真空泵工作效率的問題探討與解決方案研究

接來春

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

不凝氣體的存在會阻礙凝汽器內部蒸汽的換熱，使傳熱端差增大，凝汽器真空降低，還會增大凝結水過冷度，降低機組熱經濟性，需要真空泵及時將不凝氣體抽取出來，避免不凝氣體積聚。水環式真空泵性能由于工作介質溫度高等原因，夏季高溫下，真空泵的出力會顯著下降，凝汽器真空度偏低，進而影響整個機組的安全經濟性。因而，對凝汽器抽真空系統的研究及改進有著重要意義[1]。

1 不凝氣體對凝汽器真空的影響

1.1 凝汽器真空建立的原理

影響凝汽器真空的因素有很多，主要有真空泵的性能、凝汽系統的嚴密性、凝汽器本體的換熱性能、冷卻水流量及冷卻水溫度等。

凝汽器壓力等于其內蒸汽凝結溫度對應的飽和壓力，凝汽器內之所以會形成真空，是因為汽水兩相共同存在于凝汽器內的蒸汽側。正常情況下，若循環冷卻水溫度較低，蒸汽凝結的溫度也就較低，例如蒸汽凝結的溫度為30℃左右，此時的飽和壓力大約就只有4Kpa～5Kpa，相較于大氣壓，明顯大大降低，這就形成了凝汽器的高度真空[2]。

絕對理想情況下，凝汽器內無不凝氣體，凝汽器內的壓力就等于凝結水溫度下的飽和壓力。實際上，凝汽器中的壓力總是大于這一理想壓力。實際凝汽器中的壓力可由與之相對應的凝結溫度ts來確定。由凝汽器熱平衡及換熱條件可知，蒸汽凝結溫度為：

相應的凝汽器壓力近似為：

式（1）中：ts—凝汽器內凝結水溫度，℃；tw1—冷卻水的入口溫度，℃；Δt—冷卻水在凝汽器中的溫升，℃；δt—凝汽器的傳熱端差，℃；pk—凝汽器壓力，Kpa。

因此，凝汽器壓力主要受海水入口溫度tw1、凝汽器的傳熱端差δt、海水進出口溫升Δt三方面因素影響。電站所在的環境氣候決定了海水的進口溫度tw1。

對于開式冷卻水系統來說，如果在機組負荷與冷卻水流量不變的情況下，隨水溫的升高凝汽器的真空降低，隨水溫的下降真空升高。所以在其他條件都相同的情況下，冬季時凝汽器的真空比夏季時要高。

1.2 不凝性氣體與凝汽器真空的關系

但是實際情況是：凝汽器內由于各種原因，如汽輪機排出的蒸汽中本身就含有不凝氣體，汽水回路水化學控制過程中分解出氣體，以及汽水回路存在極微小的漏點使空氣吸入等，都將導致凝汽器或多或少會積聚部分不凝氣體。

凝汽器內的壓力pk應該是不凝結氣體和蒸汽混合物分壓力的總和，因為有不凝結氣體漏入凝汽器的汽側，根據道爾頓分壓定律可知，各組分的分壓力之和才是混合物的總壓力，可將凝汽器總壓力pk表示為如下：

式（3）中，ps、pa分別是凝汽器內蒸汽壓力和不凝結氣體分壓。

盡管不凝結氣體的存在略微增加了凝汽器的壓力，但對真空的影響并不大。不凝結氣體嚴重影響蒸汽與凝汽器的冷卻水進行換熱，才是真空度降低的最主要影響因素[4,5]。

圖1中橫坐標是不凝結氣體在凝汽器氣空間里混合物所占的質量百分比，縱坐標是凝汽器空間里混合物的放熱系數αs與純蒸汽放熱系數α0之比。從圖1可看出ε越大，α越小。如果真空泵效率差，不能有效將不凝氣體盡可能多地抽出，那么不凝結氣體將會積聚在凝汽器內，降低了凝汽器傳熱系數，凝汽器的傳熱端差也會增大，汽水循環效率變差，導致機組的熱經濟性變差。

圖1 不凝結氣體含量與放熱系數的關系Fig.1 Relationship between non-condensable gas content and heat release coefficient

