真空泵工作效率的問(wèn)題探討與解決方案研究

接來(lái)春

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314300）

不凝氣體的存在會(huì)阻礙凝汽器內(nèi)部蒸汽的換熱，使傳熱端差增大，凝汽器真空降低，還會(huì)增大凝結(jié)水過(guò)冷度，降低機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，需要真空泵及時(shí)將不凝氣體抽取出來(lái)，避免不凝氣體積聚。水環(huán)式真空泵性能由于工作介質(zhì)溫度高等原因，夏季高溫下，真空泵的出力會(huì)顯著下降，凝汽器真空度偏低，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性。因而，對(duì)凝汽器抽真空系統(tǒng)的研究及改進(jìn)有著重要意義[1]。

1 不凝氣體對(duì)凝汽器真空的影響

1.1 凝汽器真空建立的原理

影響凝汽器真空的因素有很多，主要有真空泵的性能、凝汽系統(tǒng)的嚴(yán)密性、凝汽器本體的換熱性能、冷卻水流量及冷卻水溫度等。

凝汽器壓力等于其內(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，凝汽器內(nèi)之所以會(huì)形成真空，是因?yàn)槠畠上喙餐嬖谟谀鲀?nèi)的蒸汽側(cè)。正常情況下，若循環(huán)冷卻水溫度較低，蒸汽凝結(jié)的溫度也就較低，例如蒸汽凝結(jié)的溫度為30℃左右，此時(shí)的飽和壓力大約就只有4Kpa～5Kpa，相較于大氣壓，明顯大大降低，這就形成了凝汽器的高度真空[2]。

絕對(duì)理想情況下，凝汽器內(nèi)無(wú)不凝氣體，凝汽器內(nèi)的壓力就等于凝結(jié)水溫度下的飽和壓力。實(shí)際上，凝汽器中的壓力總是大于這一理想壓力。實(shí)際凝汽器中的壓力可由與之相對(duì)應(yīng)的凝結(jié)溫度ts來(lái)確定。由凝汽器熱平衡及換熱條件可知，蒸汽凝結(jié)溫度為：

相應(yīng)的凝汽器壓力近似為：

式（1）中：ts—凝汽器內(nèi)凝結(jié)水溫度，℃；tw1—冷卻水的入口溫度，℃；Δt—冷卻水在凝汽器中的溫升，℃；δt—凝汽器的傳熱端差，℃；pk—凝汽器壓力，Kpa。

因此，凝汽器壓力主要受海水入口溫度tw1、凝汽器的傳熱端差δt、海水進(jìn)出口溫升Δt三方面因素影響。電站所在的環(huán)境氣候決定了海水的進(jìn)口溫度tw1。

對(duì)于開(kāi)式冷卻水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果在機(jī)組負(fù)荷與冷卻水流量不變的情況下，隨水溫的升高凝汽器的真空降低，隨水溫的下降真空升高。所以在其他條件都相同的情況下，冬季時(shí)凝汽器的真空比夏季時(shí)要高。

1.2 不凝性氣體與凝汽器真空的關(guān)系

但是實(shí)際情況是：凝汽器內(nèi)由于各種原因，如汽輪機(jī)排出的蒸汽中本身就含有不凝氣體，汽水回路水化學(xué)控制過(guò)程中分解出氣體，以及汽水回路存在極微小的漏點(diǎn)使空氣吸入等，都將導(dǎo)致凝汽器或多或少會(huì)積聚部分不凝氣體。

凝汽器內(nèi)的壓力pk應(yīng)該是不凝結(jié)氣體和蒸汽混合物分壓力的總和，因?yàn)橛胁荒Y(jié)氣體漏入凝汽器的汽側(cè)，根據(jù)道爾頓分壓定律可知，各組分的分壓力之和才是混合物的總壓力，可將凝汽器總壓力pk表示為如下：

