真空泵工作效率的问题探讨与解决方案研究

接来春

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314300）

不凝气体的存在会阻碍凝汽器内部蒸汽的换热，使传热端差增大，凝汽器真空降低，还会增大凝结水过冷度，降低机组热经济性，需要真空泵及时将不凝气体抽取出来，避免不凝气体积聚。水环式真空泵性能由于工作介质温度高等原因，夏季高温下，真空泵的出力会显著下降，凝汽器真空度偏低，进而影响整个机组的安全经济性。因而，对凝汽器抽真空系统的研究及改进有着重要意义[1]。

1 不凝气体对凝汽器真空的影响

1.1 凝汽器真空建立的原理

影响凝汽器真空的因素有很多，主要有真空泵的性能、凝汽系统的严密性、凝汽器本体的换热性能、冷却水流量及冷却水温度等。

凝汽器压力等于其内蒸汽凝结温度对应的饱和压力，凝汽器内之所以会形成真空，是因为汽水两相共同存在于凝汽器内的蒸汽侧。正常情况下，若循环冷却水温度较低，蒸汽凝结的温度也就较低，例如蒸汽凝结的温度为30℃左右，此时的饱和压力大约就只有4Kpa～5Kpa，相较于大气压，明显大大降低，这就形成了凝汽器的高度真空[2]。

绝对理想情况下，凝汽器内无不凝气体，凝汽器内的压力就等于凝结水温度下的饱和压力。实际上，凝汽器中的压力总是大于这一理想压力。实际凝汽器中的压力可由与之相对应的凝结温度ts来确定。由凝汽器热平衡及换热条件可知，蒸汽凝结温度为：

相应的凝汽器压力近似为：

式（1）中：ts—凝汽器内凝结水温度，℃；tw1—冷却水的入口温度，℃；Δt—冷却水在凝汽器中的温升，℃；δt—凝汽器的传热端差，℃；pk—凝汽器压力，Kpa。

因此，凝汽器压力主要受海水入口温度tw1、凝汽器的传热端差δt、海水进出口温升Δt三方面因素影响。电站所在的环境气候决定了海水的进口温度tw1。

对于开式冷却水系统来说，如果在机组负荷与冷却水流量不变的情况下，随水温的升高凝汽器的真空降低，随水温的下降真空升高。所以在其他条件都相同的情况下，冬季时凝汽器的真空比夏季时要高。

1.2 不凝性气体与凝汽器真空的关系

但是实际情况是：凝汽器内由于各种原因，如汽轮机排出的蒸汽中本身就含有不凝气体，汽水回路水化学控制过程中分解出气体，以及汽水回路存在极微小的漏点使空气吸入等，都将导致凝汽器或多或少会积聚部分不凝气体。

凝汽器内的压力pk应该是不凝结气体和蒸汽混合物分压力的总和，因为有不凝结气体漏入凝汽器的汽侧，根据道尔顿分压定律可知，各组分的分压力之和才是混合物的总压力，可将凝汽器总压力pk表示为如下：

式（3）中，ps、pa分别是凝汽器内蒸汽压力和不凝结气体分压。

尽管不凝结气体的存在略微增加了凝汽器的压力，但对真空的影响并不大。不凝结气体严重影响蒸汽与凝汽器的冷却水进行换热，才是真空度降低的最主要影响因素[4,5]。

图1中横坐标是不凝结气体在凝汽器气空间里混合物所占的质量百分比，纵坐标是凝汽器空间里混合物的放热系数αs与纯蒸汽放热系数α0之比。从图1可看出ε越大，α越小。如果真空泵效率差，不能有效将不凝气体尽可能多地抽出，那么不凝结气体将会积聚在凝汽器内，降低了凝汽器传热系数，凝汽器的传热端差也会增大，汽水循环效率变差，导致机组的热经济性变差。

图1 不凝结气体含量与放热系数的关系Fig.1 Relationship between non-condensable gas content and heat release coefficient

