1、雙背壓凝汽器的水環(huán)真空泵汽蝕特性及防汽蝕措施分析 通過對(duì)雙背壓凝汽器配套水環(huán)真空泵汽蝕特性的分析，證明低壓凝汽器對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕、容量缺陷問題，使低壓凝汽器壓力升高。通過實(shí)例驗(yàn)證了雙背壓凝汽器真空泵易發(fā)生汽蝕且嚴(yán)重?fù)p害了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)如何預(yù)防真空泵汽蝕問題，有效提高真空泵汽蝕余量，闡述了以降低真空泵工作液溫度和提高真空泵入口壓力為目標(biāo)的多種優(yōu)化措施，對(duì)雙背壓凝汽器的真空泵工作液冷卻及抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造工作具有指導(dǎo)意義。 相對(duì)于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器能降低汽輪機(jī)排汽壓力、提高凝結(jié)水溫度和提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，因此被廣泛應(yīng)用到600MW 等級(jí)及以上汽輪發(fā)電機(jī)組中。但在實(shí)際運(yùn)行中，雙背

2、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(dá)不到設(shè)計(jì)值。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，凝汽器壓力不僅取決于凝汽器本身的運(yùn)行參數(shù)，如凝汽器熱負(fù)荷、冷卻水流量、冷卻水溫度、冷卻管臟污程度、真空系統(tǒng)漏空氣量，還取決于凝汽器抽真空系統(tǒng)的布置方式及抽氣設(shè)備的運(yùn)行性能，經(jīng)常出現(xiàn)受抽氣設(shè)備抽吸能力限制導(dǎo)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(huán)真空泵工作液汽化的原因，并針對(duì)如何預(yù)防真空泵汽蝕問題提出合理改良措施。 1、水環(huán)真空泵汽蝕特性分析 1.1、經(jīng)濟(jì)性和安全性危害 水環(huán)真空泵所能到達(dá)的最小抽吸壓力取決于真空泵工作液溫度對(duì)

3、應(yīng)的飽和壓力，當(dāng)真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，將使部分工作液汽化而產(chǎn)生汽泡，汽泡會(huì)排擠真空泵液環(huán)與葉輪之間腔室中空氣量，導(dǎo)致真空泵容量下降，嚴(yán)重時(shí)汽泡破裂會(huì)沖擊葉輪而產(chǎn)生汽蝕，使真空泵的葉片及內(nèi)表面損壞，進(jìn)一步降低真空泵的抽吸能力，同時(shí)對(duì)真空泵的安全運(yùn)行造成威脅。 即使在機(jī)組真空嚴(yán)密性較好的情況下，如果真空泵工作液溫度過高，真空泵發(fā)生汽蝕、抽吸能力缺陷問題，同樣會(huì)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(gè)重要原因。 1.2、汽蝕原因分析 設(shè)真空泵工作液冷卻水進(jìn)口溫度為tz1，真空泵換熱器存在換熱端差tz(即換熱器中工

4、作液出口溫度和冷卻水進(jìn)口溫度的差值)，在真空泵運(yùn)行過程中，工作液由于受到壓縮、摩擦等作用，同時(shí)還由于工作液吸收了所抽吸氣體攜帶進(jìn)來的蒸汽凝結(jié)所放出的熱量，使工作液的溫度升高tz，則工作液在真空泵中的最高溫度為： 設(shè)低壓凝汽器冷卻水入口溫度為td1，低壓凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，亦即低壓側(cè)真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為： 式中：td為低壓凝汽器內(nèi)冷卻水溫升；td為低壓凝汽器傳熱端差。高壓凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，亦即高壓側(cè)真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為： 式中：tg為高壓凝汽器內(nèi)冷卻水溫升；tg為高壓凝汽器傳熱端差。 抽氣系統(tǒng)能正常運(yùn)行，防止真空泵汽蝕，要求運(yùn)行中真空泵的抽氣壓力比真空泵

5、工作液最高溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力高0.85kPa。以各壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度來比較，則水環(huán)真空泵防止發(fā)生汽蝕的條件為： 式中：d、g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(duì)應(yīng)的真空泵汽蝕余量分別為： 汽蝕余量T0是真空泵不發(fā)生汽蝕的必要條件。由式(6)和式(7)看出：T 與凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度和真空泵工作液冷卻水進(jìn)口溫度的差值有關(guān)，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(guān)。Tg與Td相比，同樣運(yùn)行條件下，排除工作液換熱異常的因素后得： 分析結(jié)果，則Tg比Td高tg，相對(duì)高壓凝汽器，低壓凝汽

