摘要：为了提高蒸汽在汽轮机内做功的能力，提高蒸汽初参数和降低汽轮机的终端参数是行之有效的手段。水环真空泵在汽轮机真空系统中具有不可替代的作用。在汽轮机组启动前，水环真空泵能够抽吸凝汽器及汽輪机汽侧的空气，使汽轮机处于低真空状态，以利于锅炉疏水的流动。在汽轮机运行时，水环真空泵主要作用是抽吸并排出凝汽器内的不凝结气体，使水蒸气能够在凝汽器内无阻碍均匀换热，形成凝汽器真空。提高真空泵的效率能够使汽轮机凝汽器压力维持在较低的水平，有利于提高汽轮机效率。
关键词：火力发电厂；水环真空泵；问题；优化改造
1水环真空泵的工作原理
水环式真空泵叶轮在泵壳内偏心安装，当叶轮旋转时工作液被甩到四周，在泵壳内壁与叶轮之间形成一个旋转的液环，在叶轮轮毂与液环之间形成一个个月牙形的工作腔室，叶轮叶片又将空腔分隔成若干个互不连通、容积不等的封闭小室。随着叶轮的旋转，右边的腔室容积由小变大，凝汽器内的空气与水蒸气的混合气体从吸气口吸入空腔中，同时左边腔室的容积沿旋转方向逐渐减小，气体被压缩后从排气管排出。由于水环真空泵是以水作为工作介质，而水在温度高于对应汽压下的饱和温度时必然会气化，排挤吸入的空气量，使真空泵效率下降。因此防止水环真空泵工作液（水）温度升高，是提高水环真空泵运行效率的关键。
2水环真空泵存在的问题及原因
2.1耗电率偏高
国内汽轮机组配置的单级水环真空泵运行电流约为190~220A,双级水环真空泵运行电流约为140~180A,耗电率均偏高,其主要原因是选型偏大和真空泵效率低。
火力发电厂基建期进行水环真空泵选型时,主要考虑机组启动时快速建立真空需要以及应对运行中真空严密性恶化工况,其抽吸能力设计较高。在正常运行中,机组凝汽器真空是依靠蒸汽凝结成水、体积大大缩小建立的。在真空严密性合格的情况下,凝汽器漏入空气量较少,较低的抽吸能力即能满足需要。因此,将建立真空的真空泵用于正常运行中维持真空是不合适的,耗电率必然偏高。
水环真空泵效率
式中:η为水环真空泵效率;ηιs为等温压缩效率;ηω为叶轮搅动液体流动效率;ηm为机械效率。
水环真空泵自身的特性决定了效率较低,一般在30%~50%,导致真空泵耗电率高。
2.2易导致凝汽器真空降低
真空泵极限真空和抽吸能力受制于工作水温,真空泵出口工作水温升高,极限真空和抽吸能力降低。系统运行中需保证冷凝器压力大于真空泵抽吸压力,这样才可抽走其中不凝结气体,要求运行状态下工作液的温度应控制在饱和温度内,避免出现真空恶化甚至气蚀损坏的问题。
当真空泵工作水流量较低或冷却器冷却效果降低时,均会导致真空泵出口工作水温偏高。
2.3易发生气蚀损坏
当水环真空泵出口工作水温度对应的饱和压力低于其吸入口压力时,真空泵内的工作水发生汽化。一般情况下,水温与真空升高时系统内的水会因过热产生一定的气泡,形成气泡的过程或气泡发生破裂的情况下,便对叶轮许多部位如叶根或叶顶等进行侵蚀,通常真空泵整体发生振动的情况下可判定气蚀情况比较严重。特别是在气泡破裂过程中,所产生的冲击力会超出叶轮能够承受的冲击力许多,既使设备难以安全运行,也使叶轮的寿命逐渐缩短。
双级水环真空泵第1级叶轮不会发生气蚀,但第2级叶轮不能避免气蚀。
3常规改造方案
3.1增加1台小型真空泵
增加1台小型水环真空泵后,运行电流能降低40~80A,约能降低真空泵耗电率20%左右。
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此改造方案中真空泵的气蚀问题,以及极限真空、抽吸能力受制于工作水温的问题没有解决。
3.2相邻机组凝汽器抽空气管道加装联络门
改造后,在冬季凝汽器真空较高时开启联络门,用1台真空泵抽2台机组的空气,能降低真空泵功耗50%。
