通過對(duì)雙背壓凝汽器配套水環(huán)真空泵汽蝕特性的分析，證明低壓凝汽器對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕、容量不足問題，使低壓凝汽器壓力升高。通過實(shí)例驗(yàn)證了雙背壓凝汽器真空泵易發(fā)生汽蝕且嚴(yán)重?fù)p害了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)如何預(yù)防真空泵汽蝕問題，有效提高真空泵汽蝕余量，闡述了以降低真空泵工作液溫度和提高真空泵入口壓力為目標(biāo)的多種優(yōu)化措施，對(duì)雙背壓凝汽器的真空泵工作液冷卻及抽氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改造工作具有指導(dǎo)意義。

　　相對(duì)于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器能降低汽輪機(jī)排汽壓力、提高凝結(jié)水溫度和提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，因此被廣泛應(yīng)用到600MW 等級(jí)及以上汽輪發(fā)電機(jī)組中。但在實(shí)際運(yùn)行中，雙背壓凝汽器存在諸多問題，如：凝汽器雙背壓差值不明顯，低壓凝汽器壓力等于或略低于高壓凝汽器壓力，低壓凝汽器壓力和高壓凝汽器壓力都達(dá)不到設(shè)計(jì)值。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，凝汽器壓力不僅取決于凝汽器本身的運(yùn)行參數(shù)，如凝汽器熱負(fù)荷、冷卻水流量、冷卻水溫度、冷卻管臟污程度、真空系統(tǒng)漏空氣量，還取決于凝汽器抽真空系統(tǒng)的布置方式及抽氣設(shè)備的運(yùn)行性能，經(jīng)常出現(xiàn)受抽氣設(shè)備抽吸能力限制導(dǎo)致凝汽器壓力升高的問題。本文主要分析雙背壓凝汽器水環(huán)真空泵工作液汽化的原因，并針對(duì)如何預(yù)防真空泵汽蝕問題提出合理改進(jìn)措施。

1、水環(huán)真空泵汽蝕特性分析

　　1.1、經(jīng)濟(jì)性和安全性危害

　　水環(huán)真空泵所能達(dá)到的最小抽吸壓力取決于真空泵工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力，當(dāng)真空泵抽吸壓力小于或等于工作液溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力時(shí)，將使部分工作液汽化而產(chǎn)生汽泡，汽泡會(huì)排擠真空泵液環(huán)與葉輪之間腔室中空氣量，導(dǎo)致真空泵容量下降，嚴(yán)重時(shí)汽泡破裂會(huì)沖擊葉輪而產(chǎn)生汽蝕，使真空泵的葉片及內(nèi)表面損壞，進(jìn)一步降低真空泵的抽吸能力，同時(shí)對(duì)真空泵的安全運(yùn)行造成威脅。

　　即使在機(jī)組真空嚴(yán)密性較好的情況下，如果真空泵工作液溫度過高，真空泵發(fā)生汽蝕、抽吸能力不足問題，同樣會(huì)造成凝汽器壓力升高，高于并接近真空泵最小抽吸壓力。這也是雙背壓凝汽器中高、低壓凝汽器壓差偏小的一個(gè)重要原因。

　　1.2、汽蝕原因分析

　　設(shè)真空泵工作液冷卻水進(jìn)口溫度為tz1，真空泵換熱器存在換熱端差δtz(即換熱器中工作液出口溫度和冷卻水進(jìn)口溫度的差值)，在真空泵運(yùn)行過程中，工作液由于受到壓縮、摩擦等作用，同時(shí)還由于工作液吸收了所抽吸氣體攜帶進(jìn)來的蒸汽凝結(jié)所放出的熱量，使工作液的溫度升高Δtz，則工作液在真空泵中的最高溫度為：

　　設(shè)低壓凝汽器冷卻水入口溫度為td1，低壓凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，亦即低壓側(cè)真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為：

　　式中：Δtd為低壓凝汽器內(nèi)冷卻水溫升；δtd為低壓凝汽器傳熱端差。高壓凝汽器壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，亦即高壓側(cè)真空泵抽吸的蒸汽-空氣混合物溫度為：

　　式中：Δtg為高壓凝汽器內(nèi)冷卻水溫升；δtg為高壓凝汽器傳熱端差。

　　抽氣系統(tǒng)能正常運(yùn)行，避免真空泵汽蝕，要求運(yùn)行中真空泵的抽氣壓力比真空泵工作液最高溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力高0.85kPa。以各壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度來比較，則水環(huán)真空泵避免發(fā)生汽蝕的條件為：

