摘要：水环式真空泵实际运行性能受工作水温度影响很大，三门核电真空泵冷却水温度随季节也有很大变化。所以本文对三门核电真空泵的实际运行工况进行分析计算，评估其实际工作性能，并根据分析结果对运行方式进行优化，且在性能改进方面提出建议。
关键词：水环式真空泵 运行方式优化 改进建议
1.概述
机组正常运行时，真空泵抽走凝汽器中的不凝性气体，以维持凝汽器一定的真空度。对于大型机组而言，凝汽器真空度的变化对机组的热效率和经济效益有很大的影响。分析真空泵的工作特性，对于维持凝汽器真空度显得非常有必要。
2.水环式真空泵介绍
现在大容量的凝汽式热力机组大都选择的是水环式真空泵，这种泵的工作液是水，很适合抽取带有水蒸汽的气体。其特点是效率较高，容量很大，抽真空原理与射流式抽气器不同，属于离心式机械泵，普通的电机即可带载，三门核电选用的也是这种水环式真空泵。
图1 水环式真空泵原理图
2.1水环式真空泵的工作原理
水环式真空泵的工作原理可用图1来具体说明。当径向式叶轮在部分充水的壳体中运转时，由于受离心力的作用，水被甩向四周，如图1（b）所示，形成同心的水环，该水环被6片叶片等分成6个小水室，因此，小水室中的气体不会被扩展或压缩。然而，当叶轮装成如图1（c）所示的偏心位置后，叶片小室1～3的容积是逐渐扩大的，这就产生了从连接点C开始，经吸入段S的吸气过程；另一方面，叶片小室4～6的容积则随着叶轮的转动而逐渐缩小，这就构成了气体通过压出段D的排气过程。水环式真空泵就是靠这种叶片小室容积的变化来吸气和排气的。
从真空泵的工作原理上可以看出，水在偏心轮的作用下形成的水环对压缩气体起到了非常重要的作用。真空泵工作时，一部分工作水与被压缩气体一起排出，在气水分离器中经分离后气体排出，工作水经冷却后再补充至真空泵中，以保持稳定的水环厚度和温度。水环除了“液体活塞”作用外，还起到散热作用（对压缩过程），吸收蒸汽凝结潜热。真空泵的工作液可以是水，也可以是油，理论上讲可以是任何液体。
2.2工作水温度影响
（1）抽气性能影响：在水环式真空泵的运行过程中，当水温升高时，工作水开始蒸发；当温度升高至接近泵入口吸气压力下的饱和温度时，工作水开始大量汽化，使泵壅塞，吸气能力急剧下降；导致凝汽器内不凝结气体不能被有效抽出，凝汽器背压上升，机组出力下降。因此，水环式真空泵在运行时，为保持其抽吸能力，其工作水必须保持一定的过冷度。从原理上讲，水环式真空泵所能达到的最高真空就是其工作水温对应的饱和压力。
但在真空泵运行时，从凝汽器中抽出的气体中含有大量水蒸汽，它放出的汽化潜热会使工作水的温度迅速升高；同时工作水由于受到压缩、摩擦等作用，也会使温度升高。所以，必须采取相应的冷却措施来降低工作水温度。三门核电水环式真空泵的工作水补水来自除盐水，通过板式的水－水热交换器被TCS水冷却。所以，真空泵的性能在很大程度上取决于TCS水的温度。
（2）汽蚀影响：当工作水温升高至吸气压力下的饱和温度时，除吸气能力急剧下降外，还会对泵形成汽蚀危害。从上述真空泵工作原理可知，当真空泵抽吸压力小于或等于工作水温度所对应的饱和压力时，工作水在真空泵的入口低压区开始汽化，产生气泡，气泡随着泵的旋转被压缩，运动至泵出口高压区时气泡瞬间破灭，产生强大的压力波冲击，对真空泵的叶片及泵壳内表面形成机械损坏，对真空泵的安全运行造成威胁。
3.水环式真空泵运行工况分析
从以上分析可以看出真空泵工作水温对真空泵的运行起着非常重要的作用。根据三门核电实际系统配置情况，分析工作水温对真空泵组运行的影响。
设真空泵工作水的冷却水进口温度为t1；真空泵热交换器换热端差 （即热交换器工作水出口温度与冷却水进口温度差值）；在真空泵运行过程中，工作水由于受到压缩、摩擦等作用，同时还吸收了所抽吸气体携带进来的凝结潜热，使温度升高 ，则工作水在真空泵中的温度为：
公式1
三门核电一期工程真空泵的冷却水来自TCS水，在夏季海水温度较高的不利工况下，TCS母管水温可达t1=38℃（原设计水温为35℃）；真空泵热交换器设计的换热端差 =3℃；工作水在泵运行中温升设计值为 =5.15℃；故最不利工况下，真空泵工作水温可达：
真空泵吸气能力随工作水温下降而升高。夏季过后，工作水温随TCS水温开始下降，下降至某一个定值时，一台真空泵的吸气能力就能满足需要，这时就可以停运一台真空泵。通过上式可以计算出真空泵实际工作条件下的吸气容量，再结合凝汽器实际泄漏率比较，就可以计算出此定值。
