关于秦山核电厂抽气器改真空泵的问题浅析

2018-11-21李屹

科技视界 2018年20期

李屹

【摘要】由于凝汽器的真空系统在汽轮机组运行时有着非常重要的意义，因此在分析了目前使用的射汽式抽气器的运行状况之上，參考对比其他电厂的真空系统，对比射汽式抽气器与水环式真空泵的优缺点，提出改造方案。同时对于改造后的真空泵运行，提出了可能的假想故障分析。

【关键字】真空；抽气器；真空泵；改造

中图分类号： TM621.3 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）20-0007-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.003

1 概述

秦山核电厂 320MW 机组凝汽器真空系统设置了两台启动抽气器（以下简称“启抽”）和两台主抽气器（以下简称“主抽”）。在启机时，两台启抽并列运行，快速建立真空。在正常运行时，一台主抽连续运行，一台备用，维持机组真空。

按照抽气器水封管的经验公式，为防止热阱与抽气器直通，保证抽气器的正常工作，水封管的高度必须满足h≥2（p1-pc）÷10，其中p1为第一级冷却器压力，pc为凝汽器背压；凝汽器背压按设计压力pc=4.9kPa，当p1与大气连通而不会使空气进入凝汽器时有h≥（p1-pc）÷10=（101.3-4.9）÷10=9.64m，代入上式可反推得到p1≤53.1kPa。

同理，当p2与大气连通而不会使空气进入第一级冷却器时，根据U型管压力平衡可知：h'≥（p2-p1）÷10=（101.3-53.1）÷10=4.82，而实际上h'≈3m。这就在一定程度上造成了操作主抽时会掉真空的风险。

由于本机组并网发电近26年，相关抽气设备日趋老化，存在的故障隐患也日趋增多，且在实际运行过程中，存在一定操作风险，造成了真空系统的安全可靠性下降，不利于机组的稳定经济运行。在参考了国内其他火电机组、新核电机组的真空系统之后，故考虑对本系统的设备进行改造。

1.1 真空系统对凝汽器运行的重要性

本机组的凝汽器真空主要是由抽气器来维持稳定的，而凝汽器真空对机组的安全性和热经济性又有着有很大影响。

（1）经济性影响

据资料计算，对于一台600MW的汽轮机，热耗若增加0.05%，则会少发电306kW。即真空每降低1kPa，汽耗就增加了1.5%～2.5%。

汽轮机排汽压力、温度升高，蒸汽在机内的可用焓降减少，蒸汽在凝汽器中的冷源损失增大，机组效率下降，出力减少。

（2）安全性影响

真空降低，要维持负荷不变，蒸汽流量增加，引起末级叶片过负荷，轴向推力增加，推力瓦温度升高，有可能烧毁推力瓦。

排汽温度上升，使汽缸及轴承座等部件受热膨胀引起机组中心偏移，可能发生振动。

排汽温度升高，使凝汽器的循环冷却水管胀口松弛。

排汽的体积流量减速少，不利于未级叶片工作。

2 真空系统改造的必要性

由于设备老化原因，自C18循环以来，机组在正常运行时，本机组抽气器在运行期间出现了很多影响。如表1所示。

2.1 抽气器对日常运行的影响

近期从运行日志查询还可发现，自2017年6月30日当地日平均温度上升以来，投运的2#主抽水位出现多次波动。根据巡检记录显示，瞬时最高水位接近15mm。如图1所示。

这可能是随着气温上升，海水循环水温度随之上升，造成凝汽器汽侧冷却效率下降，从而导致主抽从凝汽器抽取的汽气混合物中的汽含量升高，在抽气器冷却器中的冷凝水含量增加，进而导致水位升高。

2.2 抽气器对人因方面的影响

根据状态报告ZTBG201201018【1#主抽试车过程中凝汽器掉真空事件】，可以发现，当时检修人员在处理PW061529【1#主抽沙眼处理】缺陷时，发现主抽的1、2、3级蒸汽进汽阀压力较高，在线紧固有难度，因此提出运行操作员关小进汽阀的要求。由于当时抽气系统设备的现场环境复杂（高温、高噪音、且搭设了脚手架），检修人员随即在运行操作员的允许下关小了3级进汽阀开度，随即触发了主控“凝汽器水位A高“报警，DEH真空1从753mmHg→711.7mmHg，发电机电功率从327MW→309MW，阀门参考由103.4%→112.7%（阀限115%）。

