水环式真空泵汽蚀原因分析及改造措施

张 斌，仉国明，戈春鹏，武 翔

（大唐河北发电有限公司马头热电分公司，河北 邯郸 056044）

1 概述

大唐河北发电有限公司马头热电分公司9号、10号机组分别于2010年1月、5月投产发电，每台机组配备2台100%容量2BW4－353－OEK4型水环式真空泵，机组正常运行时1台运行、1台备用。自投产以来，真空泵运行过程中一直存在振动和噪音大的问题，就地压力表、温度表和翻板水位计多次损坏，重复消缺增加了维护费用。另外通过9号机组状态检修过程中对2台真空泵解体检查，发现1号泵有1处叶片断裂及2处叶片裂纹，2号泵有2处叶片裂纹，严重影响真空泵及整个机组的安全稳定运行。

2 汽蚀原因分析

在水环式真空泵整个运行过程中，从最大吸气区到排气区阶段，泵一直处于高真空状态运行。真空泵的设计极限绝对压力为3.3kPa，压力低时泵内汽蚀相当严重，泵内的工作水接近沸腾并会产生大量的气泡，气泡的产生与破裂过程会对叶轮造成汽蚀损坏，破坏叶轮的动平衡，引起泵体的强烈振动，振坏真空泵的附属设备，而且会发出非常大的汽蚀噪声，高真空与汽蚀几乎是不可调和的矛盾。随着真空的上升（即压力降低），汽蚀和振动都将加剧，水环也在增大，因而叶片负荷也急剧增加，高真空所形成的巨大拉应力作用在叶片上，容易导致叶片疲劳断裂，该现象往往出现在叶轮铸造缺陷的位置。真空泵长时间在汽蚀的恶劣工况下运行，由于振动使泵附属设备及轴承的寿命缩短，叶轮的使用寿命也将大大缩短。

3 改造措施

要解决真空泵的汽蚀问题，需要降低工作水温度和提高真空泵入口压力。泵的工作特性受工作水温度的影响，可得到的最大真空度取决于工作水温度所对应的汽化压力，工作水温度越高泵内汽蚀越严重。降低工作水温度成本较大，尤其是夏季环境温度高时不易实现。降低系统真空度，让凝汽器背压上升来提高真空泵入口压力更不可能，这将严重影响机组的带负荷能力。理想的办法是在工作水温、系统真空不变的情况下能解决汽蚀状况，目前较好的选择就是给真空泵加装大气喷射器，可将泵入口绝对压力由4～8kPa提升至9～15kPa，从而大大减轻泵内的汽蚀现象，有效降低泵体振动对泵附件设备的损害，达到稳定运行的目的，而且整个真空泵组的抽汽性能会更好，进一步提高系统真空度，降低机组热耗。

3.1 大气喷射器的组成及原理

大气喷射器由喷嘴、吸气室和扩散器组成，其排气口与水环泵进气口相连（见图1）。

大气喷射器原理：先启动水环式真空泵，使喷嘴进气口和排气口之间形成压力差，大气可从喷嘴进入泵内，当压力差为大气压力的1/2时，空气介质经喷嘴收缩段得到加速，到喉部（图1中2）时可达到声速，到扩张段可进一步加速，射向扩散器形成高速射流，并造成吸气室内的压力比被抽容器内压力低，因此被抽气体吸入室内，由于两股气流在吸气室内混合，动量交换产生的损失使气流速率逐渐减慢，当气流进入扩散器则速率下降到声速以下，经扩散器扩张段流速进一步降低，压力不断升高，最后达到大气喷射器的排气压力，即水环式真空泵的吸气压力，水环真空泵把气体吸入再排出泵外，即完成吸气、排气过程。

图1 大气喷射器结构

3.2 大气喷射器的连接与控制

2011年9月利用9号、10号机组状态检修机会，对真空泵进行加装大气喷射器的改造，改造前后管路接线示意分别见图2、图3。

图2 改造前管路接线示意

图3 改造后管路接线示意

由图2、图3可以看出，改造前后除增加大气喷射器组件外，由于安装位置限制，去除真空泵入口逆止门，增加1个气动蝶阀、差压开关和压力表等附件。在图3所示大气喷射器切换阀2前增加压力开关，其作用是用来控制进气三通与喷射器三通接管间的大气喷射器切换阀2及喷射器上的大气喷射器驱动气动阀3的开与关，从而控制喷射器的投入和退出。具体控制步骤如下.

a.当真空泵启动时，压力开关测得泵内压力小于10kPa（具体值可根据夏、冬季不同运行工况设定）时，大气喷射器切换阀2关闭，同时大气喷射器驱动气动阀3开启，当上述2个阀门动作完成后，大气喷射器处于投入状态。

b.当真空泵运行时，压力开关测得泵内压力大于14kPa时（具体值可根据夏、冬季不同运行工况设定），大气喷射器驱动气动阀3关闭，同时大气喷射器切换阀2开启，当上述2个阀门动作完成后，大气喷射器处于退出状态。

c.原来机组针对泵组抽汽气动蝶阀1的压力开关和压差开关的设定值均不需改变。

4 改造效果

改造保证了真空泵不会发生汽蚀现象，噪声下降了12dB，轴承处振幅减少0.012mm，真空泵的使用寿命将得到提高，改造至今未出现过叶轮断裂、振动过大损坏热控设备的现象。在高真空阶段加装大气喷射器的泵组抽气性能比单泵更好，同时凝汽器真空始终维持在2～6kPa的理想水平，为提高机组的带负荷率创造了良好的条件。

加装大气喷射器后，减少汽蚀振动对叶轮及泵附属设备（表计、轴承等）的损坏，延长检修周期和设备使用寿命，节约检修维护费用；真空泵的抽气性能得到提高，通过观察和DCS上历史曲线显示，机组的凝汽器真空更稳定，且同比条件下真空提高200 Pa，左右。参考《中国大唐集团公司火电机组能耗指标分析指导意见》，300MW机组真空度每提高1 kPa，降低供电煤耗3.2g/kWh，若按单台机组负荷率80%计算，真空度提高200Pa每天可节约标煤0.2×3.2g/kWh×300×103kW×24h×80%＝3.686×106g＝3.686t，按照标煤单价750元/t计算，机组每年运行300天，每年可节省成本750元/t×3.686t×300天≈82.93万元，改造后真空泵运行电流增加约30A，按照上网电价0.40元/kWh计算，单台机组每年运行成本增加30A×380V×10－3×24h×300×0.4元/kWh≈3.28万元，单台机组实际每年节约运行成本82.93－3.28＝79.65万元。

5 结束语

水环式真空泵振动和噪音的汽蚀问题会造成叶片的断裂和裂纹，影响机组的安全稳定运行，加装大器喷射装置的改造方案，可降低真空泵轴承的振动值和运行噪音，降低叶片断裂风险，提高了机组的真空。通过改造说明，真空泵加装大气喷射器后，降低设备运行时的汽蚀噪音，有利于环保；提高运行机组的真空，可降低煤耗，有利于节能降耗；真空泵即使在高真空运行状态下泵内汽蚀及造成的振动明显减小，可有效延长轴承和叶轮的使用寿命，有利于设备的安全稳定运行，同时可延长设备的检修周期，节约检修费用。