某電廠真空泵汽蝕異響原因分析及處理方法

溫文忠

(深圳南山熱電股份有限公司，廣東 深圳 518052)

汽輪機(jī)凝汽器真空度是電廠運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，真空度降低將導(dǎo)致機(jī)組的熱耗升高、發(fā)電量降低。水環(huán)真空泵是凝汽器抽真空系統(tǒng)的主要設(shè)備，大型發(fā)電廠幾乎均采用水環(huán)真空泵建立并維持凝汽器真空，水環(huán)真空泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)某電廠調(diào)試期間出現(xiàn)的水環(huán)真空泵不良振動(dòng)和異響現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)分析，詳細(xì)介紹了解決措施，通過增設(shè)回流管路及相關(guān)閥門，有效消除了水環(huán)真空泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的氣蝕，保障了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也希望能為其他機(jī)組出現(xiàn)的類似問題提供一定的借鑒。

1 故障現(xiàn)象

凝汽器是熱電廠生產(chǎn)過程中汽水系統(tǒng)的一部分，它可以將汽輪機(jī)排汽冷凝成水，并在汽輪機(jī)排汽處建立真空和維持真空。電廠機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)凝汽器必須要維持真空狀態(tài)，凝汽器真空開始建立是由真空泵啟動(dòng)后不斷抽吸凝汽器和汽缸內(nèi)氣體，并排到大氣，在機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)靠冷卻水不斷冷卻汽輪機(jī)絕大多數(shù)排汽形成真空，此時(shí)凝汽器內(nèi)不凝結(jié)的氣體靠真空泵抽出，真空泵起到維持真空的作用。

某國外聯(lián)合循環(huán)電廠總裝機(jī)容量為230 MW，采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)，配置有兩臺(tái)6F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)雙壓余熱鍋爐及一臺(tái)純凝濕冷汽輪發(fā)電機(jī)組。其凝汽器真空系統(tǒng)配套了2臺(tái)水環(huán)式真空泵，其中一臺(tái)備用，在啟動(dòng)及凝汽器性能惡化時(shí)也可以兩臺(tái)同時(shí)投入運(yùn)行。該真空泵工作液由工業(yè)閉式冷卻水進(jìn)行冷卻。凝汽器真空系統(tǒng)正常投運(yùn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)真空泵AB運(yùn)行時(shí)汽蝕異音較大，用測(cè)振儀在泵體上測(cè)得最大振動(dòng)值達(dá)到7.2 mm/s，真空泵入口氣動(dòng)閥后壓力為-95 kPa,泵運(yùn)行時(shí)電流較穩(wěn)定。現(xiàn)場(chǎng)海拔高度295～298 m，大氣壓在97～98 kPa左右，凝汽器真空監(jiān)測(cè)變送器顯示壓力為-95.7 kPa，真空泵工作水的溫度為13～14 ℃。具體數(shù)據(jù)見表1真空泵AB改造前運(yùn)行參數(shù)。

表1 真空泵AB改造前運(yùn)行參數(shù)

2 技術(shù)分析

2.1 水環(huán)真空泵工作原理

在泵體中裝有適量的水作為工作液，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力的作用泵內(nèi)形成一個(gè)決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)，水環(huán)的上部分內(nèi)表面與葉輪輪轂相切，水環(huán)的下部?jī)?nèi)表面與葉片頂端接觸(實(shí)際上葉片在水環(huán)內(nèi)有一定的插入深度)。由于葉輪是偏心的，葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個(gè)月牙形空間，這一空間被葉片分成若干個(gè)小腔。水環(huán)相對(duì)于葉片作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使相鄰2個(gè)葉片之間的空間容積呈周期性變化。此空間容積由小變大時(shí),氣體從外界吸入，容積由大變小時(shí),原來吸入的氣體受到壓縮，當(dāng)壓力達(dá)到略高于大氣壓時(shí),氣體由水中分離出來排到分離器，分離出的水經(jīng)冷卻器冷卻后，靠真空泵的自吸能力從泵殼的下部進(jìn)入泵內(nèi)[1]。

2.2 凝汽器真空系統(tǒng)工藝流程

如圖1水環(huán)真空泵流程圖所示，該電廠設(shè)備的真空系統(tǒng)主要由真空泵、汽水分離器、熱交換器、電機(jī)、附屬的設(shè)備以及相匹配的管道和閥門組成，它的使用是由系統(tǒng)的各個(gè)部分設(shè)備共同運(yùn)作實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)設(shè)備正常后開始投入運(yùn)行，當(dāng)真空泵壓力比凝汽器壓力低2～3 kPa時(shí)，入口壓差開關(guān)動(dòng)作，抽氣管路入口氣動(dòng)控制蝶閥處于打開狀態(tài)，這時(shí)，干氣體和水蒸氣經(jīng)過進(jìn)氣管進(jìn)入真空泵中，壓縮后再由排氣管排至汽水分離器中。氣汽混合物進(jìn)入汽水分離器后，不溶于水的氣體和一些蒸汽直接從頂端排入大氣，通過除鹽水補(bǔ)給管路進(jìn)行補(bǔ)充損耗的水量。汽水分離器出來的工作水經(jīng)過板式熱交換器冷卻后分為兩路：其中一路經(jīng)節(jié)流孔板噴入水環(huán)真空泵入口，對(duì)從凝汽器抽出的氣汽混合物進(jìn)行預(yù)冷卻，提高真空泵的出力；而另一路直接進(jìn)入真空泵作為工作水，維持真空泵的水環(huán)和水環(huán)的溫度[2]。

