真空泵制冷裝置水位控制及故障分析

孫 磊，居 強，曲海英

(華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522)

現在投產的大型火電機組都存在真空度偏低的問題，特別是夏季問題更加突出。由于凝汽器真空偏低，造成凝汽器冷端損失增大，嚴重影響機組的經濟性。對以水環式機械真空泵作為凝汽器抽氣設備的大型機組，通過降低真空泵工作水溫度從而提高真空泵抽氣出力，可維持較高的真空，使機組的經濟效益得到大幅提高。

華電國際鄒縣發電廠2臺1 000 MW汽輪機為超超臨界、一次中間再熱、單軸四缸四排汽、凝汽式，設計額定功率為1 000 MW，機組型號為N1000-25/600/600。凝汽器設計為雙殼體、雙背壓、單流程，可在機組最大出力、循環冷卻水溫33 ℃，背壓不大于4.5/5.7 kPa的工況下長期運行。凝汽器型號為N-60000，冷卻面積為60 000 m2，設計冷卻水量為97 948.8 t/h，凝汽器不銹鋼管總根數為57 300 根 (厚度 0.5 mm)。

電廠每臺機組均配有3臺日本生產的型號為EVMA250的水環式機械真空泵。凝汽器壓力為5.1 kPa時，水環式真空泵設計抽吸干空氣量為75 kg/h。由于水環式真空泵是以水作為工作介質，根據道爾頓定律，泵體內的密封吸氣空間的氣壓應等于水蒸氣的分壓和各種分壓之和，故泵內的密封水溫度決定了泵在旋轉過程中吸氣和排氣空間所能達到的真空。即，泵內的最高真空是由水的汽化壓力，也就是泵內密封水溫下的飽和蒸汽壓所決定的，因此盡可能降低泵內密封水溫度就可以提高泵內真空。所以，安裝真空泵制冷裝置后可以更好地保證真空泵的工作效率，從而提高機組的整體效率。

1 真空泵制冷裝置系統介紹

1 真空泵制冷裝置系統流程

電廠1 000 MW機組真空泵制冷裝置由山東泓奧電力科技有限公司安裝和調試。制冷機為煙臺荏原空調設備有限公司制造的單效溴化鋰吸收式制冷機，正常出力為(80×104)kcal/h,冷水出水流量為160 m3/h。溴化鋰吸收式制冷機除了冷卻水和溴化鋰溶液2個內部循環外，還有3個系統與外部相聯：熱水系統、冷卻水系統、冷凍水系統。

(1) 冷凍水系統循環流程。冷凍水系統循環流程如圖1所示。

圖1 冷凍水系統循環原理示意

(2) 冷卻水系統流程。開式循環水泵出口來水→制冷機冷卻器入口→制冷機冷卻器出口→去凝汽器循環水回水(涼水塔)。

(3) 熱水系統流程。6號低加出口母管來水→制冷機熱水入口→制冷機熱水出口→熱水泵→去6號低加入口母管。

1.2 制冷機工作原理

單效溴化鋰吸收式制冷機主要是由吸收器、發生器、冷凝器和蒸發器4部分組成的，并且4個容器均保持真空狀態。用純凈水作為制冷劑，利用高真空狀態下，水的飽和溫度降低的原理和溴化鋰溶液具有強吸濕性的原理，達到連續制冷的目的。制冷機工作原理如圖2所示。

圖2 制冷機工作原理示意

由于制冷機在正常運行中配有較完善的電氣保護和熱工保護，工作比較可靠，除進行正常的運行維護外，極少出現問題，在此不再進行詳細闡述。

2 真空泵制冷裝置系統投運后的水平衡及水位控制

真空泵制冷裝置系統投運后的水平衡如圖3所示，在整個系統運行正常的情況下：

圖3 真空泵制冷裝置系統投運后的水平衡示意

(1) 進入真空泵制冷裝置系統內的水源有：溢氣膨脹箱電動閥補水、機械真空泵抽吸的凝汽器內的蒸汽凝結水和機械真空泵分離器浮球閥補水。

(2) 由該系統排除的水主要有： 溢氣膨脹箱溢水，冷水系統各放水口放水，排氣漏水口漏水，真空泵汽水分離器溢水以及真空泵盤根漏水。

(3) 正常運行中，每小時由凝汽器抽出的蒸汽量約為0.5 t，因而會有相近的凝結水量補入真空泵制冷裝置系統內部循環。

(4) 真空泵正常運行中盤根漏水非常輕微，小于凝汽器抽出的蒸汽凝結水量。如果盤根漏水量偏大時，應及時更換盤根。

(5) 通過調整至機械真空泵三通閥前流量調整閥的開度，保證運行中機械真空泵汽水分離器和溢氣膨脹箱內水位保持正常，且有少量溢水，使整個系統達到水平衡狀態，保證真空泵汽水分離器補水門、溢氣膨脹箱補水電動門均在關閉位置。

