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1、1 水环真空泵辅助冷却技术 能源动力与机械工程学院 田松峰 Tel：13503320251 Email： 1 水环真空泵辅助冷却技术简介 1 水环式真空泵工作原理 水环式真空泵是目前大、中型机组中广泛采用的凝汽器抽气设备，作用是抽除凝汽器内的不凝性气体，保证和维持凝汽器真空。其叶轮偏心地安装在泵体内，起动时向泵内注入一定高度的水作为工作液，当叶轮旋转时，水受离心力的作用在泵体内壁形成一旋转的封闭水环，水环上部内表面与轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成与叶片数目相等的若干个小腔。在叶轮旋转过程中，各个小腔分别进行吸气、压
2、缩和排气等过程。叶轮每旋转一周，叶片间空间（小腔）吸、排气一次，若干小腔不停地工作，如此往复，泵就连续不断地抽吸或压送气体，如下图所示。 图1 水环真空泵工作原理图 水环泵在排气时，工作液也不可避免地要和气体一起被排出一部分，因此水环泵的工作液必须连续不断地加以补充，以保持稳定的水环厚度。而且在水环泵中，水环除起抽吸和压缩气体的“活塞”作用外，还起密封工作腔和冷却气体等作用。 2 水环式真空泵设计工作条件 工作介质：水（液环） 被抽气体：空气 气体温度：20 排气压力：101325Pa(标准大气压) 工作液温：15 2 相对湿度：70 3 影响水环真空泵工作性能的因素 水环真空泵的性能与所抽吸
3、气体的状态（压力、温度）和工作液的温度等有关。 1）抽气压力影响 抽气压力是以水环泵的吸入口压力是以凝汽器压力为基础的，并且随着凝汽器压力的变化而变化的。（凝汽器抽气口压力一般在3.39kPa到12kPa范围内变化） 在一定条件下的抽气量 sV 、泵轴功率 pP 、等温总效率 ph 与抽气压力 xp 之间的关系曲线即为水环真空泵的特性线。 图 2水环真空泵性能曲线 从图中可以看出，真空泵抽气量、轴功率和等温总效率随着抽气压力的变化趋势。 2）抽气温度影响 对应抽气压力，抽气温度在25到49范围内变化（不考虑抽气过冷度），下图是不同抽气温度下真空泵的特性曲线。 图3 不同的抽气温度对真空泵的特性
4、曲线 从图中可以看出，抽气温度越低，抽气量越大，但是根据凝汽器运行工况，一般情 3 况下抽气温度都会高于设计抽气体温度（20），但是因为抽气压力一般在10kPa一下，因此从图中看出，抽气温度对抽气量影响不太明显。 3）工作液温度影响 图4 不同工作水温度的真空泵特性曲线 从图中可以看出，工作液温度对真空泵性能影响较大，特别是在抽气压力比价低的情况下影响更加明显，而电厂中真空泵的抽气压力刚好在此范围之内。因此提高真空泵工作性能从改变工作液温度着手切实可行，且效果明显。 4 水环式真空泵系统存在的问题 随着工作时间的延长，由于做功和水蒸气释放气化潜热会造成工作液温度不断升高，而工作液温度会造成真空
5、泵抽气能力下降，凝汽器真空变差，影响机组经济性，同时还会引起真空泵气蚀，影响安全运行。 工作液设计温度 15，实际运行中均高于这一温度，目前真空泵工作液通常由循环水冷却，但循环冷却水温度受气候影响，特别是夏天随着循环水温度升高，真空泵工作液温度将远高于设计值。 工作液温度升高会造成以后后果： 1） 破坏真空，降低机组经济性 随着工作液温度升高，对应的饱和压力不断升高，比如 30的汽化压力为4.241kPa，40的汽化压力为 7.35kPa，当水环真空泵抽吸压力小于或等于工作液温对应的饱和压力时，将使部分工作液汽化，真空泵因抽吸自身工质汽化产生的气体挤占真空泵抽气量造成真空泵出力严重不足，不凝性
6、气体将造成传热恶化并在凝汽器内积聚破坏凝汽器真空，水蒸气中质量含量占1%的空气能使表面传热系数降低60%，从而降低机组经济性。 4 对某国产引进型300MW机组所配凝汽器在设计参数下，计算空气积聚对凝汽器压力的影响。如下表所示。 表1 空气积聚对凝汽器压力影响 空气与蒸汽质量比 蒸汽分压力，Pa 空气分压力，Pa 凝汽器压力，Pa 0.0001 4.91103 0.30 4.91103 0.001 4.96103 3.08 4.97103 0.01 5.03103 31.23 5.06103 0.1 5.09103 316.52 5.41103 1 5.15103 3200.55 8.3510
7、3 某600MW机组为亚临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式汽轮机组采用带双曲线自然通风冷却塔的二次循环闭式供水系统。真空泵型号为改进型2BW4353- 0EK4。 表2 工作液温度与凝汽器真空试验结果1 图5 工作液温度与机组凝汽器真空及端差曲线 5 300MW机组试验数据如下。 表3工作液温度与凝汽器真空试验结果2 工况 冷却水温度， 工作液温度， 背压，kPa 真空度，% 1 20.0 26.7 9.42 90.58 2 28.7 35.3 11.03 88.97 3 37.2 45.1 12.78 87.22 4 43.4 51.2 13.88 86.12 运行工况 3
