水环真空泵抽气不足对凝汽器真空的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中煤西安设计工程有限责任公司 作者:王欢

  凝汽器的真空度不仅取决于自身的运行参数,而且还取决于抽气设备的工作性能。通过凝汽器漏空气量和水环真空泵抽气量的平衡关系,建立水环真空泵抽吸不足对凝汽器真空影响的数学模型,定量分析了水环真空泵工作水温度和凝汽器真空的关系。实例计算表明,降低工作水温度可提高凝汽器真空度。

  凝汽器真空度是凝汽器特性的主要指标,对汽轮机的运行经济性、安全性及调节都有很大的影响。在运行过程中,凝汽器真空度不仅受到自身运行参数(如汽轮机排汽量、循环水流量、循环水温度等)的影响,而且还受到抽气设备工作状态的影响。尤其是300MW 及以上等级机组,抽气设备大多数为水环真空泵。水环真空泵虽有抽气量大、节能、节水等优点,但也极易出现抽气不足而导致凝汽器真空度偏低的问题。因此,研究水环真空泵抽气不足对凝汽器真空度的影响,对于提高机组的经济性具有重要的意义。

1、水环真空泵抽真空系统的原理

  水环真空泵是以泵转动部分的机械作用排除泵体内气体,其工作原理为:偏心轮安装在充有适量工作水的椭圆形泵体内,带有若干前弯叶片的转子在泵体内旋转时,形成水环并在叶轮轮毂与水环间形成一个新月形空腔,转子每转动1周,转子上2个相邻叶片与水环间所形成的空腔,由小到大、再由大到小作周期性变化。当空腔由小变大时,产生真空,经进气口吸入气体;由大到小时,产生压力,气体被压缩并经排气口排出。由于每个相邻叶片与水环所构成的空腔均处于不同的容积变化过程,所以当转子转动时,泵的吸排气均为连续、不间断过程。

  图1为水环真空泵抽真空系统示意图,主要由真空泵、汽水分离器、工作水冷却器、电动机以及相关的管道和阀门组成。真空泵冷却器冷却水一般取自凝汽器循环水进水,冷却水出水接入循环水出水。

水环真空泵抽真空系统

图1 水环真空泵抽真空系统

2、水环真空泵抽气不足对凝汽器真空的影响

  2.1、工作水温度对水环真空泵性能的影响

  由道尔顿定律可知,工作水温度越高,水环真空泵所能抽吸的真空度就越低,同时工作水还起到冷却气体和密封工作腔等作用。因此,降低工作水温度可以提高水环真空泵的极限真空,工作水温度越低则极限真空越高,且在相同吸入口压力下的抽气量越大。对工作水温偏离设计值的运行工况,必须对其进行修正。

  工作水温度对抽气量的影响可按下式进行换算:

工作水温度对水环真空泵性能的影响

  式(1)中,p″c为水环真空泵吸入压力,kPa;ps(15) 和ps(t)分别为工作水温度为l5℃和t℃时饱和蒸汽压力,kPa;Qs(15) 和Qs分别是工作水温度为15℃和t℃时吸气量,m3/min。当工作水温度t>15℃时,Qs 由气体状态方程可知,工作水温度为t℃时水环真空泵吸气量中含干空气质量流量为[2]:式(2)中,Gb a为工作水温度t℃时水环真空泵的抽空气量,kg/s;T 为水环真空泵入口处混合物的温度,℃;pT为T 对应的饱和压力,Pa;Ra为空气的气体常数,J/(kg·K)。

  2.2、水环真空泵抽气不足对凝汽器真空的影响

  当水环真空泵抽气不足时,漏入凝汽器内的空气不能及时地被抽出,造成空气在凝汽器内积聚。空气积聚降低了凝汽器汽侧换热系数as ,进而影响凝汽器总的传热系数K 。

  式(3)~式(5)中,d1和d2分别为冷却水管的外径和内径,m;aw和as分别为凝汽器水侧和汽侧的对流换热系数,W/(m2·K);λ为冷却水管的导热系数,W/(m·K);Rf为凝汽器水侧污垢热阻,(m2·K)/W;ε为空气积聚浓度;α0为纯净静止蒸汽在单根水平管外壁上发生膜状凝结时的放热系数,W/(m2·K);C 为与凝汽器管束布置方式有关的系数。

  由式(3)~ 式(5)可知,随着空气积聚浓度ε的增大,汽侧放热系数as减小,进而使传热系数K 减小,K 的减小又使凝汽器传热端差增大及真空度降低。凝汽器真空是采用分区热力计算法得到的,计算框图如2所示。

工作水温度对水环真空泵性能的影响

  另一方面,当空气在凝汽器内积聚达到一定程度时,主凝结区内空气的分压就不能被忽略,凝汽器压力不再近似等于蒸汽凝结温度对应的饱和压力,而是蒸汽分压和空气分压之和。计算公式为:

