水环真空泵辅助冷却设备改造

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华电潍坊发电有限公司 作者:张伟

  水环真空泵是大型发电机组中广泛采用的凝汽器抽气设备,用来保证和维持凝汽器真空,而工作液的温度直接影响到水环真空泵的工作效率。介绍了通过闭式冷冻水循环冷却水环真空泵工作液,最大限度地保证了机组安全与高效运行,延长设备使用寿命,提高了机组的经济效益。

  目前火电站发电机组普遍采用水环式真空泵,用于抽除凝汽器内难凝结的气体,使凝汽器真空度保持在一定的范围内,保证机组高效、稳定地运行;但实际使用中,往往因被抽吸气体的状态和工作液的温度导致水环真空泵工作性能不理想,机组不能维持稳定和高效运行。为此笔者对影响水环真空泵工作性能的因素进行了分析,提出加装工作液的辅助冷却系统,使其工作效率有所提高,并延长了设备使用寿命。

1、影响水环真空泵工作性能的因素

  1.1、抽气压力影响

  抽气压力是水环真空泵吸入口压力(以凝汽器压力为基础),并且随着凝汽器压力的变化而变化(凝汽器抽气口压力一般在3.39~12kPa)。在一定条件下的抽气量Vs、泵轴功率pp、等温总效率ηp与抽气压力px之间的关系曲线即为水环真空泵的特性曲线,见图1。

水环真空泵性能曲线

图1 水环真空泵性能曲线

  从图1中可以看出,真空泵抽气量、轴功率和等温总效率随着抽气压力的变化趋势。

  1.2、抽气温度的影响

  对应不同抽气压力,抽气温度为25~49℃(不考虑抽气过冷度)时真空泵的特性曲线见图2。

不同抽气温度下真空泵的特性曲线

图2 不同抽气温度下真空泵的特性曲线

  从图2中可以看出:抽气温度越低,抽气量越大,但是根据凝汽器运行工况,一般情况下抽气温度都会高于设计温度(20℃)。由于抽气压力一般在10kPa以下;因此抽气温度对抽气量影响不大。

  1.3、工作液温度的影响

  图3是不同工作水温度下的真空泵特性曲线。

不同工作水温度的真空泵特性曲线

图3 不同工作水温度的真空泵特性曲线

  从图3中可以看出:工作液温度对真空泵性能影响较大,特别是在抽气压力比较低的情况下影响更加明显,而电站真空泵的抽气压力刚好在此范围之内。因此提高真空泵工作性能应从改变工作液温度着手,降低工作液温度切实可行,且效果明显。

2、水环式真空泵系统存在的问题

  随着水环真空泵工作时间的延长,由于真空泵的功耗和水蒸气释放汽化潜热都会造成工作液温度不断升高,而工作液温度的升高使真空泵抽气能力下降,进而使凝汽器真空降低,影响机组的经济性,严重时还会引起真空泵汽蚀,影响机组的安全运行。工作液的设计

  温度为15℃,而实际运行中均高于这一温度。目前真空泵工作液通常用循环水冷却,但循环冷却水温度受室外气温的影响,特别是夏天随着循环水温度升高,真空泵工作液温度将远高于设计值。

  工作液温度升高会造成以下后果:

  (1)破坏真空,降低机组经济性。

  随着工作液温度的升高,对应的饱和压力不断升高,如30℃时水的汽化压力为4.241kPa,40℃时水的汽化压力为7.350kPa。当水环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,部分工作液将会汽化,真空泵因抽吸自身工质汽化产生的气体而造成真空泵功率严重不足。不凝性气体将造成传热恶化,并在凝汽器内积聚,破坏凝汽器真空;水蒸气中质量分数占1%的空气能使表面传热系数降低60%,从而降低机组经济性。

  (2)水环真空泵汽蚀。

  真空泵在运转中,若局部区域工作液的绝对压力降低到当时温度下的工作液汽化压力时,工作液便在该处开始汽化并产生大量蒸汽气泡。这些细微的气泡极易破碎,破碎的过程中会对叶轮产生强烈的撞击,久而久之叶轮穿孔,最终无法修补而被迫更换叶轮,严重影响设备安全、高效运行。而工作液流量过高时也会产生尖锐的噪声,需强制性地降低流量。

  为了防止水环真空泵发生汽蚀,运行中通常要求真空泵的抽吸压力比工作液温对应的饱和压力至少高出0.85kPa;如果工作液温度为30℃,对应饱和压力4.241kPa,则真空泵抽吸压力不能低于5.091kPa;但是如果工作液温度为20℃,则真空泵抽吸压力可降低至3.188kPa。

  目前水环真空泵采用循环水冷却,但循环水温度夏天可能达到30 ℃以上,再加上一定的传热温差,工作液温度有可能达到40℃以上,严重地影响了机组的经济性和安全运行,因此必须考虑降低水环真空泵工作液温度。

3、水环式真空泵辅助冷却装置

  水环式真空泵辅助冷却装置用以降低真空泵工作液温度,主要配置一套成熟的制冷设备,工作液的温度由其临界温度应达值确定,辅助冷却装置根据这一设定值自动调整。工作液辅助冷却装置与工作液冷却器布置见图4。该系统运行方式灵活、工作稳定,对原有设备及系统的运行不会带来负面影响。

工作液辅助冷却器布置图

1—压缩机;2—冷凝器;3—节流阀;4—蒸发器;5—水泵;6—汽水分离器;7—换热器;8—真空泵。

图4 工作液辅助冷却器布置图

  改造的主要特点:

  (1)通过闭式冷冻水循环来冷却水环真空泵工作液,最大限度保证机组安全与高效运行,延长设备使用寿命。

  (2)保留原装置循环冷却水换热器,当制冷装置检修时,循环冷却水换热器投入工作,以保证系统运行对原系统改动小,施工方便;另外,冬季冷却水温度比较低时可以关闭制冷设备,改用循环冷却水换热器冷却,从而减少电耗。

  (3)结构简单,系统紧凑,占地小。

  (4)制冷系统技术成熟,运行安全可靠。

4、改造收益

  以某电厂300MW 机组为例,机组型号为C300-16.7/537/537亚临界、单轴、双缸双排汽、中间再热、抽汽、凝汽式汽轮机,水环真空泵型号为2BW43530MK4。对水环真空泵冷却系统进行改造后,对系统进行了测试,其结果见表1。

表1 水环真空泵冷却系统改造结果

水环真空泵冷却系统改造结果

  对于300MW 机组,真空每提高1kPa,发电煤耗可降低约3.2g/(kW·h),收益计算见表2。

表2 收益计算表

收益计算表

5、结语

  对于汽轮发电机组来说,真空泵工作水温度每降低1℃,可提高真空0.135kPa,相当于降低了供电煤耗0.43g/(kW·h)。如按上述方案实施改造,能够有效地降低真空泵工作水温度,而且受外界环境的影响很小,能够有效提高机组的经济效益。

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