此方案改造后只能在冬季使用,对真空严密性不合格的机组不适用,而且造成机组运行安全性降低。
3.3降低真空泵入口工作水温度
通过加装溴化锂强制冷却装置提供低温工作水。该方案能解决真空泵气蚀问题,提高极限真空和抽吸能力。
该方案只能在气温较高的季节使用(溴化锂入口冷却水温必须>20℃,否则溴化锂将结霜而不能工作),而且需要驱动热源(蒸汽或高温水)、冷热循环水泵,系统总能耗大大增加。经测算,该装置运行时驱动热源折合发电功率损失在500kW以上。另外,溴化锂强制冷却装置投资较大,运行维护成本较高。
4两种新型真空泵系统改造方案
4.1两种抽真空系统的优、缺点
优点:耗电率比水环真空泵低70%~80%;极限真空高,在特定工况下能提高机组凝汽器真空;极限真空和抽吸能力不受工作水温度的制约,能彻底解决水环真空泵的气蚀问题;维护成本低。
缺点:两种抽真空系统不能用于机组启动拉真空,以及运行中真空严密性严重恶化工况。
4.2节电及防止气蚀原理
两种系统均是基于维持凝汽器真空目的设计,系统效率较高。蒸汽喷射系统用蒸汽喷射器替代了一部分真空泵功能,高效真空泵系统中罗茨泵效率较高、功率低,因此,两种系统的耗电率比原配置水环真空泵低。两种系统分别通过蒸汽喷射器和罗茨泵将抽取的气体升压,小容量水环真空泵入口压力提高,高于其出口工作水温对应的饱和压力,因此,配置的小容量水环真空泵不易发生气蚀。
4.3提高部分机组凝汽器真空的原理
正常运行中凝汽器各部位的压力是不同的,空气冷却区压力最低。空气冷却区出口汽气混合物温度比凝汽器入口平均压力对应的饱和温度低4.16℃,或为平均压力对应饱和温度与冷却水入口温度差的25%。真空泵入口压力对应的饱和温度=凝汽器入口水温+循环水温升+凝汽器端差-4.16℃-空气管道阻力对应的饱和温度。真空泵极限真空对应的工作水温=凝汽器入口水温+真空泵冷却器换热温差+工作水温升。从上述公式可以看出,当真空泵冷却器冷却水流量低造成出口工作水温过高、或机组低负荷时凝汽器端差及循环水温升降低时,会造成真空泵出口工作水温高于真空泵入口压力对应的饱和温度,抽吸压力高于入口压力,导致真空泵停止抽空气,凝汽器内空气集聚,真空下降。对于配置高、低背压凝汽器的机组,由于低背压凝汽器循环水温升低,水环真空泵极限真空始终不能满足工作需要。
两种新型真空泵系统分别串联了蒸汽喷射器和罗茨泵,系统的极限真空大大提高(<1.0kPa),在任何工况下均能满足系统极限真空要求。运行实践证明,两种系统在特定工况下能提高凝汽器真空0.2~1.0kPa。
结论
目前,国内机组在进行真空泵改造或基建阶段选型时,已经从单纯追求真空泵安全性、极限真空和抽吸能力等指标,转为在兼顾以上指标的基础上降低真空泵能耗。本文分析了国内火电厂主流配置的水环真空泵存在的各种问题,并对各种解决方案进行了剖析,得出了采用高效真空泵系统是最合理改造方案的结论。进行高效真空泵改造时,应合理选择罗茨泵压缩比以及抽吸能力。一方面能彻底避免小容量水环真空泵气蚀,另一方面能够适应机组真空严密性较差的工况。
参考文献
[1]罗思球.水环真空泵机组在凝汽器抽真空的应用及介绍[J].通用机械,2017(2):28-31.
[2]徐法俭,雷春栋,刘宝新,等.水环真空泵能效评价方法研究[J].真空科学与技术学报,2017,31(4):449-452.
论文作者:赵小雨
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年9月上
论文发表时间:2019/5/9
标签：真空泵论文; 凝汽器论文; 真空论文; 水温论文; 气蚀论文; 水环真空泵论文; 叶轮论文; 《新材料.新装饰》2018年9月上论文;