水環(huán)真空泵抽氣不足對凝汽器真空的影響

　　凝汽器的真空度不僅取決于自身的運行參數，而且還取決于抽氣設備的工作性能。通過凝汽器漏空氣量和水環(huán)真空泵抽氣量的平衡關系，建立水環(huán)真空泵抽吸不足對凝汽器真空影響的數學模型，定量分析了水環(huán)真空泵工作水溫度和凝汽器真空的關系。實例計算表明，降低工作水溫度可提高凝汽器真空度。

　　凝汽器真空度是凝汽器特性的主要指標，對汽輪機的運行經濟性、安全性及調節(jié)都有很大的影響。在運行過程中，凝汽器真空度不僅受到自身運行參數(如汽輪機排汽量、循環(huán)水流量、循環(huán)水溫度等)的影響，而且還受到抽氣設備工作狀態(tài)的影響。尤其是300MW 及以上等級機組，抽氣設備大多數為水環(huán)真空泵。水環(huán)真空泵雖有抽氣量大、節(jié)能、節(jié)水等優(yōu)點，但也極易出現抽氣不足而導致凝汽器真空度偏低的問題。因此，研究水環(huán)真空泵抽氣不足對凝汽器真空度的影響，對于提高機組的經濟性具有重要的意義。

1、水環(huán)真空泵抽真空系統(tǒng)的原理

　　水環(huán)真空泵是以泵轉動部分的機械作用排除泵體內氣體，其工作原理為：偏心輪安裝在充有適量工作水的橢圓形泵體內，帶有若干前彎葉片的轉子在泵體內旋轉時，形成水環(huán)并在葉輪輪轂與水環(huán)間形成一個新月形空腔，轉子每轉動1周，轉子上2個相鄰葉片與水環(huán)間所形成的空腔，由小到大、再由大到小作周期性變化。當空腔由小變大時，產生真空，經進氣口吸入氣體;由大到小時，產生壓力，氣體被壓縮并經排氣口排出。由于每個相鄰葉片與水環(huán)所構成的空腔均處于不同的容積變化過程，所以當轉子轉動時，泵的吸排氣均為連續(xù)、不間斷過程。

　　圖1為水環(huán)真空泵抽真空系統(tǒng)示意圖，主要由真空泵、汽水分離器、工作水冷卻器、電動機以及相關的管道和閥門組成。真空泵冷卻器冷卻水一般取自凝汽器循環(huán)水進水，冷卻水出水接入循環(huán)水出水。

圖1　水環(huán)真空泵抽真空系統(tǒng)

2、水環(huán)真空泵抽氣不足對凝汽器真空的影響

　　2.1、工作水溫度對水環(huán)真空泵性能的影響

　　由道爾頓定律可知，工作水溫度越高，水環(huán)真空泵所能抽吸的真空度就越低，同時工作水還起到冷卻氣體和密封工作腔等作用。因此，降低工作水溫度可以提高水環(huán)真空泵的極限真空，工作水溫度越低則極限真空越高，且在相同吸入口壓力下的抽氣量越大。對工作水溫偏離設計值的運行工況，必須對其進行修正。

　　工作水溫度對抽氣量的影響可按下式進行換算：

　　式(1)中，p″c為水環(huán)真空泵吸入壓力，kPa;ps(15) 和ps(t)分別為工作水溫度為l5℃和t℃時飽和蒸汽壓力，kPa;Qs(15) 和Qs分別是工作水溫度為15℃和t℃時吸氣量，m3/min。當工作水溫度t>15℃時，Qs 由氣體狀態(tài)方程可知，工作水溫度為t℃時水環(huán)真空泵吸氣量中含干空氣質量流量為[2]：式(2)中，Gb　a為工作水溫度t℃時水環(huán)真空泵的抽空氣量，kg/s;T 為水環(huán)真空泵入口處混合物的溫度，℃;pT為T 對應的飽和壓力，Pa;Ra為空氣的氣體常數，J/(kg·K)。

　　2.2、水環(huán)真空泵抽氣不足對凝汽器真空的影響

　　當水環(huán)真空泵抽氣不足時，漏入凝汽器內的空氣不能及時地被抽出，造成空氣在凝汽器內積聚�？諝夥e聚降低了凝汽器汽側換熱系數as ，進而影響凝汽器總的傳熱系數K 。

　　式(3)～式(5)中，d1和d2分別為冷卻水管的外徑和內徑，m;aw和as分別為凝汽器水側和汽側的對流換熱系數，W/(m2·K);λ為冷卻水管的導熱系數，W/(m·K);Rf為凝汽器水側污垢熱阻，(m2·K)/W;ε為空氣積聚濃度;α0為純凈靜止蒸汽在單根水平管外壁上發(fā)生膜狀凝結時的放熱系數，W/(m2·K);C 為與凝汽器管束布置方式有關的系數。

　　由式(3)～ 式(5)可知，隨著空氣積聚濃度ε的增大，汽側放熱系數as減小，進而使傳熱系數K 減小，K 的減小又使凝汽器傳熱端差增大及真空度降低。凝汽器真空是采用分區(qū)熱力計算法得到的，計算框圖如2所示。

　　另一方面，當空氣在凝汽器內積聚達到一定程度時，主凝結區(qū)內空氣的分壓就不能被忽略，凝汽器壓力不再近似等于蒸汽凝結溫度對應的飽和壓力，而是蒸汽分壓和空氣分壓之和。計算公式為：