2 真空泵特性分析

2.1 真空泵

在電廠中常用的抽氣裝置主要有：射汽式抽氣裝置、射水式抽氣裝置，以及水環式真空泵[3]。

本廠應用的為二級水環式真空泵。它具有很多優點，比如節能效果顯著，效率高，性能穩定，運行可靠，不易損壞。

2.2 水環式真空泵的抽氣特性

真空泵抽氣能力的好壞會影響漏入的空氣在凝汽器內積聚的程度，而影響真空泵抽氣性能的因素主要有以下幾點：

1）工作介質的溫度：工作介質溫度升高會導致部分工作介質汽化，會占用泵殼體積還容易產生汽蝕損壞泵的葉片，導致真空泵失效。

2）凝汽器內氣體溫度：凝汽器內氣體溫度越高會使真空泵工作介質的溫度升高，降低真空泵的吸氣能力。

3）凝汽器內的壓力：凝汽器內的壓力升高可以增加真空泵的吸氣能力，但是壓力過高會影響凝汽器的真空，凝汽器壓力太低又容易引起真空泵工作介質汽化[2]。

3 真空泵效率差原因分析

圖3是海水溫度、SRI溫度、凝汽器真空，及真空泵工作介質的溫度趨勢圖，從圖3可以看出海水溫度由4月30日的21.5℃上升到7月30日的32.7℃，SRI溫度由29.29℃上升到36.56℃，工作介質溫度由24℃上升到36.2℃，凝汽器真空由6.1Kpa上升到10.8Kpa。

圖2 真空泵吸氣量隨工作水溫的變化曲線Fig.2 Curve of the suction volume of a vacuum pump changing with the working water temperature

圖3 相關參數的趨勢變化Fig.3 Trend changes of related parameters

在趨勢變化期間，調門開度多次超過56%，機組執行降功率的操作見以下部分日志：

1）由于海水溫度上升，機組效率變差，調門開度超過56%，于01:19開始以1MW/min速率從670MW降功率，01:20降功率到669MW。

2）由于海水溫度上升，機組效率變差，熱功率超過1930MW，于08: 37開始以1MW/min速率從669MW降功率到668MW。

3）由于海水溫度上升，機組效率變差，熱功率超過1930MW且調門開度超過56%，于2018年6月28日21:07開始以1MW/min速率從668MW降功率，21:08功率到達667MW。

雖然，凝汽器真空度下降的決定因素是海水溫度，但經過實踐發現，夏天（冬季真空泵的工作介質溫度足夠低）降低真空泵的工作介質溫度，可提高真空泵工作效率，從而改善凝汽器真空度。如圖4所示，通過改變系統運行方式，調節真空泵的工作介質溫度，凝汽器真空度隨工作介質的溫度變化有明顯改變。

綜上所述，改善真空泵運行工況，提高真空泵效率，可提高凝汽器真空度，是提高汽水循環的一個良好途徑。

4 改進方案研究

結合機組實踐經驗、長期缺陷跟蹤、同行業技術對比等，提出以下改進建議。

4.1 定期清理過濾器雜物

經長期跟蹤總結，發現真空泵工作介質回路上的過濾器約2～3個月就發生明顯的堵塞現象，導致工作介質的溫度升高，真空泵工作效率變差。更換或者清洗過濾器后，真空泵的工作效率明顯提高。根據堵塞物的收集分析，密封膠殘余物和管道銹蝕物居多。

因此，建議將過濾器清洗工作形成周期預防性檢修項目，納入真空泵的檢修周期中（形成PM項），避免雜質堵塞過濾器，導致影響凝汽器真空度和真空泵的停運檢修次數增加。此外，可考慮改進密封膠使用方法和管道設備的防腐方法。

4.2 改進運行操作票

真空泵的工作介質為閉式循環水，在汽水分離器液位低時才向里面補充SER水。在真空泵運行的過程中，氣體和少量水汽從排氣管線排出，長此以往補水中所含的雜質會逐漸濃縮，積聚在汽水分離器的底部，容易造成過濾器堵塞，因此建議：

