韩忘帅

大唐石门电厂水环式真空泵加装
大气喷射器节能改造分析

大唐石门电厂 喻友明 骆少山

【摘  要】大唐石门电厂凝汽器水环式真空泵振动较大，且泵的气蚀造成过叶片断裂、壳体破裂等现象，长期运行时噪音巨大。为了改善机组运行状态下的机组真空及真空泵的运行工况，达到节能减排的目的，在#2机A真空泵入口进行加装大气喷射器改造，并对试验结果进行了分析。
【关键词】 水环式真空泵，大气喷射器，极限真空，汽蚀，使用寿命


1  概述
        大唐石门电厂一期#1、#2机组为300MW大型火力发电机组，真空系统真空泵为西门子原装2BE1-353型以及引进其技术的佛山真空泵厂生产的2BE1-353型单级水环真空泵。其工作原理是1个偏心叶轮安装在泵体内，在叶轮旋转时，液体受到离心力的作用在泵体内形成1个旋转的液环，叶轮端部与分配器之间的间隙被液体密封，叶轮在前半转（此时经过吸气孔，为吸气过程）的旋转过程中，密封的空腔逐渐扩大由于压差的关系气体由吸气孔吸入；在后半转（此时经过排气孔，为出气过程）的旋转过程中，密封空腔逐渐缩小气体从排气孔排出，完成一个抽气及吐气的循环过程。
2  问题的提出
        水环真空泵承担较大的压缩比(压比达30：1以上)；需要有较高的圆周速度(22m/s)以便使水环真空泵能储存较大的动能来完成压力能的转换。其工作原理本身就存在较苛刻的工作条件。首先是叶轮及叶片的铸造工艺难以满足要求，造成叶片夹渣、内部金属晶体粗化等问题，导致叶片的机械性能降低；其次是其工作环境为高真空（极限真空3.3KPa），长期作用下叶片汽蚀情况严重；再次为其叶片直径较长，在高压差（约97KPa）情况下长期工作，其叶片在交变应力作用下会产生扭曲、变形直至断裂，导致泵壳鼓包、破裂。其噪音巨大也是一结构性弊端。电厂就曾因为以上原因造成过叶片断裂、壳体鼓包、壳体破裂等设备事故，且长期运行时噪音巨大。
3  调查研究的主要依据及可行性
   图1是2BE1-353型单级水环真空泵抽气量与吸入压力、功耗的关系曲线。泵部铭牌：2BE1353-0、制造商：西门子、投产日期：1995年09月、汽量：5267立米/H、极限真空：3.3Kpa、转速：590 rpm 、配套功率：160 KW。
                                   
                                                   图1水环真空泵性能曲线
        现使用的水环真空泵性能曲线见图1所示，基本上可以分为2个区段，其中A-A0段称为稳定段（或工作段）。该区段反映出的水环泵性能是：在保持稳定的吸气量时，逐步提高机组凝汽器及其系统的真空。
        真空泵吸入压力为3-8KPa，在图1中可以看出，此段区间抽气量变化范围很大，真空容易波动，而功率消耗变化则不大。而此次改造则是希望能将真空泵入口压力提升至10-13KPa（图1中A-A0段），使其工作在稳定段，保持稳定吸气量及真空，并能减轻泵内汽蚀情况。此时真空泵压缩比由30:1降至10:1左右，可以提高真空泵的极限真空。
        图2所示为水环真空泵大气喷射器工作原理图。它以汽水分离器中的大气作为工作气体，通过喷嘴产生高速，使喷嘴后的压力降到3-4KPa。将凝汽器及其系统中的气体抽出并与工作气体相混合，经扩散管压缩至10-13KPa，水环泵入口压力升高，泵的工作区间也移至性能稳定段。
                                
                                       图2 水环真空泵大气喷射器工作原理图
        大气喷射器工作原理:在水环真空泵吸入口前串联一个大气喷射器，形成增压水环真空泵。使用增压式水环真空泵其目的是扩展压力范围，提高极限真空以取得更为有利的经济运行方式。
        为了克服水环泵技术性能上的缺陷，在水环泵前设置喷射器，组成一套技术性能完善的抽气设备，如图3所示。这种抽气设备能适应机组的启动和运行工况，可说是一套高效率的抽气设备并且能有效地改善水环泵的汽蚀性能、延长使用寿命和提高可靠性。
        3.1以加装大气喷射器提高机组夏季真空0.3kPa计算。按1kPa真空影响发电煤耗约2.5~3.3（西安热工研究院统计数据）计算，每100MW功率，按机组年夏季运行小时3000小时（125天），标煤单价按每吨800元计算，一年由于真空提高而带来的经济效益：
        ＝3000×0.3KPa×2.9/KPa×10-6×100×103×800＝20.88万元/年
        对于300MW机组，每年由于真空提高带来的经济效益在60万元以上。
        3.2改造后延长叶轮检修和更换的间隔时间，由此可节省部分检修费用。
        3.3此效益还不包括改善冷却水温对于改善真空泵性能的提高带来的经济效益。
        3.4如果一台机组同时进行两台真空泵的改造，300MW机组，改造投资在2年之内即可回收。
        3.5噪音减小，改善劳动环境和条件等。
                                       