　　式中：εd、εg為考慮到凝汽器汽阻和抽空氣管道阻力及真空泵抽氣壓力有0.85kPa富裕量后的飽和溫度富裕量。

　　低壓凝汽器和高壓凝汽器所對(duì)應(yīng)的真空泵汽蝕余量分別為：

　　汽蝕余量ΔT≥0是真空泵不發(fā)生汽蝕的必要條件。由式(6)和式(7)看出：ΔT 與凝汽器冷卻水進(jìn)口溫度和真空泵工作液冷卻水進(jìn)口溫度的差值有關(guān)，與凝汽器冷卻水溫升、凝汽器傳熱端差、真空泵換熱器端差、真空泵工作液溫升有關(guān)。ΔTg與ΔTd相比，同樣運(yùn)行條件下，排除工作液換熱異常的因素后得：

　　分析結(jié)果，則ΔTg比ΔTd高Δtg，相對(duì)高壓凝汽器，低壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵易發(fā)生汽蝕。由于雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對(duì)應(yīng)的機(jī)組容量、凝汽器冷卻水流量差別均較大，雙背壓凝汽器和單背壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵的汽蝕余量無法直接相比。僅從宏觀上討論，雙背壓凝汽器設(shè)計(jì)冷卻水總溫升與單背壓凝汽器設(shè)計(jì)溫升較為接近，低壓凝汽器冷卻水溫升約為總溫升的一半，真空泵汽蝕余量中其他影響因素方面差別較小(相對(duì)冷卻水溫升)，則相對(duì)于單背壓凝汽器，雙背壓凝汽器中低壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵汽蝕余量較小，水環(huán)真空泵汽蝕的可能性相對(duì)較大。

　　對(duì)于凝汽器冷卻水和真空泵工作液冷卻水為同一水源的普通300MW 單背壓凝汽器來說，機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)真空泵不易發(fā)生汽蝕，但在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于凝汽器冷卻水溫升降低的原因，汽蝕余量減少，易造成真空泵汽蝕。而對(duì)于同樣冷卻方式的600MW 等級(jí)及以上雙背壓凝汽器來說，由式(6)看出：即使機(jī)組在額定負(fù)荷運(yùn)行，由于Δtd約為總溫升的一半，ΔTd仍較小，易造成真空泵汽蝕、凝汽器壓力升高；當(dāng)機(jī)組在較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，Δtd更小，ΔTd也隨之更小，極易造成真空泵汽蝕、凝汽器壓力升高。

　　1.3、汽蝕的其他影響因素

　　機(jī)組負(fù)荷方面，在其他運(yùn)行條件不變的情況下，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，凝汽器內(nèi)冷卻水溫升、凝汽器傳熱端差均降低，而真空泵換熱端差和真空泵內(nèi)工作液溫升隨負(fù)荷變化較小，則汽蝕余量ΔT 減小，水環(huán)真空泵汽蝕的可能性增大。冷卻水方面，在低壓凝汽器冷卻水入口溫度td1確定的條件下，真空泵工作液冷卻水入口溫度tz1的高低成為決定真空泵汽蝕余量大小的關(guān)鍵因素。對(duì)真空泵工作液冷卻水的優(yōu)化選擇也成為提高真空泵汽蝕余量的重要工作。在確定冷卻水的同時(shí)一定要保證冷卻水量充足，盡量降低換熱端差δtz。

　　設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)方面，當(dāng)真空泵換熱器結(jié)垢或堵塞時(shí)，真空泵工作液冷卻水流量減少，換熱器的換熱性能變差，均會(huì)導(dǎo)致真空泵換熱端差δtz增大，ΔT 減��；真空泵工作液流量減少，會(huì)導(dǎo)致Δtz增大，則ΔT 也減小，工作液流量減少嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響真空泵內(nèi)水環(huán)的形成。真空泵換熱器結(jié)垢或堵塞的問題是現(xiàn)場工作中遇到較多、且容易被忽視的問題，對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行帶來很大損害。

2、實(shí)例分析

　　以某電廠600MW 雙背壓凝汽器為例，通過調(diào)整水環(huán)真空泵工作液溫度，分析真空泵的汽蝕狀態(tài)以及對(duì)低壓凝汽器和高壓凝汽器性能的影響。工作液溫度對(duì)真空泵性能及凝汽器性能影響的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1　工作液溫度對(duì)水環(huán)真空泵性能及高、低壓凝汽器性能影響的試驗(yàn)結(jié)果