工作水温度对水环真空泵性能的影响

凝汽器真空度的计算框图

图2 凝汽器真空度的计算框图

3、实例计算与分析

  以某电厂300MW 机组配套的N-17800型凝汽器为例,机组配备2台水环真空泵,型号为2BW4353-0EK4,正常运行时1用1备。

  3.1、工作水温度对水环真空泵性能的影响

  水环真空泵的抽气量是水环真空泵性能参数的重要指标。图3为水环真空泵工作水温度与其抽气量的关系曲线。从图3看出,在吸入口压力低于20kPa时,工作水温度对水环真空泵抽气能力的影响很大,而凝汽器抽气口压力一般在10kPa以下,因此,工作水温度对凝汽器水环真空泵抽吸能力的影响很大。当工作水温度为25℃和吸入口压力为5kPa时,水环真空泵抽吸能力仅为规定条件下的55.5%。由此可见,降低工作水温度对于提高水环真空泵抽吸能力是非常有效的方法。

工作水温度对水环真空泵抽气量的影响

图3 工作水温度对水环真空泵抽气量的影响

  3.2、工作水温度对凝汽器真空的影响

  凝汽器真空度是反映凝汽器运行状况的重要指标。图4~图5分别为机组100%负荷和75%负荷时,水环真空泵工作水温度对凝汽器真空的影响关系曲线。由图4~图5可知,工作水温度对凝汽器真空的影响存在一个临界值ta ,当工作水温度低于临界值时,凝汽器性能受工作水温度变化的影响很小,其真空度随工作水温度的升高几乎不变;当工作水温度大于临界值时,凝汽器真空度随工作水温度的升高而迅速下降,且下降的幅度越来越大,即工作水温度越高,对凝汽器真空影响越大。在一定负荷下,循环水温度越高,工作水温度变化对凝汽器真空度的影响越大。例如机组在100%负荷和循环水温15℃时,工作水温度从10℃升高至20℃,凝汽器真空度从97.84kPa变化到97.28kPa,下降了0.56kPa;在100%负荷和循环水温度25℃时,工作水温度从20℃升高至30℃,凝汽器真空从95.48kPa变化到94.36kPa,下降了1.12kPa。

100%负荷时工作水温度对凝汽器真空的影响

图4 100%负荷时工作水温度对凝汽器真空的影响

75%负荷时工作水温度对凝汽器真空的影响

图5 75%负荷时工作水温度对凝汽器真空的影响

  表1列出了凝汽器在不同运行条件下,真空开始急剧降低所对应的工作水温度(即工作水临界温度)。从表1可知,在同一负荷下,循环水温度越低,工作水临界温度越低;同一循环水温度下,负荷越低,工作水临界温度越低。工作水临界温度因凝汽器运行条件的不同而变化。因此,机组变工况运行时,必须密切注意工作水温度的变化。

表1 凝汽器在不同运行条件下的工作水临界温度

凝汽器在不同运行条件下的工作水临界温度

  3.3、分析

  对于完整的水环真空泵和凝汽器系统来说,在其它条件和漏气量不变的情况下,工作水温度升高引起水环真空泵抽吸能力下降,在凝汽器压力和水环真空泵吸入口压力平衡关系被打破又重新建立的过程中,空气在凝汽器内积聚,相对于原来的平衡关系,空气相对含量增大,阻碍蒸汽在凝汽器内的传热过程,从而降低传热系数并直接抬高了凝汽器压力。在极端的情况下,当工作水温度过高时,水环真空泵甚至抽不出漏入凝汽器内的空气,空气不断积聚后,破坏了机组的真空状态。

  3.4、改进措施

  300MW 及以上容量机组配置的水环真空泵工作水设计温度一般为15℃,采用循环水冷却工作水。夏季高温季节,由于循环水温度的升高,工作水温度达到33~35℃以上,水环真空泵的抽吸能力大幅下降,导致机组真空度降低甚至恶化,极大地影响机组运行的经济性和安全性。

  有效降低水环真空泵工作水温度,是解决机组夏季真空偏高的主要技术措施。目前,电厂主厂房都安装有中央空调,其冷冻水出口水温度较低,在12℃左右。因此,为了降低水环真空泵工作水温度,可以采用中央空调冷冻水来冷却水环真空泵的工作水,从而达到降低工作水温度的目的,提高水环真空泵抽吸能力和凝汽器真空。水环真空泵冷却器加装冷冻水管道布置,如图6所示。

真空泵冷却器加装冷冻水管道布置图

图6 真空泵冷却器加装冷冻水管道布置图

4、结语

  (1)水环真空泵的工作水温度对其抽气量的影响很大,特别是在吸入口压力较低的范围内,工作水温度越高,其抽气量越小。

  (2)在漏气量一定的情况下,当工作水温度低于工作水临界温度ta时,凝汽器真空度随工作水温度的升高变化不大;当工作水温度高于工作水临界温度ta时,凝汽器真空度随工作水温度的升高而急剧下降,且工作水温度越高,真空下降幅度越大。

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