双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安热工研究院有限公司 作者:程东涛

  通过对双背压凝汽器配套水环真空泵汽蚀特性的分析,证明低压凝汽器对应水环真空泵易发生汽蚀、容量不足问题,使低压凝汽器压力升高。通过实例验证了双背压凝汽器真空泵易发生汽蚀且严重损害了机组的经济性。针对如何预防真空泵汽蚀问题,有效提高真空泵汽蚀余量,阐述了以降低真空泵工作液温度和提高真空泵入口压力为目标的多种优化措施,对双背压凝汽器的真空泵工作液冷却及抽气系统的设计及改造工作具有指导意义。

  相对于单背压凝汽器,双背压凝汽器能降低汽轮机排汽压力、提高凝结水温度和提高机组的经济性,因此被广泛应用到600MW 等级及以上汽轮发电机组中。但在实际运行中,双背压凝汽器存在诸多问题,如:凝汽器双背压差值不明显,低压凝汽器压力等于或略低于高压凝汽器压力,低压凝汽器压力和高压凝汽器压力都达不到设计值。在机组实际运行过程中,凝汽器压力不仅取决于凝汽器本身的运行参数,如凝汽器热负荷、冷却水流量、冷却水温度、冷却管脏污程度、真空系统漏空气量,还取决于凝汽器抽真空系统的布置方式及抽气设备的运行性能,经常出现受抽气设备抽吸能力限制导致凝汽器压力升高的问题。本文主要分析双背压凝汽器水环真空泵工作液汽化的原因,并针对如何预防真空泵汽蚀问题提出合理改进措施。

1、水环真空泵汽蚀特性分析

  1.1、经济性和安全性危害

  水环真空泵所能达到的最小抽吸压力取决于真空泵工作液温度对应的饱和压力,当真空泵抽吸压力小于或等于工作液温度对应的饱和压力时,将使部分工作液汽化而产生汽泡,汽泡会排挤真空泵液环与叶轮之间腔室中空气量,导致真空泵容量下降,严重时汽泡破裂会冲击叶轮而产生汽蚀,使真空泵的叶片及内表面损坏,进一步降低真空泵的抽吸能力,同时对真空泵的安全运行造成威胁。

  即使在机组真空严密性较好的情况下,如果真空泵工作液温度过高,真空泵发生汽蚀、抽吸能力不足问题,同样会造成凝汽器压力升高,高于并接近真空泵最小抽吸压力。这也是双背压凝汽器中高、低压凝汽器压差偏小的一个重要原因。

  1.2、汽蚀原因分析

  设真空泵工作液冷却水进口温度为tz1,真空泵换热器存在换热端差δtz(即换热器中工作液出口温度和冷却水进口温度的差值),在真空泵运行过程中,工作液由于受到压缩、摩擦等作用,同时还由于工作液吸收了所抽吸气体携带进来的蒸汽凝结所放出的热量,使工作液的温度升高Δtz,则工作液在真空泵中的最高温度为:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  设低压凝汽器冷却水入口温度为td1,低压凝汽器压力对应的饱和温度,亦即低压侧真空泵抽吸的蒸汽-空气混合物温度为:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  式中:Δtd为低压凝汽器内冷却水温升;δtd为低压凝汽器传热端差。高压凝汽器压力对应的饱和温度,亦即高压侧真空泵抽吸的蒸汽-空气混合物温度为:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  式中:Δtg为高压凝汽器内冷却水温升;δtg为高压凝汽器传热端差。

  抽气系统能正常运行,避免真空泵汽蚀,要求运行中真空泵的抽气压力比真空泵工作液最高温度对应的饱和压力高0.85kPa。以各压力对应的饱和温度来比较,则水环真空泵避免发生汽蚀的条件为:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  式中:εd、εg为考虑到凝汽器汽阻和抽空气管道阻力及真空泵抽气压力有0.85kPa富裕量后的饱和温度富裕量。

