吳河生，范朝光

（太倉(cāng)港協(xié)鑫發(fā)電有限公司，江蘇太倉(cāng)215433）

江蘇太倉(cāng)港協(xié)鑫發(fā)電有限公司4×300MW機(jī)組分別于2004年投產(chǎn)，其中3號(hào)、4號(hào)機(jī)組為抽汽供熱機(jī)組，2007年對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)組進(jìn)行了供熱改造，實(shí)現(xiàn)了6臺(tái)機(jī)組供熱（包括一期2臺(tái)135MW機(jī)組），每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)水環(huán)式真空泵，正常一備一運(yùn)。自投產(chǎn)以來(lái)，3號(hào)機(jī)3A、5號(hào)機(jī)5B、6號(hào)機(jī)6A真空泵都曾出現(xiàn)真空泵葉輪損壞、葉片段落，甚至泵殼變形事故，特別是夏季水溫升高，真空泵轉(zhuǎn)子葉片材料（鑄造304）在抗汽蝕上達(dá)到極限，其使用壽命受到一定影響，真空泵葉輪正常使用都不到一年，而且在更換葉輪期間機(jī)組沒(méi)有備用真空泵。雖然該公司采取了將2臺(tái)機(jī)組真空系統(tǒng)并聯(lián)，也制定了2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)真空泵的措施以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，但是具體實(shí)施中每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀況不同，并不能完全實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)真空泵，給該公司安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來(lái)一定的影響。

1 水環(huán)式真空泵工作原理

太倉(cāng)港協(xié)鑫發(fā)電有限公司4×300MW機(jī)組配備的是新型節(jié)能產(chǎn)品ELMO-F系列中的2BW4353-O型水環(huán)式真空泵組，該公司5號(hào)、6號(hào)機(jī)組4臺(tái)水環(huán)式真空泵由廣東佛山水泵廠生產(chǎn)。

水環(huán)式真空泵的主要部件是葉輪和殼體。由于葉輪偏心地裝在殼體上，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，工作液在殼體內(nèi)形成運(yùn)動(dòng)著的水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面也與葉輪偏心，由于在殼體的適當(dāng)位置開(kāi)設(shè)有吸氣口和排氣口，水環(huán)泵就完成了吸氣、壓縮和排氣這3個(gè)相互連續(xù)的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)抽送氣體的目的[1]。

2 水環(huán)式真空泵葉輪損壞的原因

結(jié)合電廠的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析認(rèn)為真空泵葉輪損壞的主要原因，是因?yàn)橄募经h(huán)境溫度及循環(huán)水溫度高，真空泵冷卻器冷卻效果變差，進(jìn)而使真空泵內(nèi)的工作水溫度升高、接近于真空泵工作壓力下的飽和溫度，使泵內(nèi)工作液汽化，導(dǎo)致真空泵處于憋死或接近憋死的狀態(tài)下運(yùn)行。在水溫一定的條件下真空越高（絕對(duì)壓力低）、水溫越高，泵內(nèi)的水接近沸騰并會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的產(chǎn)生與破裂過(guò)程會(huì)對(duì)葉輪造成汽蝕損壞。根據(jù)葉輪內(nèi)水環(huán)形成的壓力分布，葉頂和葉根是最容易發(fā)生汽蝕的部位，汽蝕破壞了葉輪的動(dòng)平衡，引起泵體的強(qiáng)烈振動(dòng)，振壞真空泵的附屬設(shè)備（壓力真空表、壓力開(kāi)關(guān)、入口氣動(dòng)門的反饋裝置等），而且會(huì)發(fā)出非常大的汽蝕噪聲。由于溫度升高，加劇了泵內(nèi)工作水的汽化，大量汽化產(chǎn)生的氣泡是凝汽器內(nèi)被抽吸的氣汽混合物中氣泡的很多倍，這些氣泡都在葉輪處破裂，對(duì)葉輪產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，使葉輪在同等工況下遭受數(shù)倍于設(shè)計(jì)工況的沖擊力，尤其是葉頂和葉根，最終導(dǎo)致葉輪壽命縮短而損壞，影響真空泵組的安全運(yùn)行，進(jìn)而影響汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