由于抽气器在常规岛各系统中属于较特殊的大型设备，在日常功率运行过程中，涉及到的定期切换、相关试验等运行操作非常少。再加上该系统设备的工作原理本身就存在一定操作风险（必须先提供蒸汽，形成负压腔室，才能打开空气阀抽气）。所以难免使运行人员在操作时，增大操作风险和负担。

2.3 抽气器对操作上的影响

（1）启停机时，需要打开旁路阀，防止凝结水汽化。

由于当初设计原因，在机组启动和停机阶段，主抽还可能造成凝结水汽化。这主要是由于通过主抽的凝结水流量不足而造成的，因此需要关闭主抽凝结水侧的旁路阀NJS-32V来防止汽化。

（2）遇掉真空紧急情况投入备用主抽耗时长。

备用主抽三级进汽手动阀为关闭，要打开备用主抽的空气阀之前必须先确认三级进汽手动阀已调节打开。因而，投入备用主抽需要一定时间。除非凝汽器真空≤700mmHg，则优先投运启抽。

（3）机组启动前，需要待蒸汽供应条件满足后才可启动抽气器，且整个操作过程所需时间较长。

在启机前，凝汽器内部与大气压力相同，需投运2台启抽和1-2台主抽才能快速建立汽轮机冲转所需要的启动真空。且前提条件是蒸汽供应正常后。

2.4 抽气器对OLE延寿的影响

考虑到320MW机组OLE延寿项目，目前所使用的抽气器也不再能胜任延寿后对于凝汽器真空系统的工作要求了。

3 抽气器和真空泵的对比

参考国内其他同机组大小的电厂真空系统，以及日趋成熟的水环式真空泵技术，本机组计划将凝汽器抽真空系统的主要设备由抽气器改为水环式真空泵。

3.1 设备工作原理

3.1.1 启抽的结构和原理

启抽主要由工作喷嘴、混合室和扩压管组成。它是一个单级射汽式抽气器。工作蒸气经喷嘴是形成高速射流（可以达到1000m/s），同时在混合室形成比凝汽器更高的真空度，将凝汽器抽气部位的蒸汽和空气抽出，进入扩压管后速度降低压力升高，气汽混合物的压力稍高于大气，排入大气。如图2所示。

3.1.2 主抽的结构和原理

当凝汽器建立一定真空后，需采用三级抽气器来维持机组真空。

如图3所示，它是一个由三个独立的喷射式抽气器和冷却器，再加上壳体和相应的连接管道组成。所使用的工质可以回收，主要功能是在汽轮机组运行中抽出真空系统的非凝结气体，从而维持正常运行真空度。

3.1.3 水环式真空泵工作原理

如图4所示，本次改造参照恰西玛核电厂C3/C4项目的水环式真空泵选型。

水环式真空泵的主要部件是叶轮和壳体。由于叶轮偏心地装在壳体上，随着叶轮的旋转，工作液在壳体内形成运动着的水环，水环内表面也与叶轮偏心，由于在壳体的适当位置开设有吸气口和排气口，水环泵就完成了吸气、压缩和排气这3个相互连续的过程，从而实现抽送气体的目的。如下图5所示。

3.2 水环式真空泵的性能优点

相比于抽气器，水环式真空泵具有以下几个性能优点：

（1）启机时间缩短

如果继续使用抽气器来建立启动真空，需等到蒸汽供应之后，而采用真空泵来建立启动真空则不需要，这就加快了大修节点进度，并且有利于运行人员尽早发现真空系统可能遗留的缺陷。

（2）瞬态响应迅速

在运行过程中，如果遇到凝汽器真空下降，若在主控室立即启动备用真空泵即可维持真空的稳定。

（3）故障率失误率降低

采用水环式真空泵，还改善了工艺系统的复杂程度，降低了设备的故障发生率，以及降低了人员因素失误而造成的后果。

同時，由于主抽运行时间较长，加之设备老化。其冷却管束存在破裂的风险，导致凝结水溢入，使抽气器满水，凝结水压力下降，除氧器水位下降等一系列故障发生。

（4）综合性能优越

水环式真空泵运行经济，在持续运行工况下，真空泵的单位耗功量要小于抽气器的单位耗功量；使用寿命长，运行的稳定性高；水环式真空泵检修、维护周期长，工作量小；真空泵结构紧凑，占地面积小；汽水损失小等。