  低压凝汽器和高压凝汽器所对应的真空泵汽蚀余量分别为:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  汽蚀余量ΔT≥0是真空泵不发生汽蚀的必要条件。由式(6)和式(7)看出:ΔT 与凝汽器冷却水进口温度和真空泵工作液冷却水进口温度的差值有关,与凝汽器冷却水温升、凝汽器传热端差、真空泵换热器端差、真空泵工作液温升有关。ΔTg与ΔTd相比,同样运行条件下,排除工作液换热异常的因素后得:

双背压凝汽器的水环真空泵汽蚀特性及防汽蚀措施研究

  分析结果,则ΔTg比ΔTd高Δtg,相对高压凝汽器,低压凝汽器对应真空泵易发生汽蚀。由于双背压凝汽器和单背压凝汽器对应的机组容量、凝汽器冷却水流量差别均较大,双背压凝汽器和单背压凝汽器对应真空泵的汽蚀余量无法直接相比。仅从宏观上讨论,双背压凝汽器设计冷却水总温升与单背压凝汽器设计温升较为接近,低压凝汽器冷却水温升约为总温升的一半,真空泵汽蚀余量中其他影响因素方面差别较小(相对冷却水温升),则相对于单背压凝汽器,双背压凝汽器中低压凝汽器对应真空泵汽蚀余量较小,水环真空泵汽蚀的可能性相对较大。

  对于凝汽器冷却水和真空泵工作液冷却水为同一水源的普通300MW 单背压凝汽器来说,机组在高负荷运行时真空泵不易发生汽蚀,但在较低负荷运行时,由于凝汽器冷却水温升降低的原因,汽蚀余量减少,易造成真空泵汽蚀。而对于同样冷却方式的600MW 等级及以上双背压凝汽器来说,由式(6)看出:即使机组在额定负荷运行,由于Δtd约为总温升的一半,ΔTd仍较小,易造成真空泵汽蚀、凝汽器压力升高;当机组在较低负荷运行时,Δtd更小,ΔTd也随之更小,极易造成真空泵汽蚀、凝汽器压力升高。

  1.3、汽蚀的其他影响因素

  机组负荷方面,在其他运行条件不变的情况下,随着机组负荷的降低,凝汽器内冷却水温升、凝汽器传热端差均降低,而真空泵换热端差和真空泵内工作液温升随负荷变化较小,则汽蚀余量ΔT 减小,水环真空泵汽蚀的可能性增大。冷却水方面,在低压凝汽器冷却水入口温度td1确定的条件下,真空泵工作液冷却水入口温度tz1的高低成为决定真空泵汽蚀余量大小的关键因素。对真空泵工作液冷却水的优化选择也成为提高真空泵汽蚀余量的重要工作。在确定冷却水的同时一定要保证冷却水量充足,尽量降低换热端差δtz。

  设备运行、维护方面,当真空泵换热器结垢或堵塞时,真空泵工作液冷却水流量减少,换热器的换热性能变差,均会导致真空泵换热端差δtz增大,ΔT 减小;真空泵工作液流量减少,会导致Δtz增大,则ΔT 也减小,工作液流量减少严重时会影响真空泵内水环的形成。真空泵换热器结垢或堵塞的问题是现场工作中遇到较多、且容易被忽视的问题,对机组的经济和安全运行带来很大损害。

2、实例分析

  以某电厂600MW 双背压凝汽器为例,通过调整水环真空泵工作液温度,分析真空泵的汽蚀状态以及对低压凝汽器和高压凝汽器性能的影响。工作液温度对真空泵性能及凝汽器性能影响的试验结果见表1。

表1 工作液温度对水环真空泵性能及高、低压凝汽器性能影响的试验结果

工作液温度对水环真空泵性能及高、低压凝汽器性能影响的试验结果

  由表1看出:真空泵工作液温度较高时,各负荷工况下高、低压凝汽器压力差值为0.062~0.510kPa,高、低压凝汽器压力差值较小,双背压不能有效建立;真空泵工作液温度降低后,真空泵抽吸能力大大提高,各负荷工况下高、低压凝汽器压力差值为0.549~1.484kPa,双背压能有效建立。