3 真空泵冷卻系統(tǒng)對(duì)機(jī)組真空的影響

水環(huán)式真空泵運(yùn)行時(shí)，為保持抽吸能力，其密封用水工作液必須保持一定的過(guò)冷度，如水溫升高則真空泵密封水工作液發(fā)生汽化，其極限抽真空值就是該溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力。

3.1 理論基礎(chǔ)

最低吸入極限壓力取決于工作液溫度，在水溫為15℃、環(huán)境溫度20℃的情況下，泵的吸入極限壓力可達(dá)3.3 kPa（絕壓）。如果泵不帶汽蝕保護(hù)裝置或大氣噴射器時(shí)，泵的長(zhǎng)期工作壓力一般不大于8kPa，否則會(huì)產(chǎn)生汽蝕。水溫越低相應(yīng)的最低吸入極限壓力就越低。

在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作時(shí)，真空泵的壓力應(yīng)比冷凝器背壓約低0.7 kPa，以保持空氣正常流動(dòng)。4.9 kPa（該公司汽輪機(jī)額定背壓）對(duì)應(yīng)的飽和溫度約為32.5℃，考慮到真空泵正常運(yùn)行所需4.2℃的過(guò)冷度，也就是說(shuō)，此時(shí)真空泵密封水工作液應(yīng)低于28.3℃才能正常工作。真空泵工作液取自閉式水補(bǔ)水,在夏季閉式水溫度最高可達(dá)35℃,因此在實(shí)際運(yùn)行中真空泵密封水工作液很難保證有4.2℃的過(guò)冷度。隨著水溫接近飽和，其抽氣能力也不斷下降，直至飽和汽化而喪失工作能力。

真空泵的工作壓力與冷凝器的壓力是動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，不管工作液溫度的高低，真空泵的抽吸壓力必須低于冷凝器的壓力才能把冷凝器內(nèi)的不凝結(jié)氣體抽走。因此真空泵工作液溫度必須低于排汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，否則就會(huì)真空惡化，還會(huì)導(dǎo)致真空泵葉輪的汽蝕損壞。

3.2 影響實(shí)例及試驗(yàn)

2009年7月17日3號(hào)機(jī)出現(xiàn)真空下降的情況，就是由于夏季水溫升高，工作液閉式循環(huán)，水溫不斷升高，未及時(shí)對(duì)汽水分離器換水,導(dǎo)致真空泵內(nèi)工作液汽化造成的。

7月30日在2號(hào)機(jī)A真空泵進(jìn)行了試驗(yàn)，A泵加入16.0℃的冷水后分離器溫度為16.2℃，啟動(dòng)A泵后溫度很快升至24.5℃，并逐漸上升，真空下降，在30℃水溫時(shí)真空提高約1 kPa，真空泵電流約上升0.85 A。工作水溫每降1℃真空提高約0.19 kPa。可見(jiàn)，保持真空泵工作液密封水較低的溫度是保證夏季機(jī)組真空的重要手段。

4 改造方法討論

根據(jù)公司的實(shí)際情況，對(duì)真空泵工作液的冷卻器冷卻水或工作液進(jìn)行改造，既能提高真空、改善真空泵的工作狀況，又能解決真空泵的汽蝕問(wèn)題。

改造實(shí)施究竟是改造冷卻水，還是直接改造工作液，下面就以該公司對(duì)5號(hào)、6號(hào)機(jī)2種改造方法的實(shí)踐來(lái)說(shuō)明哪種辦法更為有效、可靠。

4.1 冷卻水改造

2009年3 月利用公司大修對(duì)6號(hào)機(jī)6A真空泵工作液冷卻器冷卻水進(jìn)行了改造，真空泵工作液冷卻器冷卻水原設(shè)計(jì)為閉式水，壓力0.4～0.6 MPa，閉式水由開(kāi)式循環(huán)水冷卻，水溫高于開(kāi)始循環(huán)水5℃左右，利用5號(hào)、6號(hào)機(jī)連續(xù)供熱的特點(diǎn)，將除鹽水補(bǔ)水經(jīng)過(guò)真空泵冷卻器后補(bǔ)入除鹽水補(bǔ)水箱，供熱時(shí)除鹽水泵一直運(yùn)行，5號(hào)、6號(hào)機(jī)除鹽水補(bǔ)水箱連續(xù)保持除鹽水泵80 t/h的流量。此方法既不用增加設(shè)備投入，又可以提高除鹽水補(bǔ)水溫度。