6、器對(duì)應(yīng)真空泵易發(fā)生汽蝕。由于雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對(duì)應(yīng)的機(jī)組容量、凝汽器冷卻水流量差異均較大，雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)冷卻水總溫升與單背壓凝汽器設(shè)計(jì)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異較小(相對(duì)冷卻水溫升)，則相對(duì)于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器中低壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵汽蝕余量較小，水環(huán)真空泵汽蝕的可能性相對(duì)較大。 對(duì)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(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)真空泵不易發(fā)生汽蝕，但在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于凝汽器冷卻水溫升降低

7、的原因，汽蝕余量減少，易造成真空泵汽蝕。而對(duì)于同樣冷卻方式的600MW 等級(jí)及以上雙背壓凝汽器來說，由式(6)看出：即使機(jī)組在額定負(fù)荷運(yùn)行，由于td約為總溫升的一半，Td仍較小，易造成真空泵汽蝕、凝汽器壓力升高；當(dāng)機(jī)組在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，td更小，Td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(jī)組負(fù)荷方面，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，凝汽器內(nèi)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(nèi)工作液溫升隨負(fù)荷變化較小，則汽蝕余量T 減小，水環(huán)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

8、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(guān)鍵因素。對(duì)真空泵工作液冷卻水的優(yōu)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(shí)一定要保證冷卻水量充足，盡量降低換熱端差tz。 設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)方面，當(dāng)真空泵換熱器結(jié)垢或堵塞時(shí)，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(huì)導(dǎo)致真空泵換熱端差tz增大，T 減??；真空泵工作液流量減少，會(huì)導(dǎo)致tz增大，則T 也減小，工作液流量減少嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響真空泵內(nèi)水環(huán)的形成。真空泵換熱器結(jié)垢或堵塞的問題是現(xiàn)場(chǎng)工作中遇到較多、且容易被忽略的問題，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行帶來很大損害。 2、實(shí)例分析 以某電廠600MW 雙背壓凝汽器為例，通過

9、調(diào)整水環(huán)真空泵工作液溫度，分析真空泵的汽蝕狀態(tài)以及對(duì)低壓凝汽器和高壓凝汽器性能的影響。工作液溫度對(duì)真空泵性能及凝汽器性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表1。 表1工作液溫度對(duì)水環(huán)真空泵性能及高、低壓凝汽器性能影響的試驗(yàn)結(jié)果 由表1看出：真空泵工作液溫度較高時(shí)，各負(fù)荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.0620.510kPa，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(fù)荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.5491.484kPa，雙背壓能有效建立。 600MW 和480MW 負(fù)荷工況下，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，低壓凝汽器壓力分別下降1.056kPa

10、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(tài)時(shí)，工作液溫度高于采用低溫工作液時(shí)低壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，真空泵發(fā)生汽蝕和抽吸能力缺陷，低壓凝汽器內(nèi)出現(xiàn)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(shí)高壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，高壓凝汽器內(nèi)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(diǎn)。 360MW負(fù)荷工況下，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，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(tài)時(shí)，工作液

11、溫度已高于高壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，真空泵發(fā)生汽蝕和抽吸能力缺陷，高、低壓凝汽器內(nèi)均出現(xiàn)空氣聚積現(xiàn)象，高壓和低壓凝汽器壓力實(shí)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(diǎn)。 試驗(yàn)結(jié)果與之前理論分析一致，即雙背壓凝汽器的低壓凝汽器對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕和抽吸能力缺陷，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(jī)組負(fù)荷有關(guān)，高負(fù)荷時(shí)僅低壓凝汽器壓力容易受真空泵抽吸能力限制，低凝汽器壓力較可達(dá)值升高，高壓凝汽器不受影響；低負(fù)荷時(shí)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(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了真空泵汽蝕特性對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重大

