雙背壓凝汽器的水環真空泵汽蝕特性及防汽蝕措施研究

程東濤，王 歡，馬汀山，居文平，許朋江

（1.西安熱工研究院有限公司，西安710032； 2.中煤西安設計工程有限公司，西安710054）

相對于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器能降低汽輪機排汽壓力、提高凝結水溫度和提高機組的經濟性［1］，因此被廣泛應用到600MW等級及以上汽輪發電機組中。但在實際運行中，雙背壓凝汽器存在諸多問題，如：凝汽器雙背壓差值不明顯，低壓凝汽器壓力等于或略低于高壓凝汽器壓力，低壓凝汽器壓力和高壓凝汽器壓力都達不到設計值。在機組實際運行過程中，凝汽器壓力不僅取決于凝汽器本身的運行參數，如凝汽器熱負荷、冷卻水流量、冷卻水溫度、冷卻管臟污程度、真空系統漏空氣量，還取決于凝汽器抽真空系統的布置方式及抽氣設備的運行性能，經常出現受抽氣設備抽吸能力限制導致凝汽器壓力升高的問題。本文主要分析雙背壓凝汽器水環真空泵工作液汽化的原因，并針對如何預防真空泵汽蝕問題提出合理改進措施。

1 水環真空泵汽蝕特性分析

1.1 經濟性和安全性危害

水環真空泵所能達到的最小抽吸壓力取決于真空泵工作液溫度對應的飽和壓力，當真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫度對應的飽和壓力時，將使部分工作液汽化而產生汽泡，汽泡會排擠真空泵液環與葉輪之間腔室中空氣量，導致真空泵容量下降，嚴重時汽泡破裂會沖擊葉輪而產生汽蝕，使真空泵的葉片及內表面損壞，進一步降低真空泵的抽吸能力，同時對真空泵的安全運行造成威脅。

即使在機組真空嚴密性較好的情況下，如果真空泵工作液溫度過高，真空泵發生汽蝕、抽吸能力不足問題，同樣會造成凝汽器壓力升高，高于并接近真空泵最小抽吸壓力。這也是雙背壓凝汽器中高、低壓凝汽器壓差偏小的一個重要原因。

1.2 汽蝕原因分析

設真空泵工作液冷卻水進口溫度為tz1，真空泵換熱器存在換熱端差δtz（即換熱器中工作液出口溫度和冷卻水進口溫度的差值），在真空泵運行過程中，工作液由于受到壓縮、摩擦等作用，同時還由于工作液吸收了所抽吸氣體攜帶進來的蒸汽凝結所放出的熱量，使工作液的溫度升高Δtz，則工作液在真空泵中的最高溫度為：

設低壓凝汽器冷卻水入口溫度為td1，低壓凝汽器壓力對應的飽和溫度，亦即低壓側真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為：

式中：Δtd為低壓凝汽器內冷卻水溫升；δtd為低壓凝汽器傳熱端差。

高壓凝汽器壓力對應的飽和溫度，亦即高壓側真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為：

式中：Δtg為高壓凝汽器內冷卻水溫升；δtg為高壓凝汽器傳熱端差。

抽氣系統能正常運行，避免真空泵汽蝕，要求運行中真空泵的抽氣壓力比真空泵工作液最高溫度對應的飽和壓力高0.85kPa［6］。以各壓力對應的飽和溫度來比較，則水環真空泵避免發生汽蝕的條件為：

式中：εd、εg為考慮到凝汽器汽阻和抽空氣管道阻力及真空泵抽氣壓力有0.85kPa富裕量后的飽和溫度富裕量。

低壓凝汽器和高壓凝汽器所對應的真空泵汽蝕余量分別為：

汽蝕余量ΔT≥0是真空泵不發生汽蝕的必要條件。由式（6）和式（7）看出：ΔT與凝汽器冷卻水進口溫度和真空泵工作液冷卻水進口溫度的差值有關，與凝汽器冷卻水溫升、凝汽器傳熱端差、真空泵換熱器端差、真空泵工作液溫升有關。