式（3）中，ps、pa分別是凝汽器內(nèi)蒸汽壓力和不凝結(jié)氣體分壓。

盡管不凝結(jié)氣體的存在略微增加了凝汽器的壓力，但對(duì)真空的影響并不大。不凝結(jié)氣體嚴(yán)重影響蒸汽與凝汽器的冷卻水進(jìn)行換熱，才是真空度降低的最主要影響因素[4,5]。

圖1中橫坐標(biāo)是不凝結(jié)氣體在凝汽器氣空間里混合物所占的質(zhì)量百分比，縱坐標(biāo)是凝汽器空間里混合物的放熱系數(shù)αs與純蒸汽放熱系數(shù)α0之比。從圖1可看出ε越大，α越小。如果真空泵效率差，不能有效將不凝氣體盡可能多地抽出，那么不凝結(jié)氣體將會(huì)積聚在凝汽器內(nèi)，降低了凝汽器傳熱系數(shù)，凝汽器的傳熱端差也會(huì)增大，汽水循環(huán)效率變差，導(dǎo)致機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性變差。

圖1 不凝結(jié)氣體含量與放熱系數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between non-condensable gas content and heat release coefficient

2 真空泵特性分析

2.1 真空泵

在電廠中常用的抽氣裝置主要有：射汽式抽氣裝置、射水式抽氣裝置，以及水環(huán)式真空泵[3]。

本廠應(yīng)用的為二級(jí)水環(huán)式真空泵。它具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如節(jié)能效果顯著，效率高，性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，不易損壞。

2.2 水環(huán)式真空泵的抽氣特性

真空泵抽氣能力的好壞會(huì)影響漏入的空氣在凝汽器內(nèi)積聚的程度，而影響真空泵抽氣性能的因素主要有以下幾點(diǎn)：

1）工作介質(zhì)的溫度：工作介質(zhì)溫度升高會(huì)導(dǎo)致部分工作介質(zhì)汽化，會(huì)占用泵殼體積還容易產(chǎn)生汽蝕損壞泵的葉片，導(dǎo)致真空泵失效。

2）凝汽器內(nèi)氣體溫度：凝汽器內(nèi)氣體溫度越高會(huì)使真空泵工作介質(zhì)的溫度升高，降低真空泵的吸氣能力。

3）凝汽器內(nèi)的壓力：凝汽器內(nèi)的壓力升高可以增加真空泵的吸氣能力，但是壓力過(guò)高會(huì)影響凝汽器的真空，凝汽器壓力太低又容易引起真空泵工作介質(zhì)汽化[2]。

3 真空泵效率差原因分析

圖3是海水溫度、SRI溫度、凝汽器真空，及真空泵工作介質(zhì)的溫度趨勢(shì)圖，從圖3可以看出海水溫度由4月30日的21.5℃上升到7月30日的32.7℃，SRI溫度由29.29℃上升到36.56℃，工作介質(zhì)溫度由24℃上升到36.2℃，凝汽器真空由6.1Kpa上升到10.8Kpa。

圖2 真空泵吸氣量隨工作水溫的變化曲線Fig.2 Curve of the suction volume of a vacuum pump changing with the working water temperature

圖3 相關(guān)參數(shù)的趨勢(shì)變化Fig.3 Trend changes of related parameters

在趨勢(shì)變化期間，調(diào)門開(kāi)度多次超過(guò)56%，機(jī)組執(zhí)行降功率的操作見(jiàn)以下部分日志：

1）由于海水溫度上升，機(jī)組效率變差，調(diào)門開(kāi)度超過(guò)56%，于01:19開(kāi)始以1MW/min速率從670MW降功率，01:20降功率到669MW。

2）由于海水溫度上升，機(jī)組效率變差，熱功率超過(guò)1930MW，于08: 37開(kāi)始以1MW/min速率從669MW降功率到668MW。

3）由于海水溫度上升，機(jī)組效率變差，熱功率超過(guò)1930MW且調(diào)門開(kāi)度超過(guò)56%，于2018年6月28日21:07開(kāi)始以1MW/min速率從668MW降功率，21:08功率到達(dá)667MW。

