宗緒東

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0 引言

火力發(fā)電廠機組配置的水環(huán)真空泵有2個作用：一是在機組啟動時將凝汽器及負壓系統(tǒng)的空氣抽出，建立真空，從而降低沖轉(zhuǎn)時的阻力；二是在機組正常運行中抽出漏入凝汽器的空氣，防止空氣集聚影響凝汽器換熱效果，維持真空正常。理論及大量的實踐證明：水環(huán)真空泵具有啟動時間短、啟動性能好，在設(shè)計壓力范圍內(nèi)抽吸能力強以及單位抽吸功耗低等優(yōu)點[1]。因此，水環(huán)真空泵在火力發(fā)電廠中得到了廣泛應(yīng)用。

運行實踐表明，水環(huán)真空泵存在效率低、耗電率高、極限真空受制于工作水溫等缺點。本文從水環(huán)真空泵原理等方面分析了原因，對國內(nèi)現(xiàn)有的各種改造方案進行了比較，制定了最優(yōu)改造方案。

1 水環(huán)真空泵工作原理、性能指標

1.1 水環(huán)真空泵的工作原理

水環(huán)真空泵是一種粗真空泵，它所能獲得的極限真空受制于結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境，一般為3～50 kPa。水環(huán)真空泵主要由葉輪、泵體、圓盤(設(shè)有吸氣口、排氣口)等幾部分組成。如圖1所示，葉輪偏心安裝在泵體中，當葉輪旋轉(zhuǎn)時，水被拋向泵體并形成與泵體同心的水環(huán)，水環(huán)和葉輪形成一個月牙形的空間。隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，葉輪輪轂、葉片和水環(huán)形成的空腔由小變大，通過吸氣口吸氣，再由大變小，通過排氣口排氣[2]。

圖1 水環(huán)真空泵工作原理

1.2 性能指標

水環(huán)真空泵的性能指標主要有耗電率、極限真空和抽吸能力。

耗電率是指水環(huán)真空泵每小時的耗電量，取決于設(shè)備選型及真空泵效率。

極限真空和抽吸能力不足將造成機組凝汽器真空降低，影響機組煤耗率升高。極限真空是真空泵出口工作水溫對應(yīng)的飽和壓力(kPa)，是真空泵所能抽取壓力的最高數(shù)值；抽吸能力是真空泵每小時抽取空氣的質(zhì)量(kg/h)。機組正常運行中，如真空泵抽吸能力能夠滿足系統(tǒng)要求，極限真空越高，凝汽器真空越接近理論真空應(yīng)達值；如真空泵抽吸能力不能滿足系統(tǒng)要求，極限真空再高，凝汽器真空都將降低。

2 水環(huán)真空泵存在的問題及原因

2.1 耗電率偏高

國內(nèi)汽輪機組配置的單級水環(huán)真空泵運行電流約為190～220 A，雙級水環(huán)真空泵運行電流約為140～180 A，耗電率均偏高，其主要原因是選型偏大和真空泵效率低。

火力發(fā)電廠基建期進行水環(huán)真空泵選型時，主要考慮機組啟動時快速建立真空需要以及應(yīng)對運行中真空嚴密性惡化工況，其抽吸能力設(shè)計較高。在正常運行中,機組凝汽器真空是依靠蒸汽凝結(jié)成水、體積大大縮小建立的。在真空嚴密性合格的情況下，凝汽器漏入空氣量較少，較低的抽吸能力即能滿足需要。因此，將建立真空的真空泵用于正常運行中維持真空是不合適的，耗電率必然偏高。

水環(huán)真空泵效率

η=ηιsηωηm，

式中：η為水環(huán)真空泵效率；ηιs為等溫壓縮效率；ηω為葉輪攪動液體流動效率；ηm為機械效率。

水環(huán)真空泵自身的特性決定了效率較低，一般在30%～50%，導致真空泵耗電率高。

2.2 易導致凝汽器真空降低

真空泵極限真空和抽吸能力受制于工作水溫，真空泵出口工作水溫升高，極限真空和抽吸能力降低。系統(tǒng)運行中需保證冷凝器壓力大于真空泵抽吸壓力，這樣才可抽走其中不凝結(jié)氣體，要求運行狀態(tài)下工作液的溫度應(yīng)控制在飽和溫度內(nèi)，避免出現(xiàn)真空惡化甚至氣蝕損壞的問題[3]。

當真空泵工作水流量較低或冷卻器冷卻效果降低時，均會導致真空泵出口工作水溫偏高。

2.3 易發(fā)生氣蝕損壞

當水環(huán)真空泵出口工作水溫度對應(yīng)的飽和壓力低于其吸入口壓力時，真空泵內(nèi)的工作水發(fā)生汽化。一般情況下，水溫與真空升高時系統(tǒng)內(nèi)的水會因過熱產(chǎn)生一定的氣泡，形成氣泡的過程或氣泡發(fā)生破裂的情況下，便對葉輪許多部位如葉根或葉頂?shù)冗M行侵蝕，通常真空泵整體發(fā)生振動的情況下可判定氣蝕情況比較嚴重。特別是在氣泡破裂過程中，所產(chǎn)生的沖擊力會超出葉輪能夠承受的沖擊力許多，既使設(shè)備難以安全運行，也使葉輪的壽命逐漸縮短[4]。