  600MW 和480MW 负荷工况下,工作液温度由高温状态变为低温状态,低压凝汽器压力分别下降1.056kPa和0.965kPa,高压凝汽器压力分别下降0.082kPa和0.053kPa。由此可看出:真空泵工作液温度处于高温状态时,工作液温度高于采用低温工作液时低压凝汽器压力相对应的饱和温度,真空泵发生汽蚀和抽吸能力不足,低压凝汽器内出现空气聚积,低压凝汽器压力升高;工作液温度低于采用低温工作液时高压凝汽器压力相对应的饱和温度,高压凝汽器内空气可以被正常抽出,工作液温度由高温降为低温后,高压凝汽器压力变化不明显能说明这一点。

  360MW负荷工况下,工作液温度由高温状态变为低温状态,低压凝汽器压力下降0.942kPa,高压凝汽器压力下降0.455kPa。由此可看出:真空泵工作液温度处于高温状态时,工作液温度已高于高压凝汽器压力相对应的饱和温度,真空泵发生汽蚀和抽吸能力不足,高、低压凝汽器内均出现空气聚积现象,高压和低压凝汽器压力实际上均升高;工作液温度降低后,高压和低压凝汽器压力均明显降低就说明这一点。

  试验结果与之前理论分析一致,即双背压凝汽器的低压凝汽器对应水环真空泵易发生汽蚀和抽吸能力不足,使低压凝汽器压力升高。在凝汽器冷却水流量等其他条件不变的情况下,真空泵汽蚀情况与机组负荷有关,高负荷时仅低压凝汽器压力容易受真空泵抽吸能力限制,低凝汽器压力较可达值升高,高压凝汽器不受影响;低负荷时高、低压凝汽器压力均可能受真空泵抽吸能力限制而升高。

  试验结果也验证了真空泵汽蚀特性对机组经济性的重大影响,工作液温度由高温状态变为低温状态,有效避免真空泵出现汽蚀问题,提高真空泵抽吸能力后,各负荷工况下凝汽器平均压力下降0.529~0.705kPa。

3、预防措施研究

  通过对双背压凝汽器水环真空泵汽蚀特性分析以及实例计算,提出应加强双背压凝汽器真空泵汽蚀问题的研究,并采取经济可行措施来避免真空泵汽蚀问题发生。提高真空泵汽蚀余量的途径:一种是通过有效降低真空泵工作液温度,优化真空泵工作液的冷却方式;另一种是保证抽气压力的同时提高真空泵入口压力。

  3.1、原有真空泵工作液冷却方式

  原有真空泵工作液冷却方式有以下两种情况:

  (1)绝大多数电厂真空泵工作液用开式水冷却,同凝汽器冷却水来自同一水源,冷却系统构建方便,水源有保障。但从理论分析及实例计算中看出,此种冷却方式下,低压凝汽器对应真空泵易发生汽蚀,特别是机组低负荷运行时,真空泵极易发生汽蚀,凝汽器压力受真空泵抽吸能力限制而升高,降低机组经济性,对真空泵安全运行也造成威胁。

  (2)少部分电厂真空泵工作液冷却水用闭式水冷却,闭式水是经开式水冷却后的水,相对开式水冷却,同样运行条件下真空泵的汽蚀余量减少δtb(闭冷水换热器端差),即采用闭式水来冷却真空泵工作液更易造成真空泵汽蚀,建议尽量避免采用此种冷却方式。