真空泵工作液冷卻器冷卻水切換前后各相關(guān)參數(shù)如表1所示。由表1可知，冷卻水的改造效果并不明顯。又在夏季循環(huán)水溫度較高時(shí)投入除鹽水作為冷卻水運(yùn)行了一段時(shí)間，效果仍不夠理想。

表1 不同水源對(duì)照

4.2 真空泵工作液改造

2009年11月5號(hào)機(jī)大修，對(duì)5B真空泵工作液進(jìn)行了改造，如圖1所示。由除鹽水補(bǔ)水箱下部直接引出一根補(bǔ)水管經(jīng)冷卻器至真空泵作為工作液，補(bǔ)水加裝流量計(jì)，同時(shí)至汽水分離器加裝手動(dòng)門，真空泵啟動(dòng)時(shí)沖洗管路，化驗(yàn)水質(zhì)合格后對(duì)真空泵充水,同時(shí)開(kāi)啟真空泵汽水分離器至給泵密封水回水一次門，關(guān)二次門，開(kāi)放地溝門對(duì)泵進(jìn)行沖洗,調(diào)整水量7.5 t/h左右，化驗(yàn)水質(zhì)合格后關(guān)放地溝門，開(kāi)啟真空泵汽水分離器至給泵密封水回水二次門，啟動(dòng)真空泵此時(shí)水流量應(yīng)增加至12.8 t/h左右，調(diào)整真空泵汽水分離器至給泵密封水回水一次門的開(kāi)度保持真空泵汽水分離器水位在150～200mm之間連續(xù)運(yùn)行。此種運(yùn)行方式除鹽水補(bǔ)水箱水位在4500mm以上，才能保證除鹽水有一定的壓力從而保證水流穩(wěn)定。

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 改造后的真空泵系統(tǒng)

大修結(jié)束機(jī)組正常運(yùn)行后對(duì)5B真空泵工作液進(jìn)行了切換試驗(yàn)，將工作液由原來(lái)的閉式水切換為除鹽水，并由原閉式循環(huán)方式改為開(kāi)式循環(huán)，開(kāi)式循環(huán)水方式能有效地冷卻真空泵轉(zhuǎn)子，使真空泵內(nèi)溫度保持較低水平，同時(shí)提高凝汽器補(bǔ)水溫度。真空泵工作液冷卻器冷卻水切換前后相關(guān)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)表明，通過(guò)降低工作液溫度使真空泵出力得到一定程度的提高。

4.2.2 討論

表2 真空泵工作液不同水源對(duì)照

一般情況，化學(xué)除鹽水溫度比閉式水溫度低2～4℃，利用化學(xué)除鹽水作為真空泵工作液可使其溫度降低2～3℃。以夏季工況為例，閉式水溫在32.5℃左右，除鹽水溫在29.5℃（接近循環(huán)水溫度）左右。如將真空泵的工作液切換為除鹽水，可以提高真空泵出力0.6～0.8 kPa。

現(xiàn)公司5號(hào)、6號(hào)機(jī)供熱量在80 t/h左右，加之機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的汽水損耗，除鹽水補(bǔ)水量完全可以滿足每臺(tái)真空泵開(kāi)式循環(huán)工作水量13 m3/h冷卻水量的要求。不改變所涉及到的其他系統(tǒng)的運(yùn)行方式，若運(yùn)行方式改變后機(jī)組真空平均提高0.3 kPa，按5號(hào)機(jī)組2009年發(fā)電量計(jì)，年節(jié)省標(biāo)煤1000t。按標(biāo)煤630元/t計(jì)，年節(jié)約成本63萬(wàn)元。機(jī)組補(bǔ)水經(jīng)真空泵加熱后，水溫可提高4℃，全年可節(jié)約成本約4萬(wàn)元。