2 真空泵特性分析

2.1 真空泵

在电厂中常用的抽气装置主要有：射汽式抽气装置、射水式抽气装置，以及水环式真空泵[3]。

本厂应用的为二级水环式真空泵。它具有很多优点，比如节能效果显著，效率高，性能稳定，运行可靠，不易损坏。

2.2 水环式真空泵的抽气特性

真空泵抽气能力的好坏会影响漏入的空气在凝汽器内积聚的程度，而影响真空泵抽气性能的因素主要有以下几点：

1）工作介质的温度：工作介质温度升高会导致部分工作介质汽化，会占用泵壳体积还容易产生汽蚀损坏泵的叶片，导致真空泵失效。

2）凝汽器内气体温度：凝汽器内气体温度越高会使真空泵工作介质的温度升高，降低真空泵的吸气能力。

3）凝汽器内的压力：凝汽器内的压力升高可以增加真空泵的吸气能力，但是压力过高会影响凝汽器的真空，凝汽器压力太低又容易引起真空泵工作介质汽化[2]。

3 真空泵效率差原因分析

图3是海水温度、SRI温度、凝汽器真空，及真空泵工作介质的温度趋势图，从图3可以看出海水温度由4月30日的21.5℃上升到7月30日的32.7℃，SRI温度由29.29℃上升到36.56℃，工作介质温度由24℃上升到36.2℃，凝汽器真空由6.1Kpa上升到10.8Kpa。

图2 真空泵吸气量随工作水温的变化曲线Fig.2 Curve of the suction volume of a vacuum pump changing with the working water temperature

图3 相关参数的趋势变化Fig.3 Trend changes of related parameters

在趋势变化期间，调门开度多次超过56%，机组执行降功率的操作见以下部分日志：

1）由于海水温度上升，机组效率变差，调门开度超过56%，于01:19开始以1MW/min速率从670MW降功率，01:20降功率到669MW。

2）由于海水温度上升，机组效率变差，热功率超过1930MW，于08: 37开始以1MW/min速率从669MW降功率到668MW。

3）由于海水温度上升，机组效率变差，热功率超过1930MW且调门开度超过56%，于2018年6月28日21:07开始以1MW/min速率从668MW降功率，21:08功率到达667MW。

虽然，凝汽器真空度下降的决定因素是海水温度，但经过实践发现，夏天（冬季真空泵的工作介质温度足够低）降低真空泵的工作介质温度，可提高真空泵工作效率，从而改善凝汽器真空度。如图4所示，通过改变系统运行方式，调节真空泵的工作介质温度，凝汽器真空度随工作介质的温度变化有明显改变。

综上所述，改善真空泵运行工况，提高真空泵效率，可提高凝汽器真空度，是提高汽水循环的一个良好途径。

4 改进方案研究

结合机组实践经验、长期缺陷跟踪、同行业技术对比等，提出以下改进建议。

4.1 定期清理过滤器杂物

经长期跟踪总结，发现真空泵工作介质回路上的过滤器约2～3个月就发生明显的堵塞现象，导致工作介质的温度升高，真空泵工作效率变差。更换或者清洗过滤器后，真空泵的工作效率明显提高。根据堵塞物的收集分析，密封胶残余物和管道锈蚀物居多。

因此，建议将过滤器清洗工作形成周期预防性检修项目，纳入真空泵的检修周期中（形成PM项），避免杂质堵塞过滤器，导致影响凝汽器真空度和真空泵的停运检修次数增加。此外，可考虑改进密封胶使用方法和管道设备的防腐方法。

4.2 改进运行操作票

真空泵的工作介质为闭式循环水，在汽水分离器液位低时才向里面补充SER水。在真空泵运行的过程中，气体和少量水汽从排气管线排出，长此以往补水中所含的杂质会逐渐浓缩，积聚在汽水分离器的底部，容易造成过滤器堵塞，因此建议：