4 改造后可能出现的问题

4.1 改造后的运行方式

经询，改造后的凝汽器抽真空系统设置两台水环式真空泵组，它们通过一根母管与凝汽器的空气冷却区域相连。启动时两台真空泵并列运行，保证凝汽器中的空气和不凝汽体能快速被抽出，混合物排入大气。机组正常运行时，凝汽器真空由一台真空泵来维持，并可根据凝汽器真空情况一台或两台投入运行。真空抽气系统图如图6所示。

在机组正常运行时，一台真空泵保证连续地抽出空气和不凝结气体。凝汽器汽侧的空气/水汽混合物被引出，汇集至一根母管，抽空气支管上设置真空隔离阀。空气/水汽混合物中一部分蒸汽在水环式真空泵中被凝结，余下的空气/水汽混合物排往汽水分离器，被分离出的气体从分离水箱顶部经专设管线排大气。每台真空泵入口处各装设置一个真空隔离阀。

系统中两个凝汽器设备分别设置一个电动真空破坏阀。真空破坏阀用于在汽轮机跳机或停机时打开，让外界空气从真空破坏阀管线进入凝汽器，使机组转速在较短的时间内降至盘车转速。真空泵组设备流程图如图7所示。图8、图9分别为真空泵组设备结构图与真空泵组管路连接图

4.2 改造后对现有系统的可能影响

由于本机组计划在OT118大修中对本系统进行改造，目前该方案需借鉴恰西玛核电厂C3/C4项目进行可能的影响分析。

4.2.1 真空泵对日常运行的影响

经过换型后，可能出现的故障就会从抽气器的阀门内漏、卡涩等，转换为真空泵的主要故障——真空泵汽蚀。

在参考其他电厂在改造投运真空泵后，真空泵都曾出现真空泵叶轮损坏、叶片段落，甚至泵壳变形事故，特别是夏季水温升高，真空泵转子叶片材料（铸造304）在抗汽蚀上达到极限，其使用寿命受到一定影响，真空泵叶轮正常使用都不到一年，而且在更换叶轮期间机组没有备用真空泵。而导致真空泵汽蚀的主要原因有如下几点。

（1）海水温度升高

由于目前秦山核电基地共有9台核电机组，其最终热阱——海水平均温度较往年偏高，尤其在夏季工况下，环境温度及循环水温度很高。不但会由于凝汽器效率下降，还由于真空泵组冷却器使用的是海水作为其冷却水，这也将使冷却器冷却效果变差，进而使真空泵内的工作水温度升高，接近于真空泵工作压力下的饱和温度，这就会使泵内工作液汽化，导致真空泵处于憋死或接近憋死的状态下运行，从而发生汽蚀，损坏叶轮。

（2）冷却器堵塞

由于本次改造中，真空泵冷却器的冷却水供水来自海水冷却水供水母管，回水去往海水冷却水回水母管。故考虑可能在长期运行后，管侧极易滋生海生物，冷却器出现堵塞（海水侧）的现象。同样将会使冷却器工作效率下降，进而影响到真空泵发生汽蚀现象。

（3）工作液温度高

如果再排除了上述两种可能性的情况下，如果真空泵仍然发生汽蚀现象。可以考虑对其工作液进行改进。在国内某300MW机组的水环式真空泵改造中，将提供真空泵的工作液由闭式水改为了除盐水，闭式循环改为开式循环，使真空泵内温度保持较低水平，同时提高凝汽器补水温度。

为改善上述原因可能导致的后果，可采取的措施有如下几点。

（1）增加换热面积，降低真空泵工作液温度

（2）采用开式除盐水作为工作液

（3）定期巡检、定期切泵，避免阀门锈蚀

4.2.2 真空泵对人因方面的影响

尽管真空泵的工作原理稍有别于常见的离心泵。但其“一运一备”的运行方式是运行人员十分熟悉的，且改造后两台水环式真空泵将放置在常规岛厂房的+0.0米层的9#～10#柱，A～2/A区域，避开了+14.5米层的高温、高噪音的工作环境。

4.2.3 真空泵对操作方面的影响

（1）备用泵入口阀误开

通常真空泵采用的是“一运一备”方式。当进行真空泵切换操作时或其他作业时，可能误碰或入口阀自动误开。造成两台真空泵入口管线窜气，导致真空下降或波动。

改善措施：通过仪控设计，在主控室的CB526盘台上，增加两台真空泵入口阀的联锁，当一台泵在运行，且泵和入口阀的联锁都投入时，另一台备用泵入口阀无法打开。仅当符合运行泵跳闸或真空突降的联锁信号时，才可以打开并联动备用泵。