　　由表1看出：真空泵工作液溫度較高時(shí)，各負(fù)荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.062～0.510kPa，高、低壓凝汽器壓力差值較小，雙背壓不能有效建立；真空泵工作液溫度降低后，真空泵抽吸能力大大提高，各負(fù)荷工況下高、低壓凝汽器壓力差值為0.549～1.484kPa，雙背壓能有效建立。

　　600MW 和480MW 負(fù)荷工況下，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，低壓凝汽器壓力分別下降1.056kPa和0.965kPa，高壓凝汽器壓力分別下降0.082kPa和0.053kPa。由此可看出：真空泵工作液溫度處于高溫狀態(tài)時(shí)，工作液溫度高于采用低溫工作液時(shí)低壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，真空泵發(fā)生汽蝕和抽吸能力不足，低壓凝汽器內(nèi)出現(xiàn)空氣聚積，低壓凝汽器壓力升高；工作液溫度低于采用低溫工作液時(shí)高壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，高壓凝汽器內(nèi)空氣可以被正常抽出，工作液溫度由高溫降為低溫后，高壓凝汽器壓力變化不明顯能說明這一點(diǎn)。

　　360MW負(fù)荷工況下，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，低壓凝汽器壓力下降0.942kPa，高壓凝汽器壓力下降0.455kPa。由此可看出：真空泵工作液溫度處于高溫狀態(tài)時(shí)，工作液溫度已高于高壓凝汽器壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，真空泵發(fā)生汽蝕和抽吸能力不足，高、低壓凝汽器內(nèi)均出現(xiàn)空氣聚積現(xiàn)象，高壓和低壓凝汽器壓力實(shí)際上均升高；工作液溫度降低后，高壓和低壓凝汽器壓力均明顯降低就說明這一點(diǎn)。

　　試驗(yàn)結(jié)果與之前理論分析一致，即雙背壓凝汽器的低壓凝汽器對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕和抽吸能力不足，使低壓凝汽器壓力升高。在凝汽器冷卻水流量等其他條件不變的情況下，真空泵汽蝕情況與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，高負(fù)荷時(shí)僅低壓凝汽器壓力容易受真空泵抽吸能力限制，低凝汽器壓力較可達(dá)值升高，高壓凝汽器不受影響；低負(fù)荷時(shí)高、低壓凝汽器壓力均可能受真空泵抽吸能力限制而升高。

　　試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了真空泵汽蝕特性對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的重大影響，工作液溫度由高溫狀態(tài)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)，有效避免真空泵出現(xiàn)汽蝕問題，提高真空泵抽吸能力后，各負(fù)荷工況下凝汽器平均壓力下降0.529～0.705kPa。

3、預(yù)防措施研究

　　通過對(duì)雙背壓凝汽器水環(huán)真空泵汽蝕特性分析以及實(shí)例計(jì)算，提出應(yīng)加強(qiáng)雙背壓凝汽器真空泵汽蝕問題的研究，并采取經(jīng)濟(jì)可行措施來避免真空泵汽蝕問題發(fā)生。提高真空泵汽蝕余量的途徑：一種是通過有效降低真空泵工作液溫度，優(yōu)化真空泵工作液的冷卻方式；另一種是保證抽氣壓力的同時(shí)提高真空泵入口壓力。

　　3.1、原有真空泵工作液冷卻方式

　　原有真空泵工作液冷卻方式有以下兩種情況：

　　(1)絕大多數(shù)電廠真空泵工作液用開式水冷卻，同凝汽器冷卻水來自同一水源，冷卻系統(tǒng)構(gòu)建方便，水源有保障。但從理論分析及實(shí)例計(jì)算中看出，此種冷卻方式下，低壓凝汽器對(duì)應(yīng)真空泵易發(fā)生汽蝕，特別是機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，真空泵極易發(fā)生汽蝕，凝汽器壓力受真空泵抽吸能力限制而升高，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，對(duì)真空泵安全運(yùn)行也造成威脅。

　　(2)少部分電廠真空泵工作液冷卻水用閉式水冷卻，閉式水是經(jīng)開式水冷卻后的水，相對(duì)開式水冷卻，同樣運(yùn)行條件下真空泵的汽蝕余量減少δtb(閉冷水換熱器端差)，即采用閉式水來冷卻真空泵工作液更易造成真空泵汽蝕，建議盡量避免采用此種冷卻方式。

