真空泵制冷装置水位控制及故障分析

孙 磊，居 强，曲海英

(华电国际邹县发电厂，山东 邹城 273522)

现在投产的大型火电机组都存在真空度偏低的问题，特别是夏季问题更加突出。由于凝汽器真空偏低，造成凝汽器冷端损失增大，严重影响机组的经济性。对以水环式机械真空泵作为凝汽器抽气设备的大型机组，通过降低真空泵工作水温度从而提高真空泵抽气出力，可维持较高的真空，使机组的经济效益得到大幅提高。

华电国际邹县发电厂2台1 000 MW汽轮机为超超临界、一次中间再热、单轴四缸四排汽、凝汽式，设计额定功率为1 000 MW，机组型号为N1000-25/600/600。凝汽器设计为双壳体、双背压、单流程，可在机组最大出力、循环冷却水温33 ℃，背压不大于4.5/5.7 kPa的工况下长期运行。凝汽器型号为N-60000，冷却面积为60 000 m2，设计冷却水量为97 948.8 t/h，凝汽器不锈钢管总根数为57 300 根 (厚度 0.5 mm)。

电厂每台机组均配有3台日本生产的型号为EVMA250的水环式机械真空泵。凝汽器压力为5.1 kPa时，水环式真空泵设计抽吸干空气量为75 kg/h。由于水环式真空泵是以水作为工作介质，根据道尔顿定律，泵体内的密封吸气空间的气压应等于水蒸气的分压和各种分压之和，故泵内的密封水温度决定了泵在旋转过程中吸气和排气空间所能达到的真空。即，泵内的最高真空是由水的汽化压力，也就是泵内密封水温下的饱和蒸汽压所决定的，因此尽可能降低泵内密封水温度就可以提高泵内真空。所以，安装真空泵制冷装置后可以更好地保证真空泵的工作效率，从而提高机组的整体效率。

1 真空泵制冷装置系统介绍

1 真空泵制冷装置系统流程

电厂1 000 MW机组真空泵制冷装置由山东泓奥电力科技有限公司安装和调试。制冷机为烟台荏原空调设备有限公司制造的单效溴化锂吸收式制冷机，正常出力为(80×104)kcal/h,冷水出水流量为160 m3/h。溴化锂吸收式制冷机除了冷却水和溴化锂溶液2个内部循环外，还有3个系统与外部相联：热水系统、冷却水系统、冷冻水系统。

(1) 冷冻水系统循环流程。冷冻水系统循环流程如图1所示。

图1 冷冻水系统循环原理示意

(2) 冷却水系统流程。开式循环水泵出口来水→制冷机冷却器入口→制冷机冷却器出口→去凝汽器循环水回水(凉水塔)。

(3) 热水系统流程。6号低加出口母管来水→制冷机热水入口→制冷机热水出口→热水泵→去6号低加入口母管。

1.2 制冷机工作原理

单效溴化锂吸收式制冷机主要是由吸收器、发生器、冷凝器和蒸发器4部分组成的，并且4个容器均保持真空状态。用纯净水作为制冷剂，利用高真空状态下，水的饱和温度降低的原理和溴化锂溶液具有强吸湿性的原理，达到连续制冷的目的。制冷机工作原理如图2所示。

图2 制冷机工作原理示意

由于制冷机在正常运行中配有较完善的电气保护和热工保护，工作比较可靠，除进行正常的运行维护外，极少出现问题，在此不再进行详细阐述。

2 真空泵制冷装置系统投运后的水平衡及水位控制

真空泵制冷装置系统投运后的水平衡如图3所示，在整个系统运行正常的情况下：

图3 真空泵制冷装置系统投运后的水平衡示意

(1) 进入真空泵制冷装置系统内的水源有：溢气膨胀箱电动阀补水、机械真空泵抽吸的凝汽器内的蒸汽凝结水和机械真空泵分离器浮球阀补水。

(2) 由该系统排除的水主要有： 溢气膨胀箱溢水，冷水系统各放水口放水，排气漏水口漏水，真空泵汽水分离器溢水以及真空泵盘根漏水。

(3) 正常运行中，每小时由凝汽器抽出的蒸汽量约为0.5 t，因而会有相近的凝结水量补入真空泵制冷装置系统内部循环。

(4) 真空泵正常运行中盘根漏水非常轻微，小于凝汽器抽出的蒸汽凝结水量。如果盘根漏水量偏大时，应及时更换盘根。

(5) 通过调整至机械真空泵三通阀前流量调整阀的开度，保证运行中机械真空泵汽水分离器和溢气膨胀箱内水位保持正常，且有少量溢水，使整个系统达到水平衡状态，保证真空泵汽水分离器补水门、溢气膨胀箱补水电动门均在关闭位置。