(6) 機械真空泵汽水分離器的水位由低壓抽水器入口管道安裝位置決定。除誤開機械真空泵汽水分離器放水門外，水位不會低于低壓抽水器入口管道的安裝位置，可以保證機械真空泵有足夠的工作水量。

(7) 由于正常運行中真空泵汽水分離器補水門、溢氣膨脹箱補水電動門均在關閉位置，從而使真空泵汽水分離器溢水量、溢氣膨脹箱溢水量和真空泵盤根漏水量為真空泵抽吸凝汽器蒸汽冷卻的水量，整個系統達到水平衡狀態。

3 制冷系統投運后水位故障分析

3.1 真空泵停運后汽水分離器水位上升

真空泵停運后，真空制冷裝置至真空泵三通閥應自動關閉，整個系統應與停運真空泵自動隔離。如隔離后的真空泵汽水分離器水位上升，則主要原因為真空泵汽水分離器至真空泵制冷裝置低壓抽水器的逆止門不嚴。溢氣膨脹箱內的水在虹吸作用下，倒流至真空泵汽水分離器內，造成真空泵汽水分離器內水位持續上升。真空泵汽水分離器內的水位高低會直接影響真空泵的出力和安全，過高的水位將直接造成真空泵失去備用，嚴重威脅機組的安全。

因為真空泵汽水分離器至真空泵制冷裝置低壓抽水器的逆止門在真空泵停運狀態時前后壓差小，不可能用壓差來關閉逆止門；又因逆止門長期運行后存在銹蝕等情況，也直接造成了逆止門關閉不嚴的現象。

為解決逆止門關閉不嚴而威脅真空泵和機組安全的事故發生，除選用質量優良的逆止門產品外，還可降低溢氣膨脹箱標高，將溢氣膨脹箱正常水位控制在真空泵汽水分離器正常水位范圍內；也可在低壓抽水器出口處安裝電動隔離門，隨低壓抽水器的投停而自動開關，從根本上解決逆止門關閉不嚴的問題。

3.2 運行中真空泵汽水分離器水位突升

真空泵正常運行過程中，真空泵汽水分離器水位突升的主要原因有：①溢氣膨脹箱補水閥故障造成溢氣膨脹箱水位過高，從而影響低壓抽水器的抽水功能，造成真空泵汽水分離器內水無法排出；②真空制冷裝置至真空泵三通閥前流量調整閥誤開；③低壓抽水器電動門誤關，低壓抽水器工作異常，也可造成真空泵汽水分離器水位異常。

真空泵系統正常運行中，溢氣膨脹箱應有少量水溢出。如發現溢氣膨脹箱補水閥自動開啟報警或水位下降時，應立即就地檢查機械真空泵水位。如運行機械真空泵有1臺分離器滿水時，應及時關閉該機械真空泵三通閥和低壓抽水器電動門，立即開啟分離器放水，啟動備用機械真空泵，停止故障真空泵的運行。

真空泵正常運行過程中汽水分離器水位過高，是非常危險的故障。運行人員如果發現不及時或處理不果斷，將直接造成多臺真空泵過電流跳閘，進而影響凝汽器真空，甚至造成機組真空低保護動作跳閘事故的發生。

由于真空泵汽水分離器水位的重要性，除了要保證閥門和設備的質量，盡量防止由設備原因造成的故障外，還應進一步完善保護措施。在發生真空泵汽水分離器水位過高時，應自動關閉機械真空泵冷水三通電動閥，自動切除機械真空泵工作水補水，保證真空泵工作的安全，并實時報警，提醒運行人員進行下一步處理。投入真空泵制冷裝置時，除了程序自動判斷投入條件是否滿足外，還應增加運行人員人工確認程序，在人工確認低壓抽水器工作正常，點擊“確認”按鈕后，程序才進行下一步，開啟機械真空泵冷水三通電動閥。這樣才能提前發現故障、排除故障，保證真空泵安全。

3.3 溢氣膨脹箱水位降低

真空泵制冷裝置運行期間，溢氣膨脹箱水位降低的原因有：①真空泵分離器溢流量大，使進入真空泵水量增加或抽水器處理降低；②真空泵盤根漏水量大；③冷水系統放水門、放氣門內漏。