　　3.2、采用低溫冷卻水降低工作液溫度

　　對(duì)于凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用冷卻塔循環(huán)冷卻方式的電廠，夏季高溫季節(jié)電廠的工業(yè)水溫度往往較開式水溫度低，其他季節(jié)需根據(jù)具體情況確定，建議真空泵工作液冷卻水加裝工業(yè)水管路，根據(jù)水溫情況對(duì)供水方式進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于凝汽器冷卻水系統(tǒng)采用江河、湖泊直流供水冷卻方式的電廠，工業(yè)水往往同開式冷卻水同一水源，需要尋找更低溫的水源，可通過打井獲得低溫地下水(不需要深井)，根據(jù)季節(jié)不同、水溫差別來調(diào)整工作液冷卻水供水方式。

　　對(duì)于有條件的電廠，可以用中央集中空調(diào)冷凍水來冷卻工作液，在高溫季節(jié)能起到較好的冷卻效果。對(duì)于有其他低溫水源的電廠，需要在原有冷卻水供水方式(一般為開式水)的基礎(chǔ)上加裝新供水管路，根據(jù)水溫對(duì)供水方式進(jìn)行調(diào)整。新增低溫冷卻水回水可根據(jù)情況直接回原有的開式水回水管路或加裝新的回水管路。不同冷卻水供水管路上應(yīng)加裝閥門和溫度測點(diǎn)，根據(jù)水溫情況對(duì)供水方式進(jìn)行調(diào)整。工作液管路也應(yīng)加裝溫度測點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)工作液溫度及換熱器換熱性能(主要是換熱端差)的監(jiān)測。

　　3.3、采用制冷設(shè)備降低工作液溫度

　　采用制冷設(shè)備對(duì)工作液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。夏季高溫季節(jié)強(qiáng)制冷卻設(shè)備能有效降低工作液溫度，提高真空泵抽吸能力；但目前市場上投運(yùn)的空泵工作液強(qiáng)制冷卻設(shè)備還缺少對(duì)工作液溫度的合理控制，經(jīng)常出現(xiàn)降溫不夠或降溫過大的不經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。另外強(qiáng)制冷卻設(shè)備投資較大，對(duì)制冷設(shè)備的可靠性要求高，還需綜合比較來選擇冷卻方案。

　　3.4、加裝大氣噴射器

　　大氣噴射器是配置在水環(huán)真空泵的進(jìn)口管道上的一個(gè)前置大氣噴射器，大氣噴射器由噴嘴、吸氣室和擴(kuò)壓器組成(見圖1)，其排氣口與真空泵進(jìn)氣口相連，它的一端開口朝向大氣，通過噴嘴利用真空泵負(fù)壓與大氣壓形成壓差而產(chǎn)生的空氣射流，在吸氣室內(nèi)獲得比凝汽器更低的抽吸壓力；兩股氣流混合后流經(jīng)擴(kuò)壓器，壓力不斷升高，一直達(dá)到大氣噴射器的排氣壓力，即真空泵的入口壓力，最后由真空泵把氣體吸入，再排出泵外，即完成了吸氣、排氣過程。這樣，在保證對(duì)凝汽器抽吸壓力的同時(shí)，提高了真空泵入口壓力，能有效提高真空泵汽蝕余量，保證真空泵出力。

圖1　大氣噴射器結(jié)構(gòu)圖

　　在原水環(huán)真空泵抽空氣管路上加裝大氣噴射器，對(duì)基礎(chǔ)等重要部件不需改動(dòng)，僅是在進(jìn)氣管路上并聯(lián)一臺(tái)大氣噴射器及控制啟停的元件。大氣噴射器可以有投入與撤出的選擇，當(dāng)噴射器撤出時(shí)，就僅相當(dāng)于水環(huán)真空泵單獨(dú)運(yùn)行，因此這樣的泵組結(jié)構(gòu)具有很大的適應(yīng)性。機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以撤出噴射器，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)投入噴射器。加裝大氣噴射器主要包括噴射器組件、噴射關(guān)斷閥和旁通閥等，由于其不含任何運(yùn)動(dòng)部件，因此具有較高的可靠性。

4、結(jié)語

　　雙背壓凝汽器的低壓凝汽器，相對(duì)高壓凝汽器及單背壓凝汽器，所對(duì)應(yīng)水環(huán)真空泵易發(fā)生汽蝕、出力不足問題，低壓凝汽器壓力受真空泵抽吸能力限制而升高，高、低壓凝汽器不能建立有效壓差，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和安全性。

　　增加真空泵汽蝕余量、提高真空泵抽吸能力的有效途徑分別是降低真空泵工作液溫度和保證抽吸壓力的同時(shí)提高真空泵入口壓力�？梢圆扇《喾N工作液冷卻優(yōu)化措施及通過加裝大氣噴射器提高真空泵入口壓力的措施。對