8、2.1 38.8 11.67 88.33 由热力学知识可知，凝汽器真空变差，则机组热经济性会显著下降。 2） 水环真空泵气蚀 真空泵在运转中，若局部区域工作液的绝对压力降低到当时温度下的工作液气化压力时，工作液便在该处开始气化，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。在真空泵中产生气泡和气泡破裂使过流部件遭受到破坏的过程就是真空泵中的汽蚀过程。金属表面出现点蚀现象，严重的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，产生裂纹，严重影响设备安全高效运行。 01020304050600 2 4 6
9、 8 101214161820吸入口压力p x（kpa）工作水温度tpw（。C）汽蚀现象界限汽蚀区安全工作区图6 汽蚀现象界限图 为了防止水环真空泵发生汽蚀，运行中通常要求真空泵的抽吸压力必须比工作液温对应的饱和压力至少高出 0.85kPa。因此如果工作液温度为 30，对应饱和压力4.241kPa，则真空泵抽吸压力不能低于 5.091kPa，但是如果工作液温度 20，则真空泵抽吸压力可降低至3.188kPa。 因此，无论从机组运行经济性还是安全性考虑都应降低水环真空泵工作液温度。目前工作液一般采用循环水冷却，但循环水温度收到气候条件影响，温度变化较大，特别是夏天，循环水可能达到三十多度，再加上
10、一定的传热温差，工作液温度有可能达到四 6 十多度，严重的影响了机组的经济性和安全运行。 鉴于此我们提出了一种新型水环真空泵工作液辅助冷却技术，很好的解决该问题。 5 水环式真空泵辅助冷却装置 本装置以降低真空泵工作液温度为前提，采用“一种可提高凝汽式汽轮机效率的水环真空泵”专利技术（专利号：2008 2 0077554.1），主要配置一套成熟的制冷设备，工作液的温度由真空泵工作液临界温度应达值确定，辅助冷却装置根据设定自动调整。 工作液辅助冷却装置与工作液冷却器布置方式如图7，该系统运行方式灵活，工作稳定，对原有设备及系统的运行不会带来负面影响。 P自动补水阀轴端溢流泵体放水阀手动补水阀自动
11、排水阀手动排水阀工作液供应管排气吸入管真空泵排出管P865冷却循环水71234图7 工作液辅助冷却器布置示意图 1 压缩机 2 冷凝器 3 节流阀 4蒸发器 5 水泵 6 汽水分离器 7 换热器 8 真空泵 本技术主要特点：1）通过闭式冷冻水循环来冷却水环真空泵工作液，最大限度保证机组安全与高效运行，延长设备使用寿命；2）保留原装置循环冷却水换热器，当制冷装置检修时，循环冷却水换热器投入工作，以保证系统运行对原系统改动小，施工方便；另外冬季冷却水温度比较低时可以关闭制冷设备改用循环冷却水换热器冷却，从而 7 减少电耗。3）结构简单，系统紧凑，占地小本；4）制冷系统技术成熟，运行安全可靠。 6
12、真空泵冷却系统节能改造收益 以某电厂300MW机组为例，机组型号C300-16.7/537/537亚临界、单轴、双缸双排汽、中间再热、抽汽、凝汽式汽轮机，水环真空泵型号为2BW4 353 0MK4。对水环真空泵冷却系统进行改造后，试验结果如下： 负荷MW 绝对压力，kPa 压力变化，kPa 循环水温度， 排汽温度， 工作液温度， 温度变化， 改造前 7.24 22.9 38.9 33.8 改造后 150 5.77 1.47 22.4 34.9 24.4 9.4 改造前 7.72 23.8 40 34.9 改造后 200 6.41 1.31 23.2 36.4 25.5 9.4 改造前 8.31
13、 22.6 41.3 34.7 改造后 300 7.38 0.93 25.1 38.9 27.8 6.9 改造前该机组与另一台同型号机组在相同负荷情况下，真空值差 23kPa，机组负荷波动时差距更为明显。该机组真空泵冷却系统改造后，有效降低了真空泵工作液的温度，与改造前相比降温幅度大于 10；机组真空值变化明显，与改造前比，机组凝汽器真空提高了1.52kPa。 图8 改造后两机组负荷与真空值趋势 对于300MW机组，工作液温度每降低1，真空大概提高0.18%左右，根据机组提供排气压力对功率修正曲线估算，真空每提高1kPa，出力约提高1%，当然实际节能效果还与机组的严密性和运行工况有关。 如果真
14、空提高1kPa，保守估计300MW机组多发电1200kW，按上网电价0.33元计算，夏季运行3个月，可多收入约86万元。 8 600MW机组改造后，400MW工况时，机组增发功率2928kW，相当于负荷不变时热耗降低约66.3kJ/（kWh），供电煤耗下降2.7g /（kWh）。 600MW工况时，机组增发功率1782kW，相当于负荷不变时热耗降低约26.8kJ/（kWh），供电煤耗下降1.11g /（kWh）。 若机组在夏季运行时间为3个月（2160h），平均负荷按500MW计算节煤按1.9g /（kWh）计算，则年节约标煤2052吨，按每吨标煤900元计算，节约资金184.68万元。 7 系统设计、制造、安装、验收标准 1) 容积式和离心式冷水（热泵）机组性能试验方法 GB/T10870-2001 2) 蒸汽压缩循环制冷水（热泵）机组工商业用和类似用途的冷水（热泵）机组标准 3) GB/T18430.1-2001 4) 容积式和离心式冷水（热泵）机组安全技术标准 JB8654-1997 5) 容积式和离心式冷水（热泵）机组安全要求 JB8554-1997 6) 制冷和供热用机械系统安全要求 GB-9237-2001 7) 机械设备安装工程施工及验收通用规范 GB50231-98 8) 制冷设备、空调分离设备安装工程施工及验收规范
