汽輪發(fā)電機(jī)組真空壓力偏低及波動(dòng)的原因分析

習(xí) 鵬

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部，200540)

真空泵是一種性能優(yōu)越的抽氣設(shè)備，具有抽氣量大，汽水、工質(zhì)損失少，安全可靠和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)中國(guó)石油化工集團(tuán)公司凝汽器達(dá)標(biāo)治理項(xiàng)目的要求，中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司熱電部1#熱電聯(lián)合裝置(以下簡(jiǎn)稱1#裝置)的2#機(jī)組凝汽器抽氣設(shè)備由原射水抽氣器改造為2BW4－253型水環(huán)式真空泵成套裝置(以下簡(jiǎn)稱“真空泵”)，功率75 kW，轉(zhuǎn)速740 r/min。改造完成后，2#機(jī)組真空泵運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間顯著縮短，耗電量降低，工業(yè)水用量明顯減少，凝汽器真空壓力達(dá)到了預(yù)期的改造效果。但是機(jī)組在特殊工況下會(huì)出現(xiàn)真空壓力波動(dòng)的現(xiàn)象，例如夏季氣溫較高時(shí)機(jī)組真空壓力較改造前低，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 2#機(jī)組運(yùn)行過程中存在的問題

1.1 夏季真空壓力偏低

真空泵依靠容積的變化來達(dá)到吸氣和排氣的目的。凝汽器中的氣汽混合物經(jīng)過真空泵的抽吸進(jìn)入氣水分離器。分離出來的氣體排入大氣，分離出來的水與補(bǔ)充水一同進(jìn)入板式換熱器進(jìn)行冷卻。水分為2路:一路經(jīng)噴嘴噴入水環(huán)泵入口，冷卻凝汽器來的氣汽混合物，以提高真空泵的抽吸能力［1］;另一路直接進(jìn)入真空泵作為工作水，維持真空泵的水環(huán)和水環(huán)的溫度。

2011年11月，2#機(jī)組真空泵改造完成，在隨后的冬季和2012年的春季，2#機(jī)組凝汽器真空壓力總體較往年當(dāng)季有所改善，基本達(dá)到改造目的。但是，進(jìn)入2012年夏季后，2#機(jī)組凝汽器真空壓力逐步下降，并且比往年夏季低。該現(xiàn)象一直持續(xù)到同年秋季，外界環(huán)境轉(zhuǎn)冷后，凝汽器真空壓力逐漸上升，同比優(yōu)于往年秋季水平。改造前后2#機(jī)組真空壓力變化見表1。

表1 改造前后2#機(jī)組真空壓力對(duì)比

1.2 真空壓力發(fā)生波動(dòng)

真空泵冷卻水系統(tǒng)改造后，機(jī)組的真空壓力在特殊工況下曾出現(xiàn)過幾次異常波動(dòng)。以近期發(fā)生的一次為例:2013年3月18日，2#機(jī)組低壓供熱抽汽量由120 t/h增加至150 t/h后，凝汽器真空壓力開始在－97.0～－95.49 kPa范圍內(nèi)波動(dòng)。

2 2#機(jī)組真空壓力偏低及波動(dòng)的原因分析

影響機(jī)組凝汽器真空壓力的因素眾多且復(fù)雜，機(jī)組軸封汽、循環(huán)水、凝汽器水位、抽真空設(shè)備的異常，凝汽器鈦管臟污及真空系統(tǒng)的不嚴(yán)密均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組真空壓力出現(xiàn)異常。根據(jù)對(duì)運(yùn)行日志、運(yùn)行日?qǐng)?bào)、月報(bào)及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查，可以排除軸封汽中斷或不足、循環(huán)水中斷或不足、凝汽器水位過高過低等因素;對(duì)2#機(jī)組凝汽器進(jìn)行分組清洗，發(fā)現(xiàn)機(jī)組真空壓力在凝汽器清洗后也沒有得到提高，因此凝汽器鈦管潔凈程度的影響也可以排除;最后，對(duì)2#機(jī)組真空系統(tǒng)嚴(yán)密性及真空泵的運(yùn)行情況進(jìn)行試驗(yàn)及分析。

2.1 真空系統(tǒng)嚴(yán)密性對(duì)機(jī)組真空壓力的影響

機(jī)組真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性對(duì)凝汽器真空起到?jīng)Q定性影響，通常采用真空嚴(yán)密性試驗(yàn)來檢驗(yàn)機(jī)組真空系統(tǒng)的泄漏情況。2#機(jī)組改造前后分別進(jìn)行了數(shù)次真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 改造前后2號(hào)機(jī)組真空嚴(yán)密性試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn):2#機(jī)組在凝汽器達(dá)標(biāo)改造后，其真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性與改造前相比并無明顯差異，并非造成凝汽器真空壓力偏低及波動(dòng)的關(guān)鍵因素。