真空泵制冷裝置運行期間，如發現溢氣膨脹箱水位降低，應立即檢查并關閉系統各放水門、放氣門，關閉誤開的放水閥門；聯系檢修，檢查真空泵盤根漏水量是否過大，調整盤根，減少漏水量或切換備用泵運行。如真空泵分離器水位升高，溢流量大，應適當關小真空泵冷水三通電動門前流量調節閥，減少進入真空泵內的工作水流量，從而減少真空泵汽水分離器溢水量。正常情況下，真空制冷裝置至真空泵三通閥前壓力應維持在0.02 MPa附近。

3.4 溢氣膨脹箱水位異常、溢流量大

真空泵制冷裝置運行期間，溢氣膨脹箱水位異常、溢流量大的原因有：①膨脹箱水位偏低，開關失靈，誤發膨脹箱補水信號，導致電動門誤開；②膨脹箱水位偏高，開關失靈，導致補水電動門不聯關；③膨脹箱補水電動門、旁路門內漏；④真空泵冷水三通閥開度小，分離器水位低，分離器補水閥開啟；⑤凝汽器水位過高，淹沒抽空氣口，真空抽水。

真空泵制冷裝置運行期間，若溢氣膨脹箱水位異常、溢流量變大，應檢查溢氣膨脹箱補水電動閥是否誤開，或補水電動閥旁路是否有內漏。若有內漏，應關閉膨脹箱補水總門，聯系檢修處理。若真空泵分離器水位偏低，分離器無溢流現象，分離器補水閥開啟，應稍開冷水三通閥前流量調節門，增大冷水至真空泵的工作水流量，使汽水分離器水位略有溢流即可。檢查凝汽器水位，若水位過高，應立即進行調整。

3.5 閉式水水箱水位突降

閉式水水箱水位突降主要是因閉式水用戶用水量突增造成的。真空泵制冷裝置來水，溢氣膨脹箱的補水均來自閉式水系統，如溢氣膨脹箱大量補水，將直接造成閉式水水箱補水不及時。特別是系統投運沖洗管路時，將嚴重威脅機組閉式水系統的安全運行。為解決此問題，可增大閉式水水箱的補水管路容量，也可將溢氣膨脹箱的補水管道改接至凝結水系統，以提高系統的穩定性。在出現大量補水的情況下，應及早查出故障原因并進行排除。

3.6 真空嚴密性試驗時裝置冷水溫度低造成裝置跳閘

真空泵制冷裝置運行期間，真空嚴密性試驗時真空泵制冷裝置跳閘，雖然不是由水位引起而是由水溫的急劇變化引起的，但均屬于水系統故障，故在此一同提出。由于真空嚴密性試驗過程短，在此期間如將真空泵制冷裝置停運后再啟動，既增加了人員工作量，也不利于真空泵重新啟動后快速恢復正常出力。為保證真空嚴密性試驗過程中制冷機的安全，防止裝置冷水溫度低而跳閘，應使制冷機的出力緩慢降低，工作狀態平穩過渡。

在進行真空嚴密性試驗而機械真空泵全停時，制冷機不跳閘，制冷機自動根據冷水溫度進行調節。為防止冷水溫度過低時制冷機調整不及時而跳閘，應先停運1臺機械真空泵，待冷水溫度恢復正常(大于9 ℃)后，再停運最后1臺機械真空泵。真空嚴密性試驗結束后，立即恢復啟動機械真空泵，使制冷機開始帶負荷，保證冷水溫度的穩定。

另外，在真空泵制冷裝置停運過程中，如裝置冷水溫度過低，將影響設備安全。在停運程序中，2臺真空泵運行時，關閉第1臺真空泵三通閥后延時300 s再關閉第2臺真空泵三通閥。

4 結束語

(1) 對于以真空泵作為凝汽器抽氣設備的大型機組，可通過安裝和投運真空泵制冷裝置來降低真空泵的工作水溫度，從而提高真空泵出力，使機組能夠維持較高真空，從而大幅提高機組經濟效益。

(2) 真空泵制冷裝置系統并不龐大，但和開式水系統、閉式水系統、真空系統等多個系統都有聯系。整個真空泵制冷裝置的水平衡非常重要，如真空泵制冷裝置水平衡被打破，系統出現故障，將不可避免地影響到閉式水系統和真空系統，進而影響和破壞整個機組的安全與穩定。

(3) 真空泵制冷裝置在國內大型機組上的應用還是一項新技術，在肯定制冷裝置在提高機組效率方面的貢獻的同時，也應看到它帶來的安全隱患。對真空泵制冷裝置在設計、安裝和實際運行過程中已出現的問題，一定要在設計時考慮進行完善和解決，以保證設備的本質安全。