù)如表1所示。由表1可知，冷卻水的改造效果并不明顯。又在夏季循環(huán)水溫度較高時(shí)投入除鹽水作為冷卻水運(yùn)行了一段時(shí)間，效果仍不夠理想。

表1 不同水源對(duì)照

4.2 真空泵工作液改造

2009年11月5號(hào)機(jī)大修，對(duì)5B真空泵工作液進(jìn)行了改造，如圖1所示。由除鹽水補(bǔ)水箱下部直接引出一根補(bǔ)水管經(jīng)冷卻器至真空泵作為工作液，補(bǔ)水加裝流量計(jì)，同時(shí)至汽水分離器加裝手動(dòng)門，真空泵啟動(dòng)時(shí)沖洗管路，化驗(yàn)水質(zhì)合格后對(duì)真空泵充水,同時(shí)開啟真空泵汽水分離器至給泵密封水回水一次門，關(guān)二次門，開放地溝門對(duì)泵進(jìn)行沖洗,調(diào)整水量7.5 t/h左右，化驗(yàn)水質(zhì)合格后關(guān)放地溝門，開啟真空泵汽水分離器至給泵密封水回水二次門，啟動(dòng)真空泵此時(shí)水流量應(yīng)增加至12.8 t/h左右，調(diào)整真空泵汽水分離器至給泵密封水回水一次門的開度保持真空泵汽水分離器水位在150～200mm之間連續(xù)運(yùn)行。此種運(yùn)行方式除鹽水補(bǔ)水箱水位在4500mm以上，才能保證除鹽水有一定的壓力從而保證水流穩(wěn)定。

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 改造后的真空泵系統(tǒng)

大修結(jié)束機(jī)組正常運(yùn)行后對(duì)5B真空泵工作液進(jìn)行了切換試驗(yàn)，將工作液由原來的閉式水切換為除鹽水，并由原閉式循環(huán)方式改為開式循環(huán)，開式循環(huán)水方式能有效地冷卻真空泵轉(zhuǎn)子，使真空泵內(nèi)溫度保持較低水平，同時(shí)提高凝汽器補(bǔ)水溫度。真空泵工作液冷卻器冷卻水切換前后相關(guān)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)表明，通過降低工作液溫度使真空泵出力得到一定程度的提高。

4.2.2 討論

表2 真空泵工作液不同水源對(duì)照

一般情況，化學(xué)除鹽水溫度比閉式水溫度低2～4℃，利用化學(xué)除鹽水作為真空泵工作液可使其溫度降低2～3℃。以夏季工況為例，閉式水溫在32.5℃左右，除鹽水溫在29.5℃（接近循環(huán)水溫度）左右。如將真空泵的工作液切換為除鹽水，可以提高真空泵出力0.6～0.8 kPa。

現(xiàn)公司5號(hào)、6號(hào)機(jī)供熱量在80 t/h左右，加之機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的汽水損耗，除鹽水補(bǔ)水量完全可以滿足每臺(tái)真空泵開式循環(huán)工作水量13 m3/h冷卻水量的要求。不改變所涉及到的其他系統(tǒng)的運(yùn)行方式，若運(yùn)行方式改變后機(jī)組真空平均提高0.3 kPa，按5號(hào)機(jī)組2009年發(fā)電量計(jì)，年節(jié)省標(biāo)煤1000t。按標(biāo)煤630元/t計(jì)，年節(jié)約成本63萬元。機(jī)組補(bǔ)水經(jīng)真空泵加熱后，水溫可提高4℃，全年可節(jié)約成本約4萬元。

該方法優(yōu)點(diǎn)是，改造系統(tǒng)簡單，投資少，真空泵工作液的流動(dòng)冷卻既改善了真空泵轉(zhuǎn)子工作狀況，又提高了補(bǔ)水（除鹽水）的溫度。其缺點(diǎn)是機(jī)組必須連續(xù)供熱，當(dāng)供熱停止、檢修時(shí)必須對(duì)真空泵工作液調(diào)整或卸換，對(duì)安全運(yùn)行有一定影響，真空泵工作液溫度下降提高了真空泵出力，真空泵電耗增加。

4.3 其他方法探討

4.3.1 大氣噴射裝置

為解決真空泵汽蝕的情況，需提高真空泵入口壓力，為此真空泵入口增加前置大氣噴射裝置，如圖2所示。

圖2 大氣噴射裝置

前置噴射裝置為一個(gè)噴嘴和擴(kuò)壓管組合裝置,動(dòng)力氣源采用真空泵出口氣流。通過從排氣側(cè)(氣水分離器)引入接近大氣壓力的氣流，通過噴嘴加速形成高速氣流，帶動(dòng)吸入口內(nèi)的氣體一起從吸氣支管進(jìn)入泵內(nèi)。泵初始運(yùn)行入口壓力高時(shí),噴射器不投入，絕對(duì)壓力達(dá)到15 kPa左右時(shí)，噴射器投入工作。真空泵增加前置噴射裝置改造后，可將泵入口絕對(duì)壓力由原先的4～8 kPa提升至9～15 kPa，從而大大減輕泵內(nèi)的汽蝕現(xiàn)象,達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。同時(shí)可提高凝汽器在低真空狀態(tài)下的抽氣量,提高系統(tǒng)真空度。

此種改造方法的優(yōu)點(diǎn)是，提高了機(jī)組的真空，延長了真空泵的使用壽命，降低了真空泵的噪音和振動(dòng)。缺點(diǎn)是改造后由于真空泵入口壓力上升，真空泵出力增加，導(dǎo)致真空泵電流上升、電耗增加。

4.3.2 冷卻器和真空泵入口加裝制冷設(shè)備

另一種可提高凝汽式汽輪機(jī)水環(huán)真空泵效率的技術(shù)方案是，構(gòu)成中包括水環(huán)真空泵、制冷設(shè)備、汽水分離器和相應(yīng)的連接管路，水環(huán)真空泵的抽氣端經(jīng)氣體吸入管連通汽輪機(jī)的凝汽器，排氣端與汽水分離器連通，水環(huán)真空泵的密封端與工作液供給管連通，工作液供給管和氣體吸入管處分別設(shè)置工作液換熱器和氣體換熱器進(jìn)行冷卻，工作液換熱器和氣體換熱器內(nèi)流動(dòng)由制冷設(shè)備提供的冷凍水。該方法可有效降低凝汽器排入真空泵的氣體溫度，使吸入的不凝性氣體中的水蒸氣部分凝結(jié)，可提高凝汽器的真空度并進(jìn)而提高汽輪機(jī)的效率，減少電耗；通過閉式冷凍水循環(huán)冷卻水環(huán)真空泵工作液，可有效降低工作液溫度，改善真空泵轉(zhuǎn)子的工作狀況，有效防止真空泵汽蝕，減小真空泵振動(dòng)，延長真空泵的使用壽命。

該方法優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)組真空可提高0.5～1 kPa，真空泵工作狀況改善。缺點(diǎn)是投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，電耗增加，沒有合理利用熱量。

5 結(jié)束語

凝汽器真空變化對(duì)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大影響,真空升高可使汽輪機(jī)熱耗減少，效率提高,供電煤耗降低,獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。太倉港協(xié)鑫發(fā)電有限公司對(duì)供熱機(jī)組真空泵系統(tǒng)進(jìn)行了改造，同時(shí)討論了其他改造方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際改造過程中，各個(gè)電廠可以根據(jù)自身情況找到適合本廠的最佳方法。

[1] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.