ΔTg與ΔTd相比，同樣運行條件下，排除工作液換熱異常的因素后得：

（δtg-δtd）、（εd-εg）與Δtg相比可忽略，不影響分析結果，則ΔTg比ΔTd高Δtg，相對高壓凝汽器，低壓凝汽器對應真空泵易發生汽蝕。

由于雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對應的機組容量、凝汽器冷卻水流量差別均較大，雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對應真空泵的汽蝕余量無法直接相比。僅從宏觀上討論，雙背壓凝汽器設計冷卻水總溫升與單背壓凝汽器設計溫升較為接近，低壓凝汽器冷卻水溫升約為總溫升的一半，真空泵汽蝕余量中其他影響因素方面差別較小（相對冷卻水溫升），則相對于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器中低壓凝汽器對應真空泵汽蝕余量較小，水環真空泵汽蝕的可能性相對較大。

對于凝汽器冷卻水和真空泵工作液冷卻水為同一水源的普通300MW單背壓凝汽器來說，機組在高負荷運行時真空泵不易發生汽蝕，但在較低負荷運行時，由于凝汽器冷卻水溫升降低的原因，汽蝕余量減少，易造成真空泵汽蝕。而對于同樣冷卻方式的600MW等級及以上雙背壓凝汽器來說，由式（6）看出：即使機組在額定負荷運行，由于Δtd約為總溫升的一半，ΔTd仍較小，易造成真空泵汽蝕、凝汽器壓力升高；當機組在較低負荷運行時，Δtd更小，ΔTd也隨之更小，極易造成真空泵汽蝕、凝汽器壓力升高。

1.3 汽蝕的其他影響因素

機組負荷方面，在其他運行條件不變的情況下，隨著機組負荷的降低，凝汽器內冷卻水溫升、凝汽器傳熱端差均降低，而真空泵換熱端差和真空泵內工作液溫升隨負荷變化較小，則汽蝕余量ΔT減小，水環真空泵汽蝕的可能性增大。

冷卻水方面，在低壓凝汽器冷卻水入口溫度td1確定的條件下，真空泵工作液冷卻水入口溫度tz1的高低成為決定真空泵汽蝕余量大小的關鍵因素。對真空泵工作液冷卻水的優化選擇也成為提高真空泵汽蝕余量的重要工作。在確定冷卻水的同時一定要保證冷卻水量充足，盡量降低換熱端差δtz。

設備運行、維護方面，當真空泵換熱器結垢或堵塞時，真空泵工作液冷卻水流量減少，換熱器的換熱性能變差，均會導致真空泵換熱端差δtz增大，ΔT減小；真空泵工作液流量減少，會導致Δtz增大，則ΔT也減小，工作液流量減少嚴重時會影響真空泵內水環的形成。真空泵換熱器結垢或堵塞的問題是現場工作中遇到較多、且容易被忽視的問題，對機組的經濟和安全運行帶來很大損害。

2 實例分析

以某電廠600MW雙背壓凝汽器為例，通過調整水環真空泵工作液溫度，分析真空泵的汽蝕狀態以及對低壓凝汽器和高壓凝汽器性能的影響。工作液溫度對真空泵性能及凝汽器性能影響的試驗結果見表1。

表1 工作液溫度對水環真空泵性能及高、低壓凝汽器性能影響的試驗結果

由表1看出：真空泵工作液溫度較高時，各負荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.062～0.510kPa，高、低壓凝汽器壓力差值較小，雙背壓不能有效建立；真空泵工作液溫度降低后，真空泵抽吸能力大大提高，各負荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.549～1.484kPa，雙背壓能有效建立。

600MW和480MW負荷工況下，工作液溫度由高溫狀態變為低溫狀態，低壓凝汽器壓力分別下降1.056kPa和0.965kPa，高壓凝汽器壓力分別下降0.082kPa和0.053kPa。由此可看出：真空泵工作液溫度處于高溫狀態時，工作液溫度高于采用低溫工作液時低壓凝汽器壓力相對應的飽和溫度，真空泵發生汽蝕和抽吸能力不足，低壓凝汽器內出現空氣聚積，低壓凝汽器壓力升高；工作液溫度低于采用低溫工作液時高壓凝汽器壓力相對應的飽和溫度，高壓凝汽器內空氣可以被正常抽出，工作液溫度由高溫降為低溫后，高壓凝汽器壓力變化不明顯能說明這一點。

