汽轮发电机组真空压力偏低及波动的原因分析

习 鹏

(中国石化上海石油化工股份有限公司热电部，200540)

真空泵是一种性能优越的抽气设备，具有抽气量大，汽水、工质损失少，安全可靠和自动化程度高等优点。根据中国石油化工集团公司凝汽器达标治理项目的要求，中国石化上海石油化工股份有限公司热电部1#热电联合装置(以下简称1#装置)的2#机组凝汽器抽气设备由原射水抽气器改造为2BW4－253型水环式真空泵成套装置(以下简称“真空泵”)，功率75 kW，转速740 r/min。改造完成后，2#机组真空泵运行稳定，机组启动时间显著缩短，耗电量降低，工业水用量明显减少，凝汽器真空压力达到了预期的改造效果。但是机组在特殊工况下会出现真空压力波动的现象，例如夏季气温较高时机组真空压力较改造前低，影响了机组的安全运行。

1 2#机组运行过程中存在的问题

1.1 夏季真空压力偏低

真空泵依靠容积的变化来达到吸气和排气的目的。凝汽器中的气汽混合物经过真空泵的抽吸进入气水分离器。分离出来的气体排入大气，分离出来的水与补充水一同进入板式换热器进行冷却。水分为2路:一路经喷嘴喷入水环泵入口，冷却凝汽器来的气汽混合物，以提高真空泵的抽吸能力［1］;另一路直接进入真空泵作为工作水，维持真空泵的水环和水环的温度。

2011年11月，2#机组真空泵改造完成，在随后的冬季和2012年的春季，2#机组凝汽器真空压力总体较往年当季有所改善，基本达到改造目的。但是，进入2012年夏季后，2#机组凝汽器真空压力逐步下降，并且比往年夏季低。该现象一直持续到同年秋季，外界环境转冷后，凝汽器真空压力逐渐上升，同比优于往年秋季水平。改造前后2#机组真空压力变化见表1。

表1 改造前后2#机组真空压力对比

1.2 真空压力发生波动

真空泵冷却水系统改造后，机组的真空压力在特殊工况下曾出现过几次异常波动。以近期发生的一次为例:2013年3月18日，2#机组低压供热抽汽量由120 t/h增加至150 t/h后，凝汽器真空压力开始在－97.0～－95.49 kPa范围内波动。

2 2#机组真空压力偏低及波动的原因分析

影响机组凝汽器真空压力的因素众多且复杂，机组轴封汽、循环水、凝汽器水位、抽真空设备的异常，凝汽器钛管脏污及真空系统的不严密均会导致机组真空压力出现异常。根据对运行日志、运行日报、月报及历史数据的调查，可以排除轴封汽中断或不足、循环水中断或不足、凝汽器水位过高过低等因素;对2#机组凝汽器进行分组清洗，发现机组真空压力在凝汽器清洗后也没有得到提高，因此凝汽器钛管洁净程度的影响也可以排除;最后，对2#机组真空系统严密性及真空泵的运行情况进行试验及分析。

2.1 真空系统严密性对机组真空压力的影响

机组真空系统的严密性对凝汽器真空起到决定性影响，通常采用真空严密性试验来检验机组真空系统的泄漏情况。2#机组改造前后分别进行了数次真空严密性试验，结果如表2所示。

表2 改造前后2号机组真空严密性试验数据对比

对表2的数据进行对比后发现:2#机组在凝汽器达标改造后，其真空系统的严密性与改造前相比并无明显差异，并非造成凝汽器真空压力偏低及波动的关键因素。

2.2 真空泵性工作水温度的影响

2.2.1 工作水温度对真空泵性能的影响

真空泵的性能与被抽吸气体的状态、工作水的温度及性质有关。在其他条件不变的情况下，工作水的温度升高，对应的饱和蒸气压力升高，抽气量减少，使得真空泵抽吸空气量减少［2］。将真空泵工作水温度所对应的饱和蒸气压力视为真空泵当前运行条件下的“极限抽吸压力”，与标准大气压(取101 kPa)相减后得出真空泵当前运行条件下的“极限抽吸真空压力”。例如，真空泵工作水温度在35.5℃时，对应的汽化压力为5.8 kPa，可以认为这就是真空泵在当时运行条件下的“极限抽吸真空压力”，因此该条件下的“极限抽吸真空压力”为－95.2 kPa。

2.2.2 夏季真空泵工作水温度对凝汽器真空压力的制约

2#机组真空泵板式换热器的冷却水源设计为工业水，为来自冷却塔的闭式循环水。当工业水温度较低时，冷却效果较好，能使真空泵工作水温度降低，真空泵的抽吸能力增强，真空泵的“极限抽吸真空压力”提高。

当夏季工业水温度较高时，对工作水的冷却达不到设计效果，导致真空泵工作水温度升高，其“极限抽吸真空压力”下降。而机组凝汽器的高度真空是由真空泵来维持的，机组的真空压力必然低于真空泵的“极限抽吸真空压力”。在此情况下，真空泵工作水温度偏高将对机组的凝汽器真空压力的提高形成制约。