圖1 水環(huán)真空泵流程圖

2.3 原因分析

該電廠海拔高度295～298 m，常年大氣壓在97～98 kPa左右。故障發(fā)生時(shí)，當(dāng)日環(huán)境溫度為15 ℃，大氣壓力為97 kPa，真空泵工作水的溫度為13～14 ℃。按照工作水溫為13 ℃，對(duì)應(yīng)的絕對(duì)飽和壓力為1.5 kPa，對(duì)應(yīng)相對(duì)飽和壓力為-95.5 kPa，真空泵入口壓力為凝汽器壓力-95.7 kPa，因而容易造成水環(huán)真空泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中局部區(qū)域工作水的絕對(duì)壓力減低到當(dāng)時(shí)溫度下的工作水飽和壓力，工作水便在該處開始?xì)饣?，產(chǎn)生大量蒸汽形成氣泡。當(dāng)含有大量氣泡的液體向前經(jīng)葉輪內(nèi)的高壓區(qū)時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急劇地縮小以致破裂，產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，從而發(fā)生振動(dòng)和異音。另外，按照水環(huán)真空泵工作原理即冷卻水溫度較低時(shí)，冷凝效果加強(qiáng)，系統(tǒng)來氣量小，而真空泵工作液溫度越低，泵抽吸性能越好，這樣就容易造成了系統(tǒng)高真空[3]。當(dāng)真空泵內(nèi)達(dá)到極限真空度的時(shí)候，也就是泵內(nèi)的工作液在此溫度下的飽和蒸氣壓力的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生無數(shù)的小氣泡，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，氣泡隨著葉輪從低壓區(qū)流到高壓區(qū)時(shí)，氣泡從水中溢出破裂，這也是造成汽蝕原因之一。

在真空泵運(yùn)行過程中，產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂會(huì)使通流部件遭受到破壞的。嚴(yán)重會(huì)造成金屬表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，甚至?xí)霈F(xiàn)蜂窩狀損壞。如果真空泵葉輪在汽蝕部位有較大的殘余應(yīng)力，還會(huì)引起應(yīng)力釋放從而產(chǎn)生裂紋，影響設(shè)備安全高效運(yùn)行。

3 改造方法

在真空泵汽蝕過程中產(chǎn)生的氣泡在壓縮中破裂，擬從外部引入壓力較高的不凝氣體及時(shí)補(bǔ)充因氣泡破裂而出現(xiàn)的空間，這樣可以大大減輕汽蝕對(duì)泵的損壞及降低汽蝕引起的噪聲和振動(dòng)。在泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象時(shí)，從泵體排氣側(cè)氣液分離罐頂回流一部分氣體到泵的進(jìn)口，適當(dāng)降低泵進(jìn)口的真空度，從而使得真空泵內(nèi)達(dá)不到工作液的汽化壓力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備管路圖，在氣液分離罐頂部蓋板處與泵進(jìn)氣三通管路壓力表閥之間加裝一條管徑為DN15的回流管路并配上閥門。在真空泵進(jìn)口處的壓力表座位置安裝一個(gè)三通管接頭，上端裝壓力表閥，側(cè)孔與回流管路相連。真空泵啟泵前關(guān)閉回流管路閥門，只在系統(tǒng)達(dá)到高真空出現(xiàn)汽蝕異音時(shí)適度打開閥門。詳細(xì)位置參照?qǐng)D2改造管道布置圖及圖3改造后現(xiàn)場(chǎng)布置圖。

圖2 改造管道布置圖

圖3 改造后現(xiàn)場(chǎng)布置圖

4 改造效果

為了檢驗(yàn)改造后結(jié)果，在汽輪機(jī)滿載的情況下，分別對(duì)真空泵AB 進(jìn)行了該段回流管投入試驗(yàn)。試驗(yàn)前該段回流管的閥門V1 關(guān)閉狀態(tài)，然后緩慢調(diào)節(jié)其開度分別測(cè)量泵體振動(dòng)值，判別汽蝕的聲音。隨著閥門開度增加，泵汽蝕聲音逐漸變小，電機(jī)電流緩慢變大，真空泵的進(jìn)氣閥前壓力P1及凝汽器壓力基本維持不變，泵體最大振動(dòng)值緩慢變小直至合格范圍之內(nèi)。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表2 真空泵AB改造后運(yùn)行參數(shù)。

表2 真空泵AB改造后運(yùn)行參數(shù)

5 應(yīng)用意義

在水環(huán)真空泵的出口至入口增加的回流管進(jìn)行補(bǔ)氣，并通過回流管閥門V1適度開度，可以避免泵組本身設(shè)計(jì)防汽蝕管線能力不足的問題。在維持凝汽器高真空度的情況下有效地避免了泵內(nèi)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，大大提高了真空泵和汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。