雖然，凝汽器真空度下降的決定因素是海水溫度，但經(jīng)過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，夏天（冬季真空泵的工作介質(zhì)溫度足夠低）降低真空泵的工作介質(zhì)溫度，可提高真空泵工作效率，從而改善凝汽器真空度。如圖4所示，通過(guò)改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，調(diào)節(jié)真空泵的工作介質(zhì)溫度，凝汽器真空度隨工作介質(zhì)的溫度變化有明顯改變。

綜上所述，改善真空泵運(yùn)行工況，提高真空泵效率，可提高凝汽器真空度，是提高汽水循環(huán)的一個(gè)良好途徑。

4 改進(jìn)方案研究

結(jié)合機(jī)組實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、長(zhǎng)期缺陷跟蹤、同行業(yè)技術(shù)對(duì)比等，提出以下改進(jìn)建議。

4.1 定期清理過(guò)濾器雜物

經(jīng)長(zhǎng)期跟蹤總結(jié)，發(fā)現(xiàn)真空泵工作介質(zhì)回路上的過(guò)濾器約2～3個(gè)月就發(fā)生明顯的堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致工作介質(zhì)的溫度升高，真空泵工作效率變差。更換或者清洗過(guò)濾器后，真空泵的工作效率明顯提高。根據(jù)堵塞物的收集分析，密封膠殘余物和管道銹蝕物居多。

因此，建議將過(guò)濾器清洗工作形成周期預(yù)防性檢修項(xiàng)目，納入真空泵的檢修周期中（形成PM項(xiàng)），避免雜質(zhì)堵塞過(guò)濾器，導(dǎo)致影響凝汽器真空度和真空泵的停運(yùn)檢修次數(shù)增加。此外，可考慮改進(jìn)密封膠使用方法和管道設(shè)備的防腐方法。

4.2 改進(jìn)運(yùn)行操作票

真空泵的工作介質(zhì)為閉式循環(huán)水，在汽水分離器液位低時(shí)才向里面補(bǔ)充SER水。在真空泵運(yùn)行的過(guò)程中，氣體和少量水汽從排氣管線排出，長(zhǎng)此以往補(bǔ)水中所含的雜質(zhì)會(huì)逐漸濃縮，積聚在汽水分離器的底部，容易造成過(guò)濾器堵塞，因此建議：

1）在系統(tǒng)初步在線規(guī)程（S、D規(guī)程）中，增加汽水分離器沖洗操作。

2）在真空泵定期切換的PT規(guī)程中，對(duì)待啟動(dòng)的真空泵的汽水分離器進(jìn)行換水操作。

圖5 紅色加粗部分為換水管線Fig.5 The bold red part represents the replacement of the water pipe line

3）可以在分離器的合適位置設(shè)置取樣管路，定期對(duì)分離器內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)，及時(shí)了解分離器內(nèi)的水質(zhì)情況，以便采取相應(yīng)措施。

4.3 改善工作介質(zhì)與冷卻水的換熱效果

2015年提交了一個(gè)技改，由于3/4#機(jī)組SRI至CVI的冷卻水取水點(diǎn)在SEN/SRI板式熱交換器B與C之間，導(dǎo)致SEN/SRI板式熱交換器C的冷卻水無(wú)法進(jìn)入CVI系統(tǒng)，即SEN/SRI板式熱交換器C運(yùn)行、B和A反洗或備用時(shí)，CVI冷卻水溫度升高，凝汽器真空變差。

這個(gè)技改于2017年將CVI的冷卻水取水點(diǎn)從SEN/SRI板式熱交換器B與C之間，更改至SEN/SRI板式熱交換器C之后，避免了CVI冷卻水溫度升高。經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行，機(jī)組的效率不再受SEN/SRI板式熱交換器切換的影響，并且相對(duì)之前的真空更好些。