2.2 真空泵性工作水溫度的影響

2.2.1 工作水溫度對(duì)真空泵性能的影響

真空泵的性能與被抽吸氣體的狀態(tài)、工作水的溫度及性質(zhì)有關(guān)。在其他條件不變的情況下，工作水的溫度升高，對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓力升高，抽氣量減少，使得真空泵抽吸空氣量減少［2］。將真空泵工作水溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓力視為真空泵當(dāng)前運(yùn)行條件下的“極限抽吸壓力”，與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(取101 kPa)相減后得出真空泵當(dāng)前運(yùn)行條件下的“極限抽吸真空壓力”。例如，真空泵工作水溫度在35.5℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的汽化壓力為5.8 kPa，可以認(rèn)為這就是真空泵在當(dāng)時(shí)運(yùn)行條件下的“極限抽吸真空壓力”，因此該條件下的“極限抽吸真空壓力”為－95.2 kPa。

2.2.2 夏季真空泵工作水溫度對(duì)凝汽器真空壓力的制約

2#機(jī)組真空泵板式換熱器的冷卻水源設(shè)計(jì)為工業(yè)水，為來自冷卻塔的閉式循環(huán)水。當(dāng)工業(yè)水溫度較低時(shí)，冷卻效果較好，能使真空泵工作水溫度降低，真空泵的抽吸能力增強(qiáng)，真空泵的“極限抽吸真空壓力”提高。

當(dāng)夏季工業(yè)水溫度較高時(shí)，對(duì)工作水的冷卻達(dá)不到設(shè)計(jì)效果，導(dǎo)致真空泵工作水溫度升高，其“極限抽吸真空壓力”下降。而機(jī)組凝汽器的高度真空是由真空泵來維持的，機(jī)組的真空壓力必然低于真空泵的“極限抽吸真空壓力”。在此情況下，真空泵工作水溫度偏高將對(duì)機(jī)組的凝汽器真空壓力的提高形成制約。

經(jīng)調(diào)查，該板式換熱器的傳熱端差小于3 K，能夠保證工作水出口與工業(yè)水入口的溫差不超過3 K。但由于夏季工業(yè)水溫度達(dá)到35℃，因此被其冷卻的工作水溫度最低也只能達(dá)到38℃，再加上真空泵旋轉(zhuǎn)的耗功以及凝汽器內(nèi)抽氣混合物所傳遞的熱量，工作水溫度甚至達(dá)到45℃，而工作水溫度在33℃以下時(shí)真空泵才能達(dá)到其額定出力，因此工作水溫度過高必然導(dǎo)致真空泵的抽吸能力嚴(yán)重下降，空氣在凝汽器內(nèi)積聚，使凝汽器的真空下降。例如，當(dāng)工作水溫達(dá)到42℃時(shí)，真空泵的“極限抽吸真空壓力”為－93.1 kPa，機(jī)組凝汽器真空壓力必然低于該數(shù)值，機(jī)組的效率將受到嚴(yán)重影響。

2.2.3 真空泵工作水溫度過高導(dǎo)致機(jī)組凝汽器真空壓力的波動(dòng)

如果真空泵內(nèi)的工作水溫度始終低于凝汽器排氣溫度，真空泵的“極限抽吸真空壓力”就不會(huì)對(duì)凝汽器真空壓力的提高形成制約。但是機(jī)組在“低負(fù)荷、高抽汽運(yùn)行”這樣的特殊工況下則很容易出現(xiàn)真空泵的“極限抽吸真空壓力”低于凝汽器真空壓力的情況。如果工作水溫度得不到改善，將影響機(jī)組凝汽器真空的形成，造成真空壓力波動(dòng)。

對(duì)2#機(jī)組2012年3月18日21時(shí)的集散控制系統(tǒng)(DCS)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn):2#機(jī)組抽汽流量增加后，凝汽器的真空壓力升高至－96.84 kPa，排氣溫度降低至27.75℃。此時(shí)真空泵的工作水進(jìn)水溫度在22℃，而泵內(nèi)工作水的實(shí)際溫度將更高，在30℃左右。真空泵內(nèi)工作水的實(shí)際溫度高于機(jī)組排氣溫度，真空泵的“極限抽吸真空壓力”就會(huì)低于機(jī)組凝汽器真空壓力。不凝結(jié)的氣體在凝汽器內(nèi)聚集，導(dǎo)致機(jī)組真空壓力下降，排氣溫度升高。當(dāng)排氣溫度超過真空泵內(nèi)工作水溫度時(shí)，真空泵有能力將凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體抽出，機(jī)組真空壓力升高，排氣溫度降低。如此往復(fù)直至穩(wěn)定，形成了機(jī)組凝汽器真空壓力的波動(dòng)。

