水環(huán)式真空泵汽蝕原因分析及改造措施

張 斌，仉國(guó)明，戈春鵬，武 翔

（大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司9號(hào)、10號(hào)機(jī)組分別于2010年1月、5月投產(chǎn)發(fā)電，每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)100%容量2BW4－353－OEK4型水環(huán)式真空泵，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)1臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用。自投產(chǎn)以來(lái)，真空泵運(yùn)行過(guò)程中一直存在振動(dòng)和噪音大的問題，就地壓力表、溫度表和翻板水位計(jì)多次損壞，重復(fù)消缺增加了維護(hù)費(fèi)用。另外通過(guò)9號(hào)機(jī)組狀態(tài)檢修過(guò)程中對(duì)2臺(tái)真空泵解體檢查，發(fā)現(xiàn)1號(hào)泵有1處葉片斷裂及2處葉片裂紋，2號(hào)泵有2處葉片裂紋，嚴(yán)重影響真空泵及整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 汽蝕原因分析

在水環(huán)式真空泵整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，從最大吸氣區(qū)到排氣區(qū)階段，泵一直處于高真空狀態(tài)運(yùn)行。真空泵的設(shè)計(jì)極限絕對(duì)壓力為3.3kPa，壓力低時(shí)泵內(nèi)汽蝕相當(dāng)嚴(yán)重，泵內(nèi)的工作水接近沸騰并會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，氣泡的產(chǎn)生與破裂過(guò)程會(huì)對(duì)葉輪造成汽蝕損壞，破壞葉輪的動(dòng)平衡，引起泵體的強(qiáng)烈振動(dòng)，振壞真空泵的附屬設(shè)備，而且會(huì)發(fā)出非常大的汽蝕噪聲，高真空與汽蝕幾乎是不可調(diào)和的矛盾。隨著真空的上升（即壓力降低），汽蝕和振動(dòng)都將加劇，水環(huán)也在增大，因而葉片負(fù)荷也急劇增加，高真空所形成的巨大拉應(yīng)力作用在葉片上，容易導(dǎo)致葉片疲勞斷裂，該現(xiàn)象往往出現(xiàn)在葉輪鑄造缺陷的位置。真空泵長(zhǎng)時(shí)間在汽蝕的惡劣工況下運(yùn)行，由于振動(dòng)使泵附屬設(shè)備及軸承的壽命縮短，葉輪的使用壽命也將大大縮短。

3 改造措施

要解決真空泵的汽蝕問題，需要降低工作水溫度和提高真空泵入口壓力。泵的工作特性受工作水溫度的影響，可得到的最大真空度取決于工作水溫度所對(duì)應(yīng)的汽化壓力，工作水溫度越高泵內(nèi)汽蝕越嚴(yán)重。降低工作水溫度成本較大，尤其是夏季環(huán)境溫度高時(shí)不易實(shí)現(xiàn)。降低系統(tǒng)真空度，讓凝汽器背壓上升來(lái)提高真空泵入口壓力更不可能，這將嚴(yán)重影響機(jī)組的帶負(fù)荷能力。理想的辦法是在工作水溫、系統(tǒng)真空不變的情況下能解決汽蝕狀況，目前較好的選擇就是給真空泵加裝大氣噴射器，可將泵入口絕對(duì)壓力由4～8kPa提升至9～15kPa，從而大大減輕泵內(nèi)的汽蝕現(xiàn)象，有效降低泵體振動(dòng)對(duì)泵附件設(shè)備的損害，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的目的，而且整個(gè)真空泵組的抽汽性能會(huì)更好，進(jìn)一步提高系統(tǒng)真空度，降低機(jī)組熱耗。

3.1 大氣噴射器的組成及原理

大氣噴射器由噴嘴、吸氣室和擴(kuò)散器組成，其排氣口與水環(huán)泵進(jìn)氣口相連（見圖1）。

大氣噴射器原理：先啟動(dòng)水環(huán)式真空泵，使噴嘴進(jìn)氣口和排氣口之間形成壓力差，大氣可從噴嘴進(jìn)入泵內(nèi)，當(dāng)壓力差為大氣壓力的1/2時(shí)，空氣介質(zhì)經(jīng)噴嘴收縮段得到加速，到喉部（圖1中2）時(shí)可達(dá)到聲速，到擴(kuò)張段可進(jìn)一步加速，射向擴(kuò)散器形成高速射流，并造成吸氣室內(nèi)的壓力比被抽容器內(nèi)壓力低，因此被抽氣體吸入室內(nèi)，由于兩股氣流在吸氣室內(nèi)混合，動(dòng)量交換產(chǎn)生的損失使氣流速率逐漸減慢，當(dāng)氣流進(jìn)入擴(kuò)散器則速率下降到聲速以下，經(jīng)擴(kuò)散器擴(kuò)張段流速進(jìn)一步降低，壓力不斷升高，最后達(dá)到大氣噴射器的排氣壓力，即水環(huán)式真空泵的吸氣壓力，水環(huán)真空泵把氣體吸入再排出泵外，即完成吸氣、排氣過(guò)程。