  3.2、采用低温冷却水降低工作液温度

  对于凝汽器冷却水系统采用冷却塔循环冷却方式的电厂,夏季高温季节电厂的工业水温度往往较开式水温度低,其他季节需根据具体情况确定,建议真空泵工作液冷却水加装工业水管路,根据水温情况对供水方式进行调整。对于凝汽器冷却水系统采用江河、湖泊直流供水冷却方式的电厂,工业水往往同开式冷却水同一水源,需要寻找更低温的水源,可通过打井获得低温地下水(不需要深井),根据季节不同、水温差别来调整工作液冷却水供水方式。

  对于有条件的电厂,可以用中央集中空调冷冻水来冷却工作液,在高温季节能起到较好的冷却效果。对于有其他低温水源的电厂,需要在原有冷却水供水方式(一般为开式水)的基础上加装新供水管路,根据水温对供水方式进行调整。新增低温冷却水回水可根据情况直接回原有的开式水回水管路或加装新的回水管路。不同冷却水供水管路上应加装阀门和温度测点,根据水温情况对供水方式进行调整。工作液管路也应加装温度测点,加强对工作液温度及换热器换热性能(主要是换热端差)的监测。

  3.3、采用制冷设备降低工作液温度

  采用制冷设备对工作液进行强制冷却。夏季高温季节强制冷却设备能有效降低工作液温度,提高真空泵抽吸能力;但目前市场上投运的空泵工作液强制冷却设备还缺少对工作液温度的合理控制,经常出现降温不够或降温过大的不经济现象。另外强制冷却设备投资较大,对制冷设备的可靠性要求高,还需综合比较来选择冷却方案。

  3.4、加装大气喷射器

  大气喷射器是配置在水环真空泵的进口管道上的一个前置大气喷射器,大气喷射器由喷嘴、吸气室和扩压器组成(见图1),其排气口与真空泵进气口相连,它的一端开口朝向大气,通过喷嘴利用真空泵负压与大气压形成压差而产生的空气射流,在吸气室内获得比凝汽器更低的抽吸压力;两股气流混合后流经扩压器,压力不断升高,一直达到大气喷射器的排气压力,即真空泵的入口压力,最后由真空泵把气体吸入,再排出泵外,即完成了吸气、排气过程。这样,在保证对凝汽器抽吸压力的同时,提高了真空泵入口压力,能有效提高真空泵汽蚀余量,保证真空泵出力。

大气喷射器结构图

图1 大气喷射器结构图

  在原水环真空泵抽空气管路上加装大气喷射器,对基础等重要部件不需改动,仅是在进气管路上并联一台大气喷射器及控制启停的元件。大气喷射器可以有投入与撤出的选择,当喷射器撤出时,就仅相当于水环真空泵单独运行,因此这样的泵组结构具有很大的适应性。机组高负荷运行时可以撤出喷射器,低负荷运行时投入喷射器。加装大气喷射器主要包括喷射器组件、喷射关断阀和旁通阀等,由于其不含任何运动部件,因此具有较高的可靠性。

4、结语

  双背压凝汽器的低压凝汽器,相对高压凝汽器及单背压凝汽器,所对应水环真空泵易发生汽蚀、出力不足问题,低压凝汽器压力受真空泵抽吸能力限制而升高,高、低压凝汽器不能建立有效压差,影响机组经济性和安全性。

  增加真空泵汽蚀余量、提高真空泵抽吸能力的有效途径分别是降低真空泵工作液温度和保证抽吸压力的同时提高真空泵入口压力。可以采取多种工作液冷却优化措施及通过加装大气喷射器提高真空泵入口压力的措施。对各种优化措施的选择除了受电厂本身低温水资源的限制外,不同优化措施需要的经济投入、运行可靠性、带来的经济效益也均有不同,需要综合考虑进行选择。

  现场工作中要加强对换热器结垢和脏污的检查,加强对工作液温度的监测,保证真空泵工作液冷却水流量、工作液流量和换热器换热性能在正常范围,严格控制工作液温度,这是增加真空泵汽蚀余量、保证真空泵抽吸能力的基础工作。

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