                                                       4 具体实施的方案
        大唐石门发电厂于2010年8月份对#2机组A真空泵实施了改造，改造前后图进行对比如下图4、图5：
                                      
                                                               图4 改造前
                                      
                                                                 图5 改造后
        施工步骤：1、真空泵空气管道解开，密封好真空泵入口，防治杂物掉入泵内；2、在汽水分离器顶部加装Z41H-16 DN80闸阀；3、将蝶阀平移至靠近垂直管段；4、真空泵入口水平管道开φ159mm孔；5、确定喷射器入口进气口位置，开φ159mm孔；6、确定水平后，焊接弯头与直管段；7、清理焊渣；8、焊好后水平管道就位；9、制作连接管段。
        具体做法是：1、把喷射器三通管后的气动蝶阀换成了逆止阀，把真空泵气动碟阀前移，控制部分也做了相应调整。2、在汽水分离器顶加装了一台手动闸阀，这种改进，使大气喷射器的投退及控制更加简单、可靠，而且又节约了成本，使整个系统简单化，实现了安全经济双丰收。
        大气喷射器的投入和退出：大气喷射器的进气蝶阀和逆止阀相互配合，可以集控一键实现喷射器的投退。
5、改造实施后性能试验及分析
5.1大气喷射器性能静态试验方法及数据
5.1.1试验方法：关闭A真空泵入口手动隔离阀。初始喷射器不投入，待真空泵运行5分钟稳定后再投入喷射器。
5.1.2大气压力 99.62kPa 。
5.1.3 A泵测试数据记录如附表1所示。
5.1.4大气喷射器的静态试验数据分析：
        喷射器投用后，真空泵运行噪音从95.5 dB降低为85.0 dB, 噪音下降10.5 dB，对缓解真空泵气蚀具有显著作用。
        喷射器投用后，真空泵极限真空，在工作水温27.6℃时，真空泵极限真空从-97.0 KPa提高到 -99.5 KPa，提高2.5 KPa；在工作水温30℃时，真空泵极限真空从-96.5 KPa提高到 -99.5 KPa，提高3 KPa。真空泵极限真空提高程度，随真空泵工作水温升高越为明显。
        从试验数据可以看出：喷射器工作性能，受真空泵工作水温影响比较小，可以适应高工作水温运行。
静态试验结果表明大气喷射器设计参数与A真空泵匹配度较好，可以满足不同工况条件下稳定运行。
5.2大气喷射器带70%负荷以下性能试验方法及数据
5.2.1 200MW负荷（67%负荷）性能试验：
试验期间：大气压 = 100.93kPa ，
双循环泵开启：
循环水进口温度：左21.9 ℃ 右22.4 ℃；循环水出口温度：左29.8 ℃ 右29.4 ℃；循环水温升左：8.1℃，右：7.0℃，符合大气喷射器设计要求。
5.2.2试验数据如附表2所示。
5.2.3喷射器带负荷（67%）性能试验数据分析
        从试验数据分析，在200MW（67%负荷）时，A泵加大气喷射器系统运行对机组真空有较明显提高：
        真空泵工作水温30℃时，机组真空提高0.36 KPa；
        真空泵工作水温32℃时，机组真空提高0.59 KPa；
        真空泵工作水温34℃时，机组真空提高1.00 KPa；
真空泵工作水温36℃时，机组真空提高1.24 KPa
5.3大气喷射器带70%负荷以上性能试验方法及数据
5.3.1 280MW负荷（93%负荷）性能试验
试验期间：大气压 = 101.72kPa ，
单循环泵开启：
循环水进口温度：左17.0 ℃ 右 17.4 ℃；
循环水出口温度：左30.3 ℃ 右30.8 ℃；
循环水温升左：13.3℃，右：13.4℃，温升高于设计要求。
        根据调度负荷的要求，280MW工况下进行了25℃和30℃两个温度下的试验。
5.3.2试验数据如附表3所示。
5.3.3喷射器带负荷（93%）性能试验数据分析
        从试验数据分析，在280MW（93%负荷）高负荷时，A泵加大气喷射器系统运行对机组真空作用如下：
        真空泵工作水温25℃时，机组真空提高0.16 KPa；
        真空泵工作水温30℃时，机组真空提高0.21 KPa；
试验表明，200MW和280MW负荷时大气喷射器能够有效提高机组真空。
6、 结束语
        随着真空泵工作水温上升，真空泵性能下降，机组真空也不断降低。而大气喷射器投运后，机组真空得到一定的提高，并且不再受真空泵工作水温变化的影响。 工作水温越高，加装喷射器后提高机组运行真空越明显。
        在机组带负荷运行时，要将大气喷射器投运以保护真空泵转子，并提高机组真空，提高经济性。
        循环水量是决定机组真空的重要因素，本台机组循环水正常运行时循环水温升为13℃左右，高于设计值。若增开一台循泵，使循环水温升达到设计要求，大气喷射器投用后对机组真空的提升效果更加明显。
参考文献资料：
［1］《真空泵加装大气喷射器的方案及说明》.大唐石门发电有限责任公司.
［2］《真空泵说明书》. 广东佛山水泵厂.