該方法優(yōu)點(diǎn)是，改造系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資少，真空泵工作液的流動(dòng)冷卻既改善了真空泵轉(zhuǎn)子工作狀況，又提高了補(bǔ)水（除鹽水）的溫度。其缺點(diǎn)是機(jī)組必須連續(xù)供熱，當(dāng)供熱停止、檢修時(shí)必須對(duì)真空泵工作液調(diào)整或卸換，對(duì)安全運(yùn)行有一定影響，真空泵工作液溫度下降提高了真空泵出力，真空泵電耗增加。

4.3 其他方法探討

4.3.1 大氣噴射裝置

為解決真空泵汽蝕的情況，需提高真空泵入口壓力，為此真空泵入口增加前置大氣噴射裝置，如圖2所示。

圖2 大氣噴射裝置

前置噴射裝置為一個(gè)噴嘴和擴(kuò)壓管組合裝置,動(dòng)力氣源采用真空泵出口氣流。通過(guò)從排氣側(cè)(氣水分離器)引入接近大氣壓力的氣流，通過(guò)噴嘴加速形成高速氣流，帶動(dòng)吸入口內(nèi)的氣體一起從吸氣支管進(jìn)入泵內(nèi)。泵初始運(yùn)行入口壓力高時(shí),噴射器不投入，絕對(duì)壓力達(dá)到15 kPa左右時(shí)，噴射器投入工作。真空泵增加前置噴射裝置改造后，可將泵入口絕對(duì)壓力由原先的4～8 kPa提升至9～15 kPa，從而大大減輕泵內(nèi)的汽蝕現(xiàn)象,達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的。同時(shí)可提高凝汽器在低真空狀態(tài)下的抽氣量,提高系統(tǒng)真空度。

此種改造方法的優(yōu)點(diǎn)是，提高了機(jī)組的真空，延長(zhǎng)了真空泵的使用壽命，降低了真空泵的噪音和振動(dòng)。缺點(diǎn)是改造后由于真空泵入口壓力上升，真空泵出力增加，導(dǎo)致真空泵電流上升、電耗增加。

4.3.2 冷卻器和真空泵入口加裝制冷設(shè)備

另一種可提高凝汽式汽輪機(jī)水環(huán)真空泵效率的技術(shù)方案是，構(gòu)成中包括水環(huán)真空泵、制冷設(shè)備、汽水分離器和相應(yīng)的連接管路，水環(huán)真空泵的抽氣端經(jīng)氣體吸入管連通汽輪機(jī)的凝汽器，排氣端與汽水分離器連通，水環(huán)真空泵的密封端與工作液供給管連通，工作液供給管和氣體吸入管處分別設(shè)置工作液換熱器和氣體換熱器進(jìn)行冷卻，工作液換熱器和氣體換熱器內(nèi)流動(dòng)由制冷設(shè)備提供的冷凍水。該方法可有效降低凝汽器排入真空泵的氣體溫度，使吸入的不凝性氣體中的水蒸氣部分凝結(jié)，可提高凝汽器的真空度并進(jìn)而提高汽輪機(jī)的效率，減少電耗；通過(guò)閉式冷凍水循環(huán)冷卻水環(huán)真空泵工作液，可有效降低工作液溫度，改善真空泵轉(zhuǎn)子的工作狀況，有效防止真空泵汽蝕，減小真空泵振動(dòng)，延長(zhǎng)真空泵的使用壽命。

該方法優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)組真空可提高0.5～1 kPa，真空泵工作狀況改善。缺點(diǎn)是投資大，系統(tǒng)復(fù)雜，電耗增加，沒(méi)有合理利用熱量。

5 結(jié)束語(yǔ)

凝汽器真空變化對(duì)汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有較大影響,真空升高可使汽輪機(jī)熱耗減少，效率提高,供電煤耗降低,獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。太倉(cāng)港協(xié)鑫發(fā)電有限公司對(duì)供熱機(jī)組真空泵系統(tǒng)進(jìn)行了改造，同時(shí)討論了其他改造方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際改造過(guò)程中，各個(gè)電廠可以根據(jù)自身情況找到適合本廠的最佳方法。

[1] 孔瓏.工程流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1996.