(6) 机械真空泵汽水分离器的水位由低压抽水器入口管道安装位置决定。除误开机械真空泵汽水分离器放水门外，水位不会低于低压抽水器入口管道的安装位置，可以保证机械真空泵有足够的工作水量。

(7) 由于正常运行中真空泵汽水分离器补水门、溢气膨胀箱补水电动门均在关闭位置，从而使真空泵汽水分离器溢水量、溢气膨胀箱溢水量和真空泵盘根漏水量为真空泵抽吸凝汽器蒸汽冷却的水量，整个系统达到水平衡状态。

3 制冷系统投运后水位故障分析

3.1 真空泵停运后汽水分离器水位上升

真空泵停运后，真空制冷装置至真空泵三通阀应自动关闭，整个系统应与停运真空泵自动隔离。如隔离后的真空泵汽水分离器水位上升，则主要原因为真空泵汽水分离器至真空泵制冷装置低压抽水器的逆止门不严。溢气膨胀箱内的水在虹吸作用下，倒流至真空泵汽水分离器内，造成真空泵汽水分离器内水位持续上升。真空泵汽水分离器内的水位高低会直接影响真空泵的出力和安全，过高的水位将直接造成真空泵失去备用，严重威胁机组的安全。

因为真空泵汽水分离器至真空泵制冷装置低压抽水器的逆止门在真空泵停运状态时前后压差小，不可能用压差来关闭逆止门；又因逆止门长期运行后存在锈蚀等情况，也直接造成了逆止门关闭不严的现象。

为解决逆止门关闭不严而威胁真空泵和机组安全的事故发生，除选用质量优良的逆止门产品外，还可降低溢气膨胀箱标高，将溢气膨胀箱正常水位控制在真空泵汽水分离器正常水位范围内；也可在低压抽水器出口处安装电动隔离门，随低压抽水器的投停而自动开关，从根本上解决逆止门关闭不严的问题。

3.2 运行中真空泵汽水分离器水位突升

真空泵正常运行过程中，真空泵汽水分离器水位突升的主要原因有：①溢气膨胀箱补水阀故障造成溢气膨胀箱水位过高，从而影响低压抽水器的抽水功能，造成真空泵汽水分离器内水无法排出；②真空制冷装置至真空泵三通阀前流量调整阀误开；③低压抽水器电动门误关，低压抽水器工作异常，也可造成真空泵汽水分离器水位异常。

真空泵系统正常运行中，溢气膨胀箱应有少量水溢出。如发现溢气膨胀箱补水阀自动开启报警或水位下降时，应立即就地检查机械真空泵水位。如运行机械真空泵有1台分离器满水时，应及时关闭该机械真空泵三通阀和低压抽水器电动门，立即开启分离器放水，启动备用机械真空泵，停止故障真空泵的运行。

真空泵正常运行过程中汽水分离器水位过高，是非常危险的故障。运行人员如果发现不及时或处理不果断，将直接造成多台真空泵过电流跳闸，进而影响凝汽器真空，甚至造成机组真空低保护动作跳闸事故的发生。

由于真空泵汽水分离器水位的重要性，除了要保证阀门和设备的质量，尽量防止由设备原因造成的故障外，还应进一步完善保护措施。在发生真空泵汽水分离器水位过高时，应自动关闭机械真空泵冷水三通电动阀，自动切除机械真空泵工作水补水，保证真空泵工作的安全，并实时报警，提醒运行人员进行下一步处理。投入真空泵制冷装置时，除了程序自动判断投入条件是否满足外，还应增加运行人员人工确认程序，在人工确认低压抽水器工作正常，点击“确认”按钮后，程序才进行下一步，开启机械真空泵冷水三通电动阀。这样才能提前发现故障、排除故障，保证真空泵安全。

3.3 溢气膨胀箱水位降低

真空泵制冷装置运行期间，溢气膨胀箱水位降低的原因有：①真空泵分离器溢流量大，使进入真空泵水量增加或抽水器处理降低；②真空泵盘根漏水量大；③冷水系统放水门、放气门内漏。