360MW負荷工況下，工作液溫度由高溫狀態變為低溫狀態，低壓凝汽器壓力下降0.942kPa，高壓凝汽器壓力下降0.455kPa。由此可看出：真空泵工作液溫度處于高溫狀態時，工作液溫度已高于高壓凝汽器壓力相對應的飽和溫度，真空泵發生汽蝕和抽吸能力不足，高、低壓凝汽器內均出現空氣聚積現象，高壓和低壓凝汽器壓力實際上均升高；工作液溫度降低后，高壓和低壓凝汽器壓力均明顯降低就說明這一點。

試驗結果與之前理論分析一致，即雙背壓凝汽器的低壓凝汽器對應水環真空泵易發生汽蝕和抽吸能力不足，使低壓凝汽器壓力升高。在凝汽器冷卻水流量等其他條件不變的情況下，真空泵汽蝕情況與機組負荷有關，高負荷時僅低壓凝汽器壓力容易受真空泵抽吸能力限制，低壓凝汽器壓力較可達值升高，高壓凝汽器不受影響；低負荷時高、低壓凝汽器壓力均可能受真空泵抽吸能力限制而升高。

試驗結果也驗證了真空泵汽蝕特性對機組經濟性的重大影響，工作液溫度由高溫狀態變為低溫狀態，有效避免真空泵出現汽蝕問題，提高真空泵抽吸能力后，各負荷工況下凝汽器平均壓力下降0.529～0.705kPa。

3 預防措施研究

通過對雙背壓凝汽器水環真空泵汽蝕特性分析以及實例計算，提出應加強雙背壓凝汽器真空泵汽蝕問題的研究，并采取經濟可行措施來避免真空泵汽蝕問題發生。提高真空泵汽蝕余量的途徑：一種是通過有效降低真空泵工作液溫度，優化真空泵工作液的冷卻方式；另一種是保證抽氣壓力的同時提高真空泵入口壓力。

3.1 原有真空泵工作液冷卻方式

原有真空泵工作液冷卻方式有以下兩種情況：

（1）絕大多數電廠真空泵工作液用開式水冷卻，同凝汽器冷卻水來自同一水源，冷卻系統構建方便，水源有保障。但從理論分析及實例計算中看出，此種冷卻方式下，低壓凝汽器對應真空泵易發生汽蝕，特別是機組低負荷運行時，真空泵極易發生汽蝕，凝汽器壓力受真空泵抽吸能力限制而升高，降低機組經濟性，對真空泵安全運行也造成威脅。

（2）少部分電廠真空泵工作液冷卻水用閉式水冷卻，閉式水是經開式水冷卻后的水，相對開式水冷卻，同樣運行條件下真空泵的汽蝕余量減少δtb（閉冷水換熱器端差），即采用閉式水來冷卻真空泵工作液更易造成真空泵汽蝕，建議盡量避免采用此種冷卻方式。

3.2 采用低溫冷卻水降低工作液溫度

對于凝汽器冷卻水系統采用冷卻塔循環冷卻方式的電廠，夏季高溫季節電廠的工業水溫度往往較開式水溫度低，其他季節需根據具體情況確定，建議真空泵工作液冷卻水加裝工業水管路，根據水溫情況對供水方式進行調整。

對于凝汽器冷卻水系統采用江河、湖泊直流供水冷卻方式的電廠，工業水往往同開式冷卻水同一水源，需要尋找更低溫的水源，可通過打井獲得低溫地下水（不需要深井），根據季節不同、水溫差別來調整工作液冷卻水供水方式。

對于有條件的電廠，可以用中央集中空調冷凍水來冷卻工作液，在高溫季節能起到較好的冷卻效果。

對于有其他低溫水源的電廠，需要在原有冷卻水供水方式（一般為開式水）的基礎上加裝新供水管路，根據水溫對供水方式進行調整。新增低溫冷卻水回水可根據情況直接回原有的開式水回水管路或加裝新的回水管路。不同冷卻水供水管路上應加裝閥門和溫度測點，根據水溫情況對供水方式進行調整。工作液管路也應加裝溫度測點，加強對工作液溫度及換熱器換熱性能（主要是換熱端差）的監測。