雙級水環(huán)真空泵第1級葉輪不會發(fā)生氣蝕，但第2級葉輪不能避免氣蝕。

3 常規(guī)改造方案

近年來，針對水環(huán)真空泵存在的問題，火力發(fā)電廠采取了一系列優(yōu)化改造方案。這些方案能夠解決某個問題，但由于沒有從全局統(tǒng)籌考慮，不能從根本上解決水環(huán)真空泵存在的所有問題。

3.1 增加1臺小型真空泵

增加1臺小型水環(huán)真空泵后，運行電流能降低40～80 A，約能降低真空泵耗電率20%左右。

此改造方案中真空泵的氣蝕問題，以及極限真空、抽吸能力受制于工作水溫的問題沒有解決。

3.2 相鄰機組凝汽器抽空氣管道加裝聯(lián)絡(luò)門

改造后，在冬季凝汽器真空較高時開啟聯(lián)絡(luò)門，用1臺真空泵抽2臺機組的空氣，能降低真空泵功耗50%。

此方案改造后只能在冬季使用，對真空嚴密性不合格的機組不適用，而且造成機組運行安全性降低。

3.3 降低真空泵入口工作水溫度

通過加裝溴化鋰強制冷卻裝置提供低溫工作水。該方案能解決真空泵氣蝕問題，提高極限真空和抽吸能力。

該方案只能在氣溫較高的季節(jié)使用(溴化鋰入口冷卻水溫必須>20 ℃，否則溴化鋰將結(jié)霜而不能工作)，而且需要驅(qū)動熱源(蒸汽或高溫水)、冷熱循環(huán)水泵，系統(tǒng)總能耗大大增加。經(jīng)測算，該裝置運行時驅(qū)動熱源折合發(fā)電功率損失在500 kW以上。另外，溴化鋰強制冷卻裝置投資較大，運行維護成本較高。

3.4 加裝大氣式噴射器

水環(huán)真空泵加裝大氣式噴射器，從汽水分離器出口引出空氣作為驅(qū)動氣源，提高了真空泵入口壓力，因此，能解決真空泵氣蝕問題，極限真空也能提高。

該方案將導致真空泵總抽氣量增加，因此，運行電流增加20～30 A，而且導致真空泵對凝汽器的抽吸能力降低。

4 兩種新型真空泵系統(tǒng)改造方案

蒸汽噴射器系統(tǒng)、高效真空泵系統(tǒng)為近幾年來國內(nèi)火力發(fā)電廠新采用的抽真空設(shè)備，主要用于機組運行中維持凝汽器真空。這2種改造方案能夠解決現(xiàn)有水環(huán)真空泵存在的所有問題，但經(jīng)濟性有較大差異。

蒸汽噴射器抽真空系統(tǒng)由蒸汽噴射器、管式換熱器、小容量水環(huán)真空泵組成，采用高溫、高壓蒸汽作為驅(qū)動汽源，抽取凝汽器中的氣體后進入管式換熱器冷卻，剩余的汽氣混合物被真空泵抽走。蒸汽噴射器系統(tǒng)如圖2所示。

高效真空泵系統(tǒng)由羅茨泵代替了蒸汽噴射器，其余結(jié)構(gòu)與蒸汽噴射器系統(tǒng)相同。高效真空泵系統(tǒng)如圖3所示。

4.1 兩種抽真空系統(tǒng)的優(yōu)、缺點

優(yōu)點：耗電率比水環(huán)真空泵低70%～80%；極限真空高，在特定工況下能提高機組凝汽器真空；極限真空和抽吸能力不受工作水溫度的制約，能徹底解決水環(huán)真空泵的氣蝕問題；維護成本低。

缺點：兩種抽真空系統(tǒng)不能用于機組啟動拉真空，以及運行中真空嚴密性嚴重惡化工況。

4.2 節(jié)電及防止氣蝕原理

兩種系統(tǒng)均是基于維持凝汽器真空目的設(shè)計，系統(tǒng)效率較高。蒸汽噴射系統(tǒng)用蒸汽噴射器替代了一部分真空泵功能，高效真空泵系統(tǒng)中羅茨泵效率較高、功率低，因此，兩種系統(tǒng)的耗電率比原配置水環(huán)真空泵低。

圖2 蒸汽噴射器系統(tǒng)

圖3 高效真空泵系統(tǒng)

兩種系統(tǒng)分別通過蒸汽噴射器和羅茨泵將抽取的氣體升壓，小容量水環(huán)真空泵入口壓力提高，高于其出口工作水溫對應(yīng)的飽和壓力，因此，配置的小容量水環(huán)真空泵不易發(fā)生氣蝕。