经调查，该板式换热器的传热端差小于3 K，能够保证工作水出口与工业水入口的温差不超过3 K。但由于夏季工业水温度达到35℃，因此被其冷却的工作水温度最低也只能达到38℃，再加上真空泵旋转的耗功以及凝汽器内抽气混合物所传递的热量，工作水温度甚至达到45℃，而工作水温度在33℃以下时真空泵才能达到其额定出力，因此工作水温度过高必然导致真空泵的抽吸能力严重下降，空气在凝汽器内积聚，使凝汽器的真空下降。例如，当工作水温达到42℃时，真空泵的“极限抽吸真空压力”为－93.1 kPa，机组凝汽器真空压力必然低于该数值，机组的效率将受到严重影响。

2.2.3 真空泵工作水温度过高导致机组凝汽器真空压力的波动

如果真空泵内的工作水温度始终低于凝汽器排气温度，真空泵的“极限抽吸真空压力”就不会对凝汽器真空压力的提高形成制约。但是机组在“低负荷、高抽汽运行”这样的特殊工况下则很容易出现真空泵的“极限抽吸真空压力”低于凝汽器真空压力的情况。如果工作水温度得不到改善，将影响机组凝汽器真空的形成，造成真空压力波动。

对2#机组2012年3月18日21时的集散控制系统(DCS)历史数据进行调查后发现:2#机组抽汽流量增加后，凝汽器的真空压力升高至－96.84 kPa，排气温度降低至27.75℃。此时真空泵的工作水进水温度在22℃，而泵内工作水的实际温度将更高，在30℃左右。真空泵内工作水的实际温度高于机组排气温度，真空泵的“极限抽吸真空压力”就会低于机组凝汽器真空压力。不凝结的气体在凝汽器内聚集，导致机组真空压力下降，排气温度升高。当排气温度超过真空泵内工作水温度时，真空泵有能力将凝汽器内不凝结气体抽出，机组真空压力升高，排气温度降低。如此往复直至稳定，形成了机组凝汽器真空压力的波动。

综上所述，2#机组真空泵工作水温度偏高是导致其凝汽器真空压力偏低及波动的关键因素。要解决这一问题，必须降低真空泵工作水的温度。而降低真空泵工作水温度的方法有多种，需根据现场设备条件和布置选取更为合理的方式［3］。

3 真空泵冷却水系统改造与维护建议

根据现有设备及资源，增设中央空调冷冻水作为冷却水源、定期清洗板式换热器以确保换热效果这2项措施较为可行。

3.1 增设空调冷冻水为真空泵冷却水源

1#装置汽机主厂房内安装有中央空调系统，主机采用上海一冷开利空调设备有限公司生产的螺杆式水冷冷水机组，型号为30HXC200A，制冷量为2.5×106J/h，冷冻水流量为120 m3/h，冷冻水出水温度在7～12℃范围内可调，出水压力为0.4 MPa。

1#装置进行 DCS、数字式电液调节系统(DEH)改造后，原控制室已改造为电子室，中央空调现仅供夏季设备降温使用，用量较小。为了降低真空泵工作水温，提高其工作效率，从中央空调冷冻机组冷冻水进、出水管路引冷冻水至真空泵板式换热器供其使用，从而降低真空泵工作水温度从而提高机组凝汽器真空压力(详见图1)。

图1 真空泵板式换热器冷冻水管道布置情况

经测量，板式换热器工业水侧入口管外径为47 mm，壁厚为3 mm。厂内工业水流速估算值为2～3 m/s，此处选中间值2.5 m/s，那么板式换热器工业水侧流量Q为:

式中，V为工业水流速，m/s;S为工业水管道横截面积，m2;R为工业水管道内半径，m;D为工业水管道外径，m;d为工业水管道壁厚，m。

根据上式，板式换热器每小时工业水用量为:

假定夏季工业水的温度为35℃，经过如图1所示的改造后，每小时将6 t温度为7℃的空调冷冻水注入板式换热器工业水侧，则经混合后的冷却水温度T为:

板式换热器能保证工作水出口与工业水入口的温差不超过3 K，在上述情况下可保证真空泵出口工作水温度在24℃左右。据估计，真空泵内实际工作水温约为30℃，对应的饱和压力为4.2 kPa，换算成真空压力为 －96.8 kPa(标准大气压)。

预计经过上述改造，在夏季(7、8月份)的相同工况下，可将2#机组真空压力提升2 kPa左右。

3.2 定期清洗板式换热器

板式换热器换热效率较高，但由于板与板之间的间隙较小，一旦结垢，将堵塞间隙，严重影响其换热效果。因此，建议有关单位制定措施，定期对板式换热器进行清洗、以维持其换热效率。

4 结语

凝汽器真空压力是汽轮机组重要的经济指标之一。据计算，机组真空压力每提高1 kPa，每吨排气可多发电2.5 kWh。如果按上述建议对2#机组真空泵冷却水系统进行改造，能有效改善夏季机组凝汽器真空压力偏低及真空压力在特殊工况下波动的异常情况，还能优化真空泵内的工作环境，提高凝汽器真空压力，保证机组的安全、经济运行。

［1］马岩昕.水环真空泵工作液冷却器冷却水系统的改造［J］.黑龙江电力，2012(8):310－311.

［2］周兰欣.水环式真空泵工作水温度过高对机组真空的影响及应对措施［J］.电力建设，2010(12):98－100.

［3］李琼.工作水温度对真空泵影响的分析及试验研究［J］.电站系统工程，2012(5):53－54.