1）在系統初步在線規程（S、D規程）中，增加汽水分離器沖洗操作。

2）在真空泵定期切換的PT規程中，對待啟動的真空泵的汽水分離器進行換水操作。

圖5 紅色加粗部分為換水管線Fig.5 The bold red part represents the replacement of the water pipe line

3）可以在分離器的合適位置設置取樣管路，定期對分離器內水質進行化驗，及時了解分離器內的水質情況，以便采取相應措施。

4.3 改善工作介質與冷卻水的換熱效果

2015年提交了一個技改，由于3/4#機組SRI至CVI的冷卻水取水點在SEN/SRI板式熱交換器B與C之間，導致SEN/SRI板式熱交換器C的冷卻水無法進入CVI系統，即SEN/SRI板式熱交換器C運行、B和A反洗或備用時，CVI冷卻水溫度升高，凝汽器真空變差。

這個技改于2017年將CVI的冷卻水取水點從SEN/SRI板式熱交換器B與C之間，更改至SEN/SRI板式熱交換器C之后，避免了CVI冷卻水溫度升高。經過一年多時間的運行，機組的效率不再受SEN/SRI板式熱交換器切換的影響，并且相對之前的真空更好些。

雖然上述技改對真空泵的效率有所提高，但是如進一步降低真空泵的工作介質的溫度，其效率仍有改善空間。相較于目前的SRI管線，可以考慮加粗相應的管線，并在管線上增加流量調節閥。這樣可以根據季節的變化調節SRI水的流量，使凝汽器的真空不至于過高或者過低，也可以增大真空系統的換熱器體積，保證流過更多的SRI水來冷卻真空泵的工作介質，從而來降低工作介質的溫度。

4.4 引入DES冷卻水

雖然改善工作介質與冷卻水的換熱效果能夠提高真空泵的工作效率，但由于夏季時，SRI冷卻水的溫度本身就高達35℃左右，故降低真空泵工作介質的裕度有限。如在夏季利用DES系統輸出的冷凍水（12℃左右）經過換熱器降低工作介質溫度，則可成為提高真空泵效率的更加有效途徑。

圖6是以其中一臺水環泵為例，抽真空系統改造后的示意圖。在每年的5月到11月為DES投運期間，可以將DES的冷凍水引到CVI熱交換器，進而冷卻SRI水，降低工作介質溫度。在此期間外，按照之前的冷卻措施，對真空泵的工作介質直接利用SRI冷卻水進行降溫。

圖6 抽真空系統改造后的示意圖Fig.6 Schematic diagram of the modified vacuum system

4.5 真空泵前增加羅茨泵

根據國內火電廠的運行經驗，在真空泵入口增加羅茨泵組，如圖7所示，羅茨泵將抽取的氣體升壓，水環真空泵入口壓力提高，高于其工作介質水溫對應的飽和壓力。因此，配置的水環真空泵不易發生氣蝕并且系統的極限真空大大提高，在任何工況下均能滿足系統極限真空要求，進而保證了真空泵的工作效率，更容易維持凝汽器真空。

5 結論

綜上所述，通過對液環式真空泵夏季時運行效率較差問題的分析，本文提出了多種改善真空泵工作效率的建議方案：

周期性清理過濾器和定期對汽水分離器進行排污是最易實現的方法，對過濾器頻繁堵塞的缺陷有針對預先干預方案。

增加真空泵工作介質的換熱效果，可在一定限度內提高其運行效率。

引入DES冷凍水對真空泵工作介質進行冷卻的方案，可以將夏季真空泵的工作介質溫度降低到接近冬季的溫度，但冬季時候不宜使用，避免凝汽器真空過低，汽機背壓過低，汽機葉片應力過大，損壞葉片（哈汽生產葉片多次斷裂）。

真空泵前增加羅茨泵的方案，最為復雜、成本最高，但技術成熟，在其他高功率的電廠有良好的使用經驗。但是對于600MW機組來說，不一定適用，因冬季過低的真空，對汽機葉片影響過大。

以上建議是結合機組實踐經驗、長期缺陷跟蹤、同行業技術對比等因素提出的，具體方案還需電廠各部門研究討論，或與外部部門如設計院等多方討論后確定。