圖2　凝汽器真空度的計算框圖

3、實例計算與分析

　　以某電廠300MW 機組配套的N-17800型凝汽器為例，機組配備2臺水環(huán)真空泵，型號為2BW4353-0EK4，正常運行時1用1備。

　　3.1、工作水溫度對水環(huán)真空泵性能的影響

　　水環(huán)真空泵的抽氣量是水環(huán)真空泵性能參數的重要指標。圖3為水環(huán)真空泵工作水溫度與其抽氣量的關系曲線。從圖3看出，在吸入口壓力低于20kPa時，工作水溫度對水環(huán)真空泵抽氣能力的影響很大，而凝汽器抽氣口壓力一般在10kPa以下，因此，工作水溫度對凝汽器水環(huán)真空泵抽吸能力的影響很大。當工作水溫度為25℃和吸入口壓力為5kPa時，水環(huán)真空泵抽吸能力僅為規(guī)定條件下的55.5%。由此可見，降低工作水溫度對于提高水環(huán)真空泵抽吸能力是非常有效的方法。

圖3　工作水溫度對水環(huán)真空泵抽氣量的影響

　　3.2、工作水溫度對凝汽器真空的影響

　　凝汽器真空度是反映凝汽器運行狀況的重要指標。圖4～圖5分別為機組100%負荷和75%負荷時，水環(huán)真空泵工作水溫度對凝汽器真空的影響關系曲線。由圖4～圖5可知，工作水溫度對凝汽器真空的影響存在一個臨界值ta ，當工作水溫度低于臨界值時，凝汽器性能受工作水溫度變化的影響很小，其真空度隨工作水溫度的升高幾乎不變;當工作水溫度大于臨界值時，凝汽器真空度隨工作水溫度的升高而迅速下降，且下降的幅度越來越大，即工作水溫度越高，對凝汽器真空影響越大。在一定負荷下，循環(huán)水溫度越高，工作水溫度變化對凝汽器真空度的影響越大。例如機組在100%負荷和循環(huán)水溫15℃時，工作水溫度從10℃升高至20℃，凝汽器真空度從97.84kPa變化到97.28kPa，下降了0.56kPa;在100%負荷和循環(huán)水溫度25℃時，工作水溫度從20℃升高至30℃，凝汽器真空從95.48kPa變化到94.36kPa，下降了1.12kPa。

圖4　100%負荷時工作水溫度對凝汽器真空的影響

圖5　75%負荷時工作水溫度對凝汽器真空的影響

　　表1列出了凝汽器在不同運行條件下，真空開始急劇降低所對應的工作水溫度(即工作水臨界溫度)。從表1可知，在同一負荷下，循環(huán)水溫度越低，工作水臨界溫度越低;同一循環(huán)水溫度下，負荷越低，工作水臨界溫度越低。工作水臨界溫度因凝汽器運行條件的不同而變化。因此，機組變工況運行時，必須密切注意工作水溫度的變化。

表1　凝汽器在不同運行條件下的工作水臨界溫度

　　3.3、分析

　　對于完整的水環(huán)真空泵和凝汽器系統(tǒng)來說，在其它條件和漏氣量不變的情況下，工作水溫度升高引起水環(huán)真空泵抽吸能力下降，在凝汽器壓力和水環(huán)真空泵吸入口壓力平衡關系被打破又重新建立的過程中，空氣在凝汽器內積聚，相對于原來的平衡關系，空氣相對含量增大，阻礙蒸汽在凝汽器內的傳熱過程，從而降低傳熱系數并直接抬高了凝汽器壓力。在極端的情況下，當工作水溫度過高時，水環(huán)真空泵甚至抽不出漏入凝汽器內的空氣，空氣不斷積聚后，破壞了機組的真空狀態(tài)。

　　3.4、改進措施

　　300MW 及以上容量機組配置的水環(huán)真空泵工作水設計溫度一般為15℃，采用循環(huán)水冷卻工作水。夏季高溫季節(jié)，由于循環(huán)水溫度的升高，工作水溫度達到33～35℃以上，水環(huán)真空泵的抽吸能力大幅下降，導致機組真空度降低甚至惡化，極大地影響機組運行的經濟性和安全性。

　　有效降低水環(huán)真空泵工作水溫度，是解決機組夏季真空偏高的主要技術措施。目前，電廠主廠房都安裝有中央空調，其冷凍水出口水溫度較低，在12℃左右。因此，為了降低水環(huán)真空泵工作水溫度，可以采用中央空調冷凍水來冷卻水環(huán)真空泵的工作水，從而達到降低工作水溫度的目的，提高水環(huán)真空泵抽吸能力和凝汽器真空。水環(huán)真空泵冷卻器加裝冷凍水管道布置，如圖6所示。

圖6　真空泵冷卻器加裝冷凍水管道布置圖

4、結語

　　(1)水環(huán)真空泵的工作水溫度對其抽氣量的影響很大，特別是在吸入口壓力較低的范圍內，工作水溫度越高，其抽氣量越小。

　　(2)在漏氣量一定的情況下，當工作水溫度低于工作水臨界溫度ta時，凝汽器真空度隨工作水溫度的升高變化不大;當工作水溫度高于工作水臨界溫度ta時，凝汽器真空度隨工作水溫度的升高而急劇下降，且工作水溫度越高，真空下降幅度越大。