4.2凝汽器泄漏率
由于空气体积在不同压力下相差很大，所以凝汽器泄漏率一般以质量单位表示。为便于跟真空泵吸气能力比较，要将其转换成真空泵吸气工况下的体积流量。
正常功率运行时，抽真空系统运转在保持模式下，即真空泵与喷射器联合运行模式。三门核电喷射器选型为K-577型，即驱动空气流量为577Kg/h；假设凝汽器的实际空气泄漏率为M，要保持凝汽器真空，泄漏的空气量要全部被真空泵吸走，加上喷射器驱动空气流量，所需真空泵的总吸气流量为：
Pw为工作水温下的饱和压力，查出对应饱和温度tw。当真空泵中的工作水温低于此tw值时，吸气能力大于漏气量。真空泵组热交换器出口装有温度计，实际应用中可以监视此温度值，当热交换器出口水温降至（tw -5.15）以下时可酌情停运一台真空泵（其中：5.15℃为真空泵中的温升）。根据上式可以计算出，在凝汽器设计泄漏率下，（tw-5.15）=34℃。
5.改进方向分析
从以上计算可以看出，降低真空泵工作水温对提高真空泵性能的效果非常明显。有些电厂直接采用海水冷却；有些电厂采用中央冷冻水进行冷却。改进效果一般从提高抽真空泵抽气能力、增加能耗、机组效率方面进行评价。三门核电真空泵组设计上增加了前置喷射器，尽管工作水温会影响真空泵的抽气能力，但不会影响真空泵组所能达到的极限真空；所以改进方向上只需要尽可能提高单泵的实际吸气能力，以优化运行方式，提高效益。改进效果在提高抽气能力和成本方面进行评价。
（1）直接采用海水冷却：根据三门核电实际情况，TCS热交换器与真空泵组位置距离较近，直接分接管线为真空泵热交换器提供海水冷却，只需增加相应的管道设备，改进成本较小。节省了TCS热交换器的端差损失，至少可以降低真空泵工作水温2—3℃；相对于夏季TCS水温最高工况，可提高真空泵抽气能力约25%。缺点是海水具有一定的腐蚀性，但目前工业上采用的板式热交换器换热板都是不锈钢，密封性能很好；且三门核电真空泵的工作水与二回路水是分开的，不存在海水进入二回路的可能。
（2）直接采用中央冷冻水冷却：三门核电冷冻水供水母管温度为4.4℃，远低于TCS水冷却下的真空泵工作水温，冷却效果会非常好，但需长距离输送冷冻水，同时会增加制冷能耗。采用冷冻水冷却能耗分析：一台真空泵组总的热负荷为728762KJ/h，折算202.4KW；一般工业冷水制冷系数为3，根据 ，需要增加制冷能耗约70KW，而一台真空泵的能耗为131KW；考虑第二台真空泵停运的节能效果与付出的制冷能耗比较，效果不大且设备投资较高。
（3）采用中央冷冻水和TCS水串级冷却：优点是真空泵的热量由TCS水和VWS水共同承担，减少VWS水的热负荷，降低制冷能耗；但由于串联了一个热交换器，回路的流动阻力变化，三门核电真空泵组的工作水是靠自吸的，故需要添加动力泵和节流件来调节回路的流量，改动较大，设备投资较高。
6.结论
（1）三门核电TCS母管设计水温由35℃变动至38℃后，在凝汽器泄漏量不增大的情况下，两台真空泵的容量够用，能够维持住所需真空。
（2）夏季不利工况时，三门核电两台真空泵运行维持凝汽器真空。夏季过后环境温度开始降低，根据以上计算模型，在设计泄漏率情况下，当真空泵热交换器出口温度降至34℃以下时可酌情停运一台真空泵，以优化运行方式，提高经济性。也可以根据实际泄漏率计算优化点。
（3）改进方向：从以上计算可以看出，降低真空泵工作水温对提高真空泵性能的效果非常明显。结合三门核电实际情况，可以考虑在二期工程时实施改进，综合评价直接用海水冷却方式最好。
参考文献:
[1]SMG-MS18-Z0C-GD001汽侧真空泵计算书_ R3
[2]SMG-MS18-V7-GD001_三门核电一期工程汽侧泵性能曲线_R1
[3]章建叶，《凝汽器水环式真空泵的原理与运行》
[4]马磊，崔芙红，《水环式真空泵的工作原理及影响因素分析》
[5]张伟，周文民，《水环真空泵辅助冷却设备改造》
论文作者:周宏成
论文发表刊物:《防护工程》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/31
标签：真空泵论文; 凝汽器论文; 水温论文; 工作论文; 热交换器论文; 核电论文; 温度论文; 《防护工程》2018年第2期论文;