3.3 采用制冷設備降低工作液溫度

采用制冷設備對工作液進行強制冷卻。夏季高溫季節強制冷卻設備能有效降低工作液溫度，提高真空泵抽吸能力；但目前市場上投運的真空泵工作液強制冷卻設備還缺少對工作液溫度的合理控制，經常出現降溫不夠或降溫過大的不經濟現象。另外強制冷卻設備投資較大，對制冷設備的可靠性要求高，還需綜合比較來選擇冷卻方案。

3.4 加裝大氣噴射器

大氣噴射器是配置在水環真空泵的進口管道上的一個前置大氣噴射器，大氣噴射器由噴嘴、吸氣室和擴壓器組成（見圖1），其排氣口與真空泵進氣口相連，它的一端開口朝向大氣，通過噴嘴利用真空泵負壓與大氣壓形成壓差而產生的空氣射流，在吸氣室內獲得比凝汽器更低的抽吸壓力；兩股氣流混合后流經擴壓器，壓力不斷升高，一直達到大氣噴射器的排氣壓力，即真空泵的入口壓力，最后由真空泵把氣體吸入，再排出泵外，即完成了吸氣、排氣過程。這樣，在保證對凝汽器抽吸壓力的同時，提高了真空泵入口壓力，能有效提高真空泵汽蝕余量，保證真空泵出力。

圖1 大氣噴射器結構圖

在原水環真空泵抽空氣管路上加裝大氣噴射器，對基礎等重要部件不需改動，僅是在進氣管路上并聯一臺大氣噴射器及控制啟停的元件。大氣噴射器可以有投入與撤出的選擇，當噴射器撤出時，就僅相當于水環真空泵單獨運行，因此這樣的泵組結構具有很大的適應性。機組高負荷運行時可以撤出噴射器，低負荷運行時投入噴射器。加裝大氣噴射器主要包括噴射器組件、噴射關斷閥和旁通閥等，由于其不含任何運動部件，因此具有較高的可靠性。

4 結語

雙背壓凝汽器的低壓凝汽器，相對高壓凝汽器及單背壓凝汽器，所對應水環真空泵易發生汽蝕、出力不足問題，低壓凝汽器壓力受真空泵抽吸能力限制而升高，高、低壓凝汽器不能建立有效壓差，影響機組經濟性和安全性。

增加真空泵汽蝕余量、提高真空泵抽吸能力的有效途徑分別是降低真空泵工作液溫度和保證抽吸壓力的同時提高真空泵入口壓力。可以采取多種工作液冷卻優化措施及通過加裝大氣噴射器提高真空泵入口壓力的措施。

對各種優化措施的選擇除了受電廠本身低溫水資源的限制外，不同優化措施需要的經濟投入、運行可靠性、帶來的經濟效益也均有不同，需要綜合考慮進行選擇。

現場工作中要加強對換熱器結垢和臟污的檢查，加強對工作液溫度的監測，保證真空泵工作液冷卻水流量、工作液流量和換熱器換熱性能在正常范圍，嚴格控制工作液溫度，這是增加真空泵汽蝕余量、保證真空泵抽吸能力的基礎工作。

［1］張卓澄 .大型電站凝汽器［M］.北京：機械工業出版社，1993.

［2］居文平，李素芳，馬汀山，等 .工作水進口溫度對水環式真空泵及凝汽器性能影響的試驗［J］.熱力發電，2009，38（1）：77-79.

［3］馬汀山，程東濤，李永康 .雙背壓凝汽器抽真空系統布置方式的研究［J］.熱力發電，2012，41（3）：15-17，21.

［4］西安熱工研究院 .發電企業節能降耗技術［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］李勇，張衛紅，王俊魁，等 .考慮真空泵汽蝕特性的300MW汽輪機凝汽器特性曲線［J］.汽輪機技術，2005，47（6）：411-413.

［6］W.J.Kubik，E.Spencer.Improved Steam Turbine Gas Removal System［R］.Newyork：The American Society of Mechanical Engineers，2000.