1）在系统初步在线规程（S、D规程）中，增加汽水分离器冲洗操作。

2）在真空泵定期切换的PT规程中，对待启动的真空泵的汽水分离器进行换水操作。

图5 红色加粗部分为换水管线Fig.5 The bold red part represents the replacement of the water pipe line

3）可以在分离器的合适位置设置取样管路，定期对分离器内水质进行化验，及时了解分离器内的水质情况，以便采取相应措施。

4.3 改善工作介质与冷却水的换热效果

2015年提交了一个技改，由于3/4#机组SRI至CVI的冷却水取水点在SEN/SRI板式热交换器B与C之间，导致SEN/SRI板式热交换器C的冷却水无法进入CVI系统，即SEN/SRI板式热交换器C运行、B和A反洗或备用时，CVI冷却水温度升高，凝汽器真空变差。

这个技改于2017年将CVI的冷却水取水点从SEN/SRI板式热交换器B与C之间，更改至SEN/SRI板式热交换器C之后，避免了CVI冷却水温度升高。经过一年多时间的运行，机组的效率不再受SEN/SRI板式热交换器切换的影响，并且相对之前的真空更好些。

虽然上述技改对真空泵的效率有所提高，但是如进一步降低真空泵的工作介质的温度，其效率仍有改善空间。相较于目前的SRI管线，可以考虑加粗相应的管线，并在管线上增加流量调节阀。这样可以根据季节的变化调节SRI水的流量，使凝汽器的真空不至于过高或者过低，也可以增大真空系统的换热器体积，保证流过更多的SRI水来冷却真空泵的工作介质，从而来降低工作介质的温度。

4.4 引入DES冷却水

虽然改善工作介质与冷却水的换热效果能够提高真空泵的工作效率，但由于夏季时，SRI冷却水的温度本身就高达35℃左右，故降低真空泵工作介质的裕度有限。如在夏季利用DES系统输出的冷冻水（12℃左右）经过换热器降低工作介质温度，则可成为提高真空泵效率的更加有效途径。

图6是以其中一台水环泵为例，抽真空系统改造后的示意图。在每年的5月到11月为DES投运期间，可以将DES的冷冻水引到CVI热交换器，进而冷却SRI水，降低工作介质温度。在此期间外，按照之前的冷却措施，对真空泵的工作介质直接利用SRI冷却水进行降温。

图6 抽真空系统改造后的示意图Fig.6 Schematic diagram of the modified vacuum system

4.5 真空泵前增加罗茨泵

根据国内火电厂的运行经验，在真空泵入口增加罗茨泵组，如图7所示，罗茨泵将抽取的气体升压，水环真空泵入口压力提高，高于其工作介质水温对应的饱和压力。因此，配置的水环真空泵不易发生气蚀并且系统的极限真空大大提高，在任何工况下均能满足系统极限真空要求，进而保证了真空泵的工作效率，更容易维持凝汽器真空。

5 结论

综上所述，通过对液环式真空泵夏季时运行效率较差问题的分析，本文提出了多种改善真空泵工作效率的建议方案：

周期性清理过滤器和定期对汽水分离器进行排污是最易实现的方法，对过滤器频繁堵塞的缺陷有针对预先干预方案。

增加真空泵工作介质的换热效果，可在一定限度内提高其运行效率。

引入DES冷冻水对真空泵工作介质进行冷却的方案，可以将夏季真空泵的工作介质温度降低到接近冬季的温度，但冬季时候不宜使用，避免凝汽器真空过低，汽机背压过低，汽机叶片应力过大，损坏叶片（哈汽生产叶片多次断裂）。

真空泵前增加罗茨泵的方案，最为复杂、成本最高，但技术成熟，在其他高功率的电厂有良好的使用经验。但是对于600MW机组来说，不一定适用，因冬季过低的真空，对汽机叶片影响过大。

以上建议是结合机组实践经验、长期缺陷跟踪、同行业技术对比等因素提出的，具体方案还需电厂各部门研究讨论，或与外部部门如设计院等多方讨论后确定。