摘要：电厂凝汽器水环式真空泵振动较大，且泵的气蚀造成过叶片断裂、壳体破裂等现象，长期运行时噪音巨大。为了改善机组运行状态下的机组真空及真空泵的运行工况，达到节能减排的目的，对真空泵入口加装大气喷射器的改造进行了技术分析。
关键词：水环式真空泵；大气喷射器；极限真空；汽蚀；使用寿命
1 概述
真空泵的主要作用：a.在机组启动和运行过程中，使凝汽器建立和维持一定的真空度；b.将凝汽器汽侧不溶于凝结水的气体不断排出。
水环真空泵，其在电厂工作原理本身就存在较苛刻的工作条件。首先是叶轮及叶片的铸造工艺难以满足要求，造成叶片夹渣、内部金属晶体粗化等问题，导致叶片的机械性能降低；其次是其工作环境为高真空（极限真空3.3KPa），长期作用下叶片汽蚀情况严重；再次为其叶片直径较长，在高压差（约97KPa）情况下长期工作，其叶片在交变应力作用下会产生扭曲、变形直至断裂，导致泵壳鼓包、破裂。其噪音巨大也是一结构性弊端。电厂就曾因为以上原因造成过叶片断裂、壳体鼓包、壳体破裂等设备事故，且长期运行时噪音巨大。
2 水环真空泵结构及工作原理
2.1 水环真空泵内部结构
水环式真空泵均为单级单作用水环泵结构，叶轮两侧同时吸、排气。叶轮偏心地置于由侧盖和泵体组成的腔室中，叶轮叶片是前弯式的。轴的两端分别由装在轴承架内的滚动止推轴承支承。轴的一端用刚性联轴器与电动机连接。轴封装置为填料轴封，在轴与填料接触部位装有轴套，以防止泵轴腐蚀和磨损。
2.2 水环式真空泵工作原理
在泵体中装有适量的水作为工作液。叶轮被偏心的安装在泵体中，当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。
2.3水环式真空泵组液体流程
液体流程：工作液从入口流经补水电磁阀或旁通管路流入汽水分离器中后，经液流管道进入板式换热器中冷却，冷却后的水被送到真空泵内形成水环，部分水经喷射管送到气体进口进入泵中，泵在运转过程中随气体进出带走部分工作液，从排气管排至汽水分离器中，再经板式换热器冷却后送入泵内，如此形成一个封闭的循环系统。
3 问题分析与解决
3.1工作曲线分析
下图是某电厂单级水环式真空泵抽气量与吸入压力、功耗的关系曲线。泵部铭牌：2BW4 353-OEK4，制造商：湖北同方高科泵业公司，投产日期：2009年10月、汽量：4385立米/H、极限真空：3.3Kpa、转速：490 rpm、配套功率：110 KW。
图 水环真空泵抽气量与吸入压力、功耗的关系曲线
该水环真空泵性能曲线，基本上可以分为2个区段，其中A-A0段称为稳定段（或工作段）。该区段反映出的水环泵性能是：在保持稳定的吸气量时，逐步提高机组凝汽器及其系统的真空。
真空泵吸入压力为3-8KPa时，在图中可以看出，此段区间抽气量变化范围很大，真空容易波动，而功率消耗变化则不大。而技术改造则是希望能将真空泵入口压力提升至10-13KPa（图中A-A0段），使其工作在稳定段，保持稳定吸气量及真空，并能减轻泵内汽蚀情况。此时真空泵压缩比由30：1降至10：1左右，可以提高真空泵的极限真空。
3.2 大气喷射器工作原理及与真空泵配合可行性
大气喷射器以大气作为工作气体，通过喷嘴产生高速，使喷嘴后的压力降到3-4KPa。将凝汽器及其系统中的气体抽出并与工作气体相混合，经扩散管压缩至10-13KPa，水环泵入口压力升高，泵的工作区间也移至性能稳定段。
大气喷射器工作原理：在水环真空泵吸入口前串联一个大气喷射器，形成增压水环真空泵。使用增压式水环真空泵其目的是扩展压力范围，提高极限真空以取得更为有利的经济运行方式。
为了克服水环泵技术性能上的缺陷，实施技术改造，即在水环泵前加装大气喷射器，组成一套技术性能完善的抽气设备。这种抽气设备能适应机组的启动和运行工况，可说是一套高效率的抽气设备并且能有效地改善水环泵的汽蚀性能、降低运行振动和噪音、延长使用寿命和提高可靠性。
3.3 技改实施方案
具体做法是：1、把喷射器三通管后的气动蝶阀换成了逆止阀，把真空泵气动碟阀前移，控制部分也做了相应调整。2、在汽水分离器顶加装了一台手动闸阀，这种改进，使大气喷射器的投退及控制更加简单、可靠，而且又节约了成本，使整个系统简单化，实现了安全经济双丰收。
3.4 加装大气喷射器技改的效益分析
3.4.1加装大气喷射器后，根据实际监测，在工作液温度27.6℃时，水环真空泵极限真空从-97.0 KPa提高到 -99.5 KPa，提高了2.5 KPa；在工作液温度30℃时，真空泵极限真空从-96.5 KPa提高到 -99.5 KPa，提高了3 KPa。真空泵极限真空提高程度，随其工作液温度升高越为明显；极限真空的提高，可显著降低泵体及叶轮遭受汽蚀的可能。
3.4.2以加装大气喷射器技术改造后，夏季提高机组真空0.3kPa计算。按1kPa真空影响发电煤耗约2.5 g/（kw.h）~3.3 g/（kw.h）（西安热工研究院统计数据）计算，每100MW功率，按机组年夏季运行小时3000小时（125天），标煤单价按每吨800元计算，一年由于真空提高而带来的经济效益：对于300MW机组，每年由于真空提高带来的经济效益在60万元以上。
3.4.3技术改造后延长叶轮检修和更换的间隔时间，由此可节省部分检修费用。
3.4.4此效益还不包括改善冷却水温对于改善真空泵性能的提高带来的经济效益。
3.4.5技术改造后，真空泵运行振动和噪音减小，劳动环境和条件得到明显改善。
4 结论
随着真空泵工作液温度上升，真空泵性能随之下降，机组真空也不断降低。而加装大气喷射器后，机组真空得到一定程度的提高，并且不再受真空泵工作液温度变化的影响。工作液温度越高，加装喷射器后提高机组运行真空越明显。大气喷射器的投运，使真空泵极限真空度得到提高，有效保护了泵壳及转子免受汽蚀的危害，同时降低了设备运行的振动和噪音，提高了设备的使用寿命。该技术改造项目值得推广。
参考文献：
[1] G6.6-0.78（8）型汽轮机说明书.东方汽轮机厂.2002
[2] 阜阳华润电力集控培训教材.2006
[3] 汽轮机本体检修.中国电力出版社.潘怀德.2008
作者简介：
牛化开（1989年），男，阜阳华润电力有限公司发电部，大学本科，助理工程师，主要负责火力发电厂汽轮机及其附属设备的运行调整工作。
论文作者:牛化开
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
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