綜上所述，2#機(jī)組真空泵工作水溫度偏高是導(dǎo)致其凝汽器真空壓力偏低及波動(dòng)的關(guān)鍵因素。要解決這一問題，必須降低真空泵工作水的溫度。而降低真空泵工作水溫度的方法有多種，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件和布置選取更為合理的方式［3］。

3 真空泵冷卻水系統(tǒng)改造與維護(hù)建議

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備及資源，增設(shè)中央空調(diào)冷凍水作為冷卻水源、定期清洗板式換熱器以確保換熱效果這2項(xiàng)措施較為可行。

3.1 增設(shè)空調(diào)冷凍水為真空泵冷卻水源

1#裝置汽機(jī)主廠房?jī)?nèi)安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)，主機(jī)采用上海一冷開利空調(diào)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的螺桿式水冷冷水機(jī)組，型號(hào)為30HXC200A，制冷量為2.5×106J/h，冷凍水流量為120 m3/h，冷凍水出水溫度在7～12℃范圍內(nèi)可調(diào)，出水壓力為0.4 MPa。

1#裝置進(jìn)行 DCS、數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(DEH)改造后，原控制室已改造為電子室，中央空調(diào)現(xiàn)僅供夏季設(shè)備降溫使用，用量較小。為了降低真空泵工作水溫，提高其工作效率，從中央空調(diào)冷凍機(jī)組冷凍水進(jìn)、出水管路引冷凍水至真空泵板式換熱器供其使用，從而降低真空泵工作水溫度從而提高機(jī)組凝汽器真空壓力(詳見圖1)。

圖1 真空泵板式換熱器冷凍水管道布置情況

經(jīng)測(cè)量，板式換熱器工業(yè)水側(cè)入口管外徑為47 mm，壁厚為3 mm。廠內(nèi)工業(yè)水流速估算值為2～3 m/s，此處選中間值2.5 m/s，那么板式換熱器工業(yè)水側(cè)流量Q為:

式中，V為工業(yè)水流速，m/s;S為工業(yè)水管道橫截面積，m2;R為工業(yè)水管道內(nèi)半徑，m;D為工業(yè)水管道外徑，m;d為工業(yè)水管道壁厚，m。

根據(jù)上式，板式換熱器每小時(shí)工業(yè)水用量為:

假定夏季工業(yè)水的溫度為35℃，經(jīng)過如圖1所示的改造后，每小時(shí)將6 t溫度為7℃的空調(diào)冷凍水注入板式換熱器工業(yè)水側(cè)，則經(jīng)混合后的冷卻水溫度T為:

板式換熱器能保證工作水出口與工業(yè)水入口的溫差不超過3 K，在上述情況下可保證真空泵出口工作水溫度在24℃左右。據(jù)估計(jì)，真空泵內(nèi)實(shí)際工作水溫約為30℃，對(duì)應(yīng)的飽和壓力為4.2 kPa，換算成真空壓力為 －96.8 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。

預(yù)計(jì)經(jīng)過上述改造，在夏季(7、8月份)的相同工況下，可將2#機(jī)組真空壓力提升2 kPa左右。

3.2 定期清洗板式換熱器

板式換熱器換熱效率較高，但由于板與板之間的間隙較小，一旦結(jié)垢，將堵塞間隙，嚴(yán)重影響其換熱效果。因此，建議有關(guān)單位制定措施，定期對(duì)板式換熱器進(jìn)行清洗、以維持其換熱效率。

4 結(jié)語

凝汽器真空壓力是汽輪機(jī)組重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。據(jù)計(jì)算，機(jī)組真空壓力每提高1 kPa，每噸排氣可多發(fā)電2.5 kWh。如果按上述建議對(duì)2#機(jī)組真空泵冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，能有效改善夏季機(jī)組凝汽器真空壓力偏低及真空壓力在特殊工況下波動(dòng)的異常情況，還能優(yōu)化真空泵內(nèi)的工作環(huán)境，提高凝汽器真空壓力，保證機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

［1］馬巖昕.水環(huán)真空泵工作液冷卻器冷卻水系統(tǒng)的改造［J］.黑龍江電力，2012(8):310－311.

［2］周蘭欣.水環(huán)式真空泵工作水溫度過高對(duì)機(jī)組真空的影響及應(yīng)對(duì)措施［J］.電力建設(shè)，2010(12):98－100.

［3］李瓊.工作水溫度對(duì)真空泵影響的分析及試驗(yàn)研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2012(5):53－54.