圖1 大氣噴射器結(jié)構(gòu)

3.2 大氣噴射器的連接與控制

2011年9月利用9號(hào)、10號(hào)機(jī)組狀態(tài)檢修機(jī)會(huì)，對(duì)真空泵進(jìn)行加裝大氣噴射器的改造，改造前后管路接線示意分別見圖2、圖3。

圖2 改造前管路接線示意

圖3 改造后管路接線示意

由圖2、圖3可以看出，改造前后除增加大氣噴射器組件外，由于安裝位置限制，去除真空泵入口逆止門，增加1個(gè)氣動(dòng)蝶閥、差壓開關(guān)和壓力表等附件。在圖3所示大氣噴射器切換閥2前增加壓力開關(guān)，其作用是用來(lái)控制進(jìn)氣三通與噴射器三通接管間的大氣噴射器切換閥2及噴射器上的大氣噴射器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥3的開與關(guān)，從而控制噴射器的投入和退出。具體控制步驟如下.

a.當(dāng)真空泵啟動(dòng)時(shí)，壓力開關(guān)測(cè)得泵內(nèi)壓力小于10kPa（具體值可根據(jù)夏、冬季不同運(yùn)行工況設(shè)定）時(shí)，大氣噴射器切換閥2關(guān)閉，同時(shí)大氣噴射器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥3開啟，當(dāng)上述2個(gè)閥門動(dòng)作完成后，大氣噴射器處于投入狀態(tài)。

b.當(dāng)真空泵運(yùn)行時(shí)，壓力開關(guān)測(cè)得泵內(nèi)壓力大于14kPa時(shí)（具體值可根據(jù)夏、冬季不同運(yùn)行工況設(shè)定），大氣噴射器驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)閥3關(guān)閉，同時(shí)大氣噴射器切換閥2開啟，當(dāng)上述2個(gè)閥門動(dòng)作完成后，大氣噴射器處于退出狀態(tài)。

c.原來(lái)機(jī)組針對(duì)泵組抽汽氣動(dòng)蝶閥1的壓力開關(guān)和壓差開關(guān)的設(shè)定值均不需改變。

4 改造效果

改造保證了真空泵不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，噪聲下降了12dB，軸承處振幅減少0.012mm，真空泵的使用壽命將得到提高，改造至今未出現(xiàn)過(guò)葉輪斷裂、振動(dòng)過(guò)大損壞熱控設(shè)備的現(xiàn)象。在高真空階段加裝大氣噴射器的泵組抽氣性能比單泵更好，同時(shí)凝汽器真空始終維持在2～6kPa的理想水平，為提高機(jī)組的帶負(fù)荷率創(chuàng)造了良好的條件。

加裝大氣噴射器后，減少汽蝕振動(dòng)對(duì)葉輪及泵附屬設(shè)備（表計(jì)、軸承等）的損壞，延長(zhǎng)檢修周期和設(shè)備使用壽命，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用；真空泵的抽氣性能得到提高，通過(guò)觀察和DCS上歷史曲線顯示，機(jī)組的凝汽器真空更穩(wěn)定，且同比條件下真空提高200 Pa，左右。參考《中國(guó)大唐集團(tuán)公司火電機(jī)組能耗指標(biāo)分析指導(dǎo)意見》，300MW機(jī)組真空度每提高1 kPa，降低供電煤耗3.2g/kWh，若按單臺(tái)機(jī)組負(fù)荷率80%計(jì)算，真空度提高200Pa每天可節(jié)約標(biāo)煤0.2×3.2g/kWh×300×103kW×24h×80%＝3.686×106g＝3.686t，按照標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)750元/t計(jì)算，機(jī)組每年運(yùn)行300天，每年可節(jié)省成本750元/t×3.686t×300天≈82.93萬(wàn)元，改造后真空泵運(yùn)行電流增加約30A，按照上網(wǎng)電價(jià)0.40元/kWh計(jì)算，單臺(tái)機(jī)組每年運(yùn)行成本增加30A×380V×10－3×24h×300×0.4元/kWh≈3.28萬(wàn)元，單臺(tái)機(jī)組實(shí)際每年節(jié)約運(yùn)行成本82.93－3.28＝79.65萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

水環(huán)式真空泵振動(dòng)和噪音的汽蝕問題會(huì)造成葉片的斷裂和裂紋，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，加裝大器噴射裝置的改造方案，可降低真空泵軸承的振動(dòng)值和運(yùn)行噪音，降低葉片斷裂風(fēng)險(xiǎn)，提高了機(jī)組的真空。通過(guò)改造說(shuō)明，真空泵加裝大氣噴射器后，降低設(shè)備運(yùn)行時(shí)的汽蝕噪音，有利于環(huán)保；提高運(yùn)行機(jī)組的真空，可降低煤耗，有利于節(jié)能降耗；真空泵即使在高真空運(yùn)行狀態(tài)下泵內(nèi)汽蝕及造成的振動(dòng)明顯減小，可有效延長(zhǎng)軸承和葉輪的使用壽命，有利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)可延長(zhǎng)設(shè)備的檢修周期，節(jié)約檢修費(fèi)用。