（2）若进行定期切换，存在掉真空的风险

浙江某公司在执行一次水环式真空泵切换操作中，由于操纵员在启动备用泵后发现“差压信号高”没有消失，误认为是不正常现象，于是解除自动，手动打开备用泵进口阀，但此时备用泵的水环尚未建立，在进口阀开后7s左右，又将其投自动，造成阀门自动关闭，随后该操纵员又手动打开该阀门，并停运了原运行的泵。此后2min，机组由于低真空跳机，如图10所示。

主要原因：（1）真空泵切换时，没有安排专人监视真空变化。（2）启动水环式真空泵前应确认注水完成。（3）设备可靠性不高。排气管线上的逆止阀有卡涩现象。

改进措施：（1）此类操作应严格把控风险，开好工前会，并明确责任分工。（2）严格按照操作票步骤执行，严禁跳步，漏步。并使用好防人因失误工具（自检、监护、三向交流等）（3）建议每天搬动气水分离器排气逆止阀1次，以防生锈卡死。因为每次启动时有水汽冲击该阀，运行时水汽温度较高，会长期冲蚀该阀，正常运行时，该阀又静止不动。

4.3 真空泵对原系统的影响

4.3.1 對R08辐射监测系统的影响

由于原系统的R08辐射监测系统是从抽气器排气总管线上引出的在线监测。由于该部分为凝汽器放射性气体辐射监测，涉及到技术规格书的设计要求，因此改型后R08辐射监测系统的接口、管道的位置变更需要经专业部门审查、核准，并报备国家核安全局通过。

4.3.2 对真空密封水系统的影响

如果改造方案中对于原阀门继续沿用，则可以考虑在重新检查分析可行性后，继续使用原系统的真空密封水。这样既可以降低改造成本，还可以减少改造工作量，减少管线的拆建。否则更换为新密封形式的阀门，前提是需要根据实际情况，分析选择新阀门的密封形式和阀门类型。

4.3.3 对海水冷却水系统的影响

由于本改造方案中冷却器（图7的130）采用海水冷却水，因此对海水的流量有所影响。目前本机组海水冷却水除大部分送往凝汽器冷却，剩余一部分经海水过滤器过滤（入口母管约0.07MPa），海水升压泵升压（出口母管约2.4MPa），供给以下用户：2台工业水冷却器，8台发电机空冷器，3台定子水冷却器，3台转子水冷却器。如图11所示。

建议可以将真空泵的海水冷却水取水管线从海升泵出口母管引出，其扬程既能克服在真空泵冷却器设计流量下的阻力。但具体海水使用量还需要专业部门进行评估计算，以保证冬季和夏季不同工况下，对升降功率后的发电机风温的技术要求。

4.3.4 对凝结水系统的影响

（1）由于采用的是水环式真空泵，因此真空泵在运行时需要有工作液配合完成吸气、压缩、排气的循环流程。但凝结水从凝结水泵母管（压力约0.8MPa）引出还是从凝升泵母管（压力约2.3MPa）需要专业部门进行分析估算，是否会满足本改造方案中的水环式真空泵工作液的压力要求。

（2）由于原来的抽气器系统抽气管线主要在常规岛厂房的+14.50米层，而本改造方案将真空泵的抽气管线主要移到了+0.0米层。因此需要有专业部门对抽气管线的流阻、真空等热工参数进行定量分析，以及完成热力循环图的修改。

4.3.5 对HEI标准的影响

根据技术要求HEI标准要求，在“启动工况下30分钟内将凝汽器的真空提高到33.86KPa”，并增加一条技术标准要求，“60分钟内将真空提高到4.9KPa”。相关要求需要专业部门进行计算、验证。

5 结论

（1）近年来，水环式真空泵在国内的火、核电厂中得到了广泛的应用。相比于抽气器，水环式真空泵具有启动时间短、单位耗功量小、运行稳定性高、使用寿命长等优点。

（2）本工程采用水环式真空泵替代抽气器来维持凝汽器的真空，可以有效的解决现阶段运行中出现的#2抽气器出力不足对凝汽器真空的影响。经过评估，根据汽轮机增容后的热平衡图，抽气器改为真空泵后可以满足机组增容后的运行要求。

【参考文献】

[1]水环式真空泵运行故障分析及对策，机电工程技术，李毅，2015年：44卷07期，224.

[2]水环式真空泵与射水、射汽抽气器的性能比较，仇如意，徐厚明，河南电力，2000年第3期：27.