4.3 提高部分機組凝汽器真空的原理

正常運行中凝汽器各部位的壓力是不同的，空氣冷卻區(qū)壓力最低?？諝饫鋮s區(qū)出口汽氣混合物溫度比凝汽器入口平均壓力對應(yīng)的飽和溫度低4.16 ℃，或為平均壓力對應(yīng)飽和溫度與冷卻水入口溫度差的25%[5]。真空泵入口壓力對應(yīng)的飽和溫度=凝汽器入口水溫+循環(huán)水溫升+凝汽器端差-4.16 ℃-空氣管道阻力對應(yīng)的飽和溫度。真空泵極限真空對應(yīng)的工作水溫=凝汽器入口水溫+真空泵冷卻器換熱溫差+工作水溫升。從上述公式可以看出，當真空泵冷卻器冷卻水流量低造成出口工作水溫過高、或機組低負荷時凝汽器端差及循環(huán)水溫升降低時，會造成真空泵出口工作水溫高于真空泵入口壓力對應(yīng)的飽和溫度，抽吸壓力高于入口壓力，導致真空泵停止抽空氣，凝汽器內(nèi)空氣集聚，真空下降。對于配置高、低背壓凝汽器的機組，由于低背壓凝汽器循環(huán)水溫升低，水環(huán)真空泵極限真空始終不能滿足工作需要。

兩種新型真空泵系統(tǒng)分別串聯(lián)了蒸汽噴射器和羅茨泵，系統(tǒng)的極限真空大大提高(<1.0 kPa)，在任何工況下均能滿足系統(tǒng)極限真空要求。運行實踐證明，兩種系統(tǒng)在特定工況下能提高凝汽器真空0.2～1.0 kPa。

4.4 兩種改造方案經(jīng)濟性比較

4.4.1 投運后節(jié)能效果比較

某300 MW機組進行了蒸汽噴射器系統(tǒng)改造，原配置單級水環(huán)真空泵電流為220 A。蒸汽噴射器系統(tǒng)運行時，每小時需消耗壓力0.47 MPa、溫度384 ℃的蒸汽0.385 t，配置小容量水環(huán)真空泵運行電流為49 A。經(jīng)近似計算，消耗的蒸汽折合發(fā)電量約為97 kW·h。因此，蒸汽噴射器系統(tǒng)實際運行功率約增加1.3 kW。

某300 MW機組進行了高效真空泵改造，原配置單級水環(huán)真空泵電流為220.0 A，切換為高效真空泵系統(tǒng)運行后，羅茨泵電流為12.5 A，小容量水環(huán)真空泵電流為22.7 A，系統(tǒng)實際運行功率約降低103 kW。

從上述分析可以看出，在其他性能相同的情況下，采用蒸汽噴射器系統(tǒng)增加了能耗，高效真空泵系統(tǒng)節(jié)能效果良好。

4.4.2 原因分析

蒸汽噴射器系統(tǒng)消耗的高溫、高壓蒸汽用來發(fā)電效率更高，而且驅(qū)動蒸汽的消耗導致進入管式換熱器蒸汽含量增加，蒸汽不能完全被冷卻，造成進入水環(huán)真空泵的蒸汽含量較大，因此，配置的小容量水環(huán)真空泵功率相對高效真空泵系統(tǒng)較大。

高效真空泵系統(tǒng)的羅茨泵效率較高，而且羅茨泵可以設(shè)計為變頻控制，運行功率低。由于抽取的汽氣混合物中的蒸汽幾乎完全被冷卻，配置的小容量水環(huán)真空泵功率也更低。

5 結(jié)論

目前，國內(nèi)機組在進行真空泵改造或基建階段選型時，已經(jīng)從單純追求真空泵安全性、極限真空和抽吸能力等指標，轉(zhuǎn)為在兼顧以上

指標的基礎(chǔ)上降低真空泵能耗。本文分析了國內(nèi)火電廠主流配置的水環(huán)真空泵存在的各種問題，并對各種解決方案進行了剖析，得出了采用高效真空泵系統(tǒng)是最合理改造方案的結(jié)論。

進行高效真空泵改造時，應(yīng)合理選擇羅茨泵壓縮比以及抽吸能力。一方面能徹底避免小容量水環(huán)真空泵氣蝕，另一方面能夠適應(yīng)機組真空嚴密性較差的工況。

[1]羅思球.水環(huán)真空泵機組在凝汽器抽真空的應(yīng)用及介紹[J].通用機械，2004(2)：28-31.

[2]徐法儉，雷春棟，劉寶新，等.水環(huán)真空泵能效評價方法研究[J].真空科學與技術(shù)學報，2011,31(4)：449-452.

[3]劉凱，泰惠敏，吳曰舜.國產(chǎn)300 MW汽輪機真空抽氣系統(tǒng)技術(shù)改造[J].華東電力，2004,32(11):49-52.

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[5]汪國山.電站凝汽器熱力性能數(shù)值仿真及其應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社,2010.