雖然上述技改對(duì)真空泵的效率有所提高，但是如進(jìn)一步降低真空泵的工作介質(zhì)的溫度，其效率仍有改善空間。相較于目前的SRI管線，可以考慮加粗相應(yīng)的管線，并在管線上增加流量調(diào)節(jié)閥。這樣可以根據(jù)季節(jié)的變化調(diào)節(jié)SRI水的流量，使凝汽器的真空不至于過(guò)高或者過(guò)低，也可以增大真空系統(tǒng)的換熱器體積，保證流過(guò)更多的SRI水來(lái)冷卻真空泵的工作介質(zhì)，從而來(lái)降低工作介質(zhì)的溫度。

4.4 引入DES冷卻水

雖然改善工作介質(zhì)與冷卻水的換熱效果能夠提高真空泵的工作效率，但由于夏季時(shí)，SRI冷卻水的溫度本身就高達(dá)35℃左右，故降低真空泵工作介質(zhì)的裕度有限。如在夏季利用DES系統(tǒng)輸出的冷凍水（12℃左右）經(jīng)過(guò)換熱器降低工作介質(zhì)溫度，則可成為提高真空泵效率的更加有效途徑。

圖6是以其中一臺(tái)水環(huán)泵為例，抽真空系統(tǒng)改造后的示意圖。在每年的5月到11月為DES投運(yùn)期間，可以將DES的冷凍水引到CVI熱交換器，進(jìn)而冷卻SRI水，降低工作介質(zhì)溫度。在此期間外，按照之前的冷卻措施，對(duì)真空泵的工作介質(zhì)直接利用SRI冷卻水進(jìn)行降溫。

圖6 抽真空系統(tǒng)改造后的示意圖Fig.6 Schematic diagram of the modified vacuum system

4.5 真空泵前增加羅茨泵

根據(jù)國(guó)內(nèi)火電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在真空泵入口增加羅茨泵組，如圖7所示，羅茨泵將抽取的氣體升壓，水環(huán)真空泵入口壓力提高，高于其工作介質(zhì)水溫對(duì)應(yīng)的飽和壓力。因此，配置的水環(huán)真空泵不易發(fā)生氣蝕并且系統(tǒng)的極限真空大大提高，在任何工況下均能滿足系統(tǒng)極限真空要求，進(jìn)而保證了真空泵的工作效率，更容易維持凝汽器真空。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)液環(huán)式真空泵夏季時(shí)運(yùn)行效率較差問(wèn)題的分析，本文提出了多種改善真空泵工作效率的建議方案：

周期性清理過(guò)濾器和定期對(duì)汽水分離器進(jìn)行排污是最易實(shí)現(xiàn)的方法，對(duì)過(guò)濾器頻繁堵塞的缺陷有針對(duì)預(yù)先干預(yù)方案。

增加真空泵工作介質(zhì)的換熱效果，可在一定限度內(nèi)提高其運(yùn)行效率。

引入DES冷凍水對(duì)真空泵工作介質(zhì)進(jìn)行冷卻的方案，可以將夏季真空泵的工作介質(zhì)溫度降低到接近冬季的溫度，但冬季時(shí)候不宜使用，避免凝汽器真空過(guò)低，汽機(jī)背壓過(guò)低，汽機(jī)葉片應(yīng)力過(guò)大，損壞葉片（哈汽生產(chǎn)葉片多次斷裂）。

真空泵前增加羅茨泵的方案，最為復(fù)雜、成本最高，但技術(shù)成熟，在其他高功率的電廠有良好的使用經(jīng)驗(yàn)。但是對(duì)于600MW機(jī)組來(lái)說(shuō)，不一定適用，因冬季過(guò)低的真空，對(duì)汽機(jī)葉片影響過(guò)大。

以上建議是結(jié)合機(jī)組實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、長(zhǎng)期缺陷跟蹤、同行業(yè)技術(shù)對(duì)比等因素提出的，具體方案還需電廠各部門研究討論，或與外部部門如設(shè)計(jì)院等多方討論后確定。