真空泵制冷装置运行期间，如发现溢气膨胀箱水位降低，应立即检查并关闭系统各放水门、放气门，关闭误开的放水阀门；联系检修，检查真空泵盘根漏水量是否过大，调整盘根，减少漏水量或切换备用泵运行。如真空泵分离器水位升高，溢流量大，应适当关小真空泵冷水三通电动门前流量调节阀，减少进入真空泵内的工作水流量，从而减少真空泵汽水分离器溢水量。正常情况下，真空制冷装置至真空泵三通阀前压力应维持在0.02 MPa附近。

3.4 溢气膨胀箱水位异常、溢流量大

真空泵制冷装置运行期间，溢气膨胀箱水位异常、溢流量大的原因有：①膨胀箱水位偏低，开关失灵，误发膨胀箱补水信号，导致电动门误开；②膨胀箱水位偏高，开关失灵，导致补水电动门不联关；③膨胀箱补水电动门、旁路门内漏；④真空泵冷水三通阀开度小，分离器水位低，分离器补水阀开启；⑤凝汽器水位过高，淹没抽空气口，真空抽水。

真空泵制冷装置运行期间，若溢气膨胀箱水位异常、溢流量变大，应检查溢气膨胀箱补水电动阀是否误开，或补水电动阀旁路是否有内漏。若有内漏，应关闭膨胀箱补水总门，联系检修处理。若真空泵分离器水位偏低，分离器无溢流现象，分离器补水阀开启，应稍开冷水三通阀前流量调节门，增大冷水至真空泵的工作水流量，使汽水分离器水位略有溢流即可。检查凝汽器水位，若水位过高，应立即进行调整。

3.5 闭式水水箱水位突降

闭式水水箱水位突降主要是因闭式水用户用水量突增造成的。真空泵制冷装置来水，溢气膨胀箱的补水均来自闭式水系统，如溢气膨胀箱大量补水，将直接造成闭式水水箱补水不及时。特别是系统投运冲洗管路时，将严重威胁机组闭式水系统的安全运行。为解决此问题，可增大闭式水水箱的补水管路容量，也可将溢气膨胀箱的补水管道改接至凝结水系统，以提高系统的稳定性。在出现大量补水的情况下，应及早查出故障原因并进行排除。

3.6 真空严密性试验时装置冷水温度低造成装置跳闸

真空泵制冷装置运行期间，真空严密性试验时真空泵制冷装置跳闸，虽然不是由水位引起而是由水温的急剧变化引起的，但均属于水系统故障，故在此一同提出。由于真空严密性试验过程短，在此期间如将真空泵制冷装置停运后再启动，既增加了人员工作量，也不利于真空泵重新启动后快速恢复正常出力。为保证真空严密性试验过程中制冷机的安全，防止装置冷水温度低而跳闸，应使制冷机的出力缓慢降低，工作状态平稳过渡。

在进行真空严密性试验而机械真空泵全停时，制冷机不跳闸，制冷机自动根据冷水温度进行调节。为防止冷水温度过低时制冷机调整不及时而跳闸，应先停运1台机械真空泵，待冷水温度恢复正常(大于9 ℃)后，再停运最后1台机械真空泵。真空严密性试验结束后，立即恢复启动机械真空泵，使制冷机开始带负荷，保证冷水温度的稳定。

另外，在真空泵制冷装置停运过程中，如装置冷水温度过低，将影响设备安全。在停运程序中，2台真空泵运行时，关闭第1台真空泵三通阀后延时300 s再关闭第2台真空泵三通阀。

4 结束语

(1) 对于以真空泵作为凝汽器抽气设备的大型机组，可通过安装和投运真空泵制冷装置来降低真空泵的工作水温度，从而提高真空泵出力，使机组能够维持较高真空，从而大幅提高机组经济效益。

(2) 真空泵制冷装置系统并不庞大，但和开式水系统、闭式水系统、真空系统等多个系统都有联系。整个真空泵制冷装置的水平衡非常重要，如真空泵制冷装置水平衡被打破，系统出现故障，将不可避免地影响到闭式水系统和真空系统，进而影响和破坏整个机组的安全与稳定。

(3) 真空泵制冷装置在国内大型机组上的应用还是一项新技术，在肯定制冷装置在提高机组效率方面的贡献的同时，也应看到它带来的安全隐患。对真空泵制冷装置在设计、安装和实际运行过程中已出现的问题，一定要在设计时考虑进行完善和解决，以保证设备的本质安全。