某电厂真空泵汽蚀异响原因分析及处理方法

2021-07-09温文忠

燃气轮机技术 2021年2期

温文忠

(深圳南山热电股份有限公司，广东深圳 518052)

汽轮机凝汽器真空度是电厂运行的一个重要参数，真空度降低将导致机组的热耗升高、发电量降低。水环真空泵是凝汽器抽真空系统的主要设备，大型发电厂几乎均采用水环真空泵建立并维持凝汽器真空，水环真空泵的安全稳定运行直接影响机组的安全性和经济性。本文对某电厂调试期间出现的水环真空泵不良振动和异响现象进行相关分析，详细介绍了解决措施，通过增设回流管路及相关阀门，有效消除了水环真空泵在运行过程中出现的气蚀，保障了机组的安全经济运行，也希望能为其他机组出现的类似问题提供一定的借鉴。

1 故障现象

凝汽器是热电厂生产过程中汽水系统的一部分，它可以将汽轮机排汽冷凝成水，并在汽轮机排汽处建立真空和维持真空。电厂机组正常运行时凝汽器必须要维持真空状态，凝汽器真空开始建立是由真空泵启动后不断抽吸凝汽器和汽缸内气体，并排到大气，在机组带满负荷运行时靠冷却水不断冷却汽轮机绝大多数排汽形成真空，此时凝汽器内不凝结的气体靠真空泵抽出，真空泵起到维持真空的作用。

某国外联合循环电厂总装机容量为230 MW，采用燃气-蒸汽联合循环发电技术，配置有两台6F级燃气轮机发电机组、两台双压余热锅炉及一台纯凝湿冷汽轮发电机组。其凝汽器真空系统配套了2台水环式真空泵，其中一台备用，在启动及凝汽器性能恶化时也可以两台同时投入运行。该真空泵工作液由工业闭式冷却水进行冷却。凝汽器真空系统正常投运时，发现两台真空泵AB运行时汽蚀异音较大，用测振仪在泵体上测得最大振动值达到7.2 mm/s，真空泵入口气动阀后压力为-95 kPa,泵运行时电流较稳定。现场海拔高度295～298 m，大气压在97～98 kPa左右，凝汽器真空监测变送器显示压力为-95.7 kPa，真空泵工作水的温度为13～14 ℃。具体数据见表1真空泵AB改造前运行参数。

表1 真空泵AB改造前运行参数

2 技术分析

2.1 水环真空泵工作原理

在泵体中装有适量的水作为工作液，当叶轮旋转时，由于离心力的作用泵内形成一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环，水环的上部分内表面与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。由于叶轮是偏心的，叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，这一空间被叶片分成若干个小腔。水环相对于叶片作相对运动，使相邻2个叶片之间的空间容积呈周期性变化。此空间容积由小变大时,气体从外界吸入，容积由大变小时,原来吸入的气体受到压缩，当压力达到略高于大气压时,气体由水中分离出来排到分离器，分离出的水经冷却器冷却后，靠真空泵的自吸能力从泵壳的下部进入泵内[1]。

2.2 凝汽器真空系统工艺流程

如图1水环真空泵流程图所示，该电厂设备的真空系统主要由真空泵、汽水分离器、热交换器、电机、附属的设备以及相匹配的管道和阀门组成，它的使用是由系统的各个部分设备共同运作实现的。系统设备正常后开始投入运行，当真空泵压力比凝汽器压力低2～3 kPa时，入口压差开关动作，抽气管路入口气动控制蝶阀处于打开状态，这时，干气体和水蒸气经过进气管进入真空泵中，压缩后再由排气管排至汽水分离器中。气汽混合物进入汽水分离器后，不溶于水的气体和一些蒸汽直接从顶端排入大气，通过除盐水补给管路进行补充损耗的水量。汽水分离器出来的工作水经过板式热交换器冷却后分为两路：其中一路经节流孔板喷入水环真空泵入口，对从凝汽器抽出的气汽混合物进行预冷却，提高真空泵的出力；而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[2]。

图1 水环真空泵流程图

2.3 原因分析

该电厂海拔高度295～298 m，常年大气压在97～98 kPa左右。故障发生时，当日环境温度为15 ℃，大气压力为97 kPa，真空泵工作水的温度为13～14 ℃。按照工作水温为13 ℃，对应的绝对饱和压力为1.5 kPa，对应相对饱和压力为-95.5 kPa，真空泵入口压力为凝汽器压力-95.7 kPa，因而容易造成水环真空泵在运转中局部区域工作水的绝对压力减低到当时温度下的工作水饱和压力，工作水便在该处开始气化，产生大量蒸汽形成气泡。当含有大量气泡的液体向前经叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以致破裂，产生汽蚀现象，从而发生振动和异音。另外，按照水环真空泵工作原理即冷却水温度较低时，冷凝效果加强，系统来气量小，而真空泵工作液温度越低，泵抽吸性能越好，这样就容易造成了系统高真空[3]。当真空泵内达到极限真空度的时候，也就是泵内的工作液在此温度下的饱和蒸气压力的时候，就会产生无数的小气泡，当叶轮转动，气泡随着叶轮从低压区流到高压区时，气泡从水中溢出破裂，这也是造成汽蚀原因之一。

在真空泵运行过程中，产生气泡和气泡破裂会使通流部件遭受到破坏的。严重会造成金属表面出现点蚀现象，甚至会出现蜂窝状损坏。如果真空泵叶轮在汽蚀部位有较大的残余应力，还会引起应力释放从而产生裂纹，影响设备安全高效运行。

3 改造方法

在真空泵汽蚀过程中产生的气泡在压缩中破裂，拟从外部引入压力较高的不凝气体及时补充因气泡破裂而出现的空间，这样可以大大减轻汽蚀对泵的损坏及降低汽蚀引起的噪声和振动。在泵发生汽蚀现象时，从泵体排气侧气液分离罐顶回流一部分气体到泵的进口，适当降低泵进口的真空度，从而使得真空泵内达不到工作液的汽化压力。

根据现场设备管路图，在气液分离罐顶部盖板处与泵进气三通管路压力表阀之间加装一条管径为DN15的回流管路并配上阀门。在真空泵进口处的压力表座位置安装一个三通管接头，上端装压力表阀，侧孔与回流管路相连。真空泵启泵前关闭回流管路阀门，只在系统达到高真空出现汽蚀异音时适度打开阀门。详细位置参照图2改造管道布置图及图3改造后现场布置图。

图2 改造管道布置图

图3 改造后现场布置图

4 改造效果

为了检验改造后结果，在汽轮机满载的情况下，分别对真空泵AB 进行了该段回流管投入试验。试验前该段回流管的阀门V1 关闭状态，然后缓慢调节其开度分别测量泵体振动值，判别汽蚀的声音。随着阀门开度增加，泵汽蚀声音逐渐变小，电机电流缓慢变大，真空泵的进气阀前压力P1及凝汽器压力基本维持不变，泵体最大振动值缓慢变小直至合格范围之内。具体测量数据如表2 真空泵AB改造后运行参数。