12、影響，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，有效防止真空泵出現(xiàn)汽蝕問題，提高真空泵抽吸能力后，各負(fù)荷工況下凝汽器平均壓力下降0.5290.705kPa。 3、預(yù)防措施研究 通過對(duì)雙背壓凝汽器水環(huán)真空泵汽蝕特性分析以及實(shí)例計(jì)算，提出應(yīng)加強(qiáng)雙背壓凝汽器真空泵汽蝕問題的研究，并采取經(jīng)濟(jì)可行措施來防止真空泵汽蝕問題發(fā)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(yōu)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(shí)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(shù)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

13、系統(tǒng)構(gòu)建方便，水源有保障。但從理論分析及實(shí)例計(jì)算中看出，此種冷卻方式下，低壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵易發(fā)生汽蝕，特別是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，真空泵極易發(fā)生汽蝕，凝汽器壓力受真空泵抽吸能力限制而升高，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，對(duì)真空泵安全運(yùn)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(jīng)開式水冷卻后的水，相對(duì)開式水冷卻，同樣運(yùn)行條件下真空泵的汽蝕余量減少tb(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，建議盡量防止采用此種冷卻方式。 3.2、采用低溫冷卻水降低工作液溫度 對(duì)于凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用冷卻塔循環(huán)冷卻方式的電廠，夏季高溫季節(jié)電廠的工業(yè)水溫度往往較開式水溫度低

14、，其他季節(jié)需根據(jù)具體情況確定，建議真空泵工作液冷卻水加裝工業(yè)水管路，根據(jù)水溫情況對(duì)供水方式開展調(diào)整。對(duì)于凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用江河、湖泊直流供水冷卻方式的電廠，工業(yè)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(jù)季節(jié)不同、水溫差異來調(diào)整工作液冷卻水供水方式。 對(duì)于有條件的電廠，可以用中央集中空調(diào)冷凍水來冷卻工作液，在高溫季節(jié)能起到較好的冷卻效果。對(duì)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)的根底上加裝新供水管路，根據(jù)水溫對(duì)供水方式開展調(diào)整。新增低溫冷卻水回水可根據(jù)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

15、路上應(yīng)加裝閥門和溫度測(cè)點(diǎn)，根據(jù)水溫情況對(duì)供水方式開展調(diào)整。工作液管路也應(yīng)加裝溫度測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)工作液溫度及換熱器換熱性能(主要是換熱端差)的監(jiān)測(cè)。 3.3、采用制冷設(shè)備降低工作液溫度 采用制冷設(shè)備對(duì)工作液開展強(qiáng)制冷卻。夏季高溫季節(jié)強(qiáng)制冷卻設(shè)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(chǎng)上投運(yùn)的空泵工作液強(qiáng)制冷卻設(shè)備還缺少對(duì)工作液溫度的合理控制，經(jīng)常出現(xiàn)降溫不夠或降溫過大的不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。另外強(qiáng)制冷卻設(shè)備投資較大，對(duì)制冷設(shè)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(huán)真空泵的進(jìn)口管道上的一個(gè)前置大氣噴射器，大氣噴射器由噴嘴、吸氣室和擴(kuò)壓器組成(見

16、圖1)，其排氣口與真空泵進(jìn)氣口相連，它的一端開口朝向大氣，通過噴嘴利用真空泵負(fù)壓與大氣壓形成壓差而產(chǎn)生的空氣射流，在吸氣室內(nèi)獲得比凝汽器更低的抽吸壓力；兩股氣流混合后流經(jīng)擴(kuò)壓器，壓力不斷升高，一直到達(dá)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(duì)凝汽器抽吸壓力的同時(shí)，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大氣噴射器構(gòu)造圖 在原水環(huán)真空泵抽空氣管路上加裝大氣噴射器，對(duì)根底等重要部件不需改動(dòng)，僅是在進(jìn)氣管路上并聯(lián)一臺(tái)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(dāng)噴射器撤出時(shí)，就僅相當(dāng)于水環(huán)真空泵單獨(dú)運(yùn)行，因此這樣的泵組構(gòu)造具有很大的適應(yīng)性。機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以撤出噴射器，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)投入噴射器。加裝大氣噴射器主要包括噴射器組件、噴射關(guān)斷閥和旁通閥等，由于其不含任何運(yùn)動(dòng)部件，因此具有較高的可靠性。 4、結(jié)語 雙背壓凝汽器的低壓凝汽器，相對(duì)高壓凝汽器及單背壓凝汽器，所對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕、出力缺陷問題，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(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性。 增加真空泵汽