水環式真空泵汽蝕原因分析及改造措施

張 斌，仉國明，戈春鵬，武 翔

（大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司9號、10號機組分別于2010年1月、5月投產發電，每臺機組配備2臺100%容量2BW4－353－OEK4型水環式真空泵，機組正常運行時1臺運行、1臺備用。自投產以來，真空泵運行過程中一直存在振動和噪音大的問題，就地壓力表、溫度表和翻板水位計多次損壞，重復消缺增加了維護費用。另外通過9號機組狀態檢修過程中對2臺真空泵解體檢查，發現1號泵有1處葉片斷裂及2處葉片裂紋，2號泵有2處葉片裂紋，嚴重影響真空泵及整個機組的安全穩定運行。

2 汽蝕原因分析

在水環式真空泵整個運行過程中，從最大吸氣區到排氣區階段，泵一直處于高真空狀態運行。真空泵的設計極限絕對壓力為3.3kPa，壓力低時泵內汽蝕相當嚴重，泵內的工作水接近沸騰并會產生大量的氣泡，氣泡的產生與破裂過程會對葉輪造成汽蝕損壞，破壞葉輪的動平衡，引起泵體的強烈振動，振壞真空泵的附屬設備，而且會發出非常大的汽蝕噪聲，高真空與汽蝕幾乎是不可調和的矛盾。隨著真空的上升（即壓力降低），汽蝕和振動都將加劇，水環也在增大，因而葉片負荷也急劇增加，高真空所形成的巨大拉應力作用在葉片上，容易導致葉片疲勞斷裂，該現象往往出現在葉輪鑄造缺陷的位置。真空泵長時間在汽蝕的惡劣工況下運行，由于振動使泵附屬設備及軸承的壽命縮短，葉輪的使用壽命也將大大縮短。

3 改造措施

要解決真空泵的汽蝕問題，需要降低工作水溫度和提高真空泵入口壓力。泵的工作特性受工作水溫度的影響，可得到的最大真空度取決于工作水溫度所對應的汽化壓力，工作水溫度越高泵內汽蝕越嚴重。降低工作水溫度成本較大，尤其是夏季環境溫度高時不易實現。降低系統真空度，讓凝汽器背壓上升來提高真空泵入口壓力更不可能，這將嚴重影響機組的帶負荷能力。理想的辦法是在工作水溫、系統真空不變的情況下能解決汽蝕狀況，目前較好的選擇就是給真空泵加裝大氣噴射器，可將泵入口絕對壓力由4～8kPa提升至9～15kPa，從而大大減輕泵內的汽蝕現象，有效降低泵體振動對泵附件設備的損害，達到穩定運行的目的，而且整個真空泵組的抽汽性能會更好，進一步提高系統真空度，降低機組熱耗。

3.1 大氣噴射器的組成及原理

大氣噴射器由噴嘴、吸氣室和擴散器組成，其排氣口與水環泵進氣口相連（見圖1）。

大氣噴射器原理：先啟動水環式真空泵，使噴嘴進氣口和排氣口之間形成壓力差，大氣可從噴嘴進入泵內，當壓力差為大氣壓力的1/2時，空氣介質經噴嘴收縮段得到加速，到喉部（圖1中2）時可達到聲速，到擴張段可進一步加速，射向擴散器形成高速射流，并造成吸氣室內的壓力比被抽容器內壓力低，因此被抽氣體吸入室內，由于兩股氣流在吸氣室內混合，動量交換產生的損失使氣流速率逐漸減慢，當氣流進入擴散器則速率下降到聲速以下，經擴散器擴張段流速進一步降低，壓力不斷升高，最后達到大氣噴射器的排氣壓力，即水環式真空泵的吸氣壓力，水環真空泵把氣體吸入再排出泵外，即完成吸氣、排氣過程。

圖1 大氣噴射器結構

3.2 大氣噴射器的連接與控制

2011年9月利用9號、10號機組狀態檢修機會，對真空泵進行加裝大氣噴射器的改造，改造前后管路接線示意分別見圖2、圖3。

圖2 改造前管路接線示意

圖3 改造后管路接線示意

由圖2、圖3可以看出，改造前后除增加大氣噴射器組件外，由于安裝位置限制，去除真空泵入口逆止門，增加1個氣動蝶閥、差壓開關和壓力表等附件。在圖3所示大氣噴射器切換閥2前增加壓力開關，其作用是用來控制進氣三通與噴射器三通接管間的大氣噴射器切換閥2及噴射器上的大氣噴射器驅動氣動閥3的開與關，從而控制噴射器的投入和退出。具體控制步驟如下.

a.當真空泵啟動時，壓力開關測得泵內壓力小于10kPa（具體值可根據夏、冬季不同運行工況設定）時，大氣噴射器切換閥2關閉，同時大氣噴射器驅動氣動閥3開啟，當上述2個閥門動作完成后，大氣噴射器處于投入狀態。

b.當真空泵運行時，壓力開關測得泵內壓力大于14kPa時（具體值可根據夏、冬季不同運行工況設定），大氣噴射器驅動氣動閥3關閉，同時大氣噴射器切換閥2開啟，當上述2個閥門動作完成后，大氣噴射器處于退出狀態。

c.原來機組針對泵組抽汽氣動蝶閥1的壓力開關和壓差開關的設定值均不需改變。

4 改造效果

改造保證了真空泵不會發生汽蝕現象，噪聲下降了12dB，軸承處振幅減少0.012mm，真空泵的使用壽命將得到提高，改造至今未出現過葉輪斷裂、振動過大損壞熱控設備的現象。在高真空階段加裝大氣噴射器的泵組抽氣性能比單泵更好，同時凝汽器真空始終維持在2～6kPa的理想水平，為提高機組的帶負荷率創造了良好的條件。

加裝大氣噴射器后，減少汽蝕振動對葉輪及泵附屬設備（表計、軸承等）的損壞，延長檢修周期和設備使用壽命，節約檢修維護費用；真空泵的抽氣性能得到提高，通過觀察和DCS上歷史曲線顯示，機組的凝汽器真空更穩定，且同比條件下真空提高200 Pa，左右。參考《中國大唐集團公司火電機組能耗指標分析指導意見》，300MW機組真空度每提高1 kPa，降低供電煤耗3.2g/kWh，若按單臺機組負荷率80%計算，真空度提高200Pa每天可節約標煤0.2×3.2g/kWh×300×103kW×24h×80%＝3.686×106g＝3.686t，按照標煤單價750元/t計算，機組每年運行300天，每年可節省成本750元/t×3.686t×300天≈82.93萬元，改造后真空泵運行電流增加約30A，按照上網電價0.40元/kWh計算，單臺機組每年運行成本增加30A×380V×10－3×24h×300×0.4元/kWh≈3.28萬元，單臺機組實際每年節約運行成本82.93－3.28＝79.65萬元。

5 結束語

水環式真空泵振動和噪音的汽蝕問題會造成葉片的斷裂和裂紋，影響機組的安全穩定運行，加裝大器噴射裝置的改造方案，可降低真空泵軸承的振動值和運行噪音，降低葉片斷裂風險，提高了機組的真空。通過改造說明，真空泵加裝大氣噴射器后，降低設備運行時的汽蝕噪音，有利于環保；提高運行機組的真空，可降低煤耗，有利于節能降耗；真空泵即使在高真空運行狀態下泵內汽蝕及造成的振動明顯減小，可有效延長軸承和葉輪的使用壽命，有利于設備的安全穩定運行，同時可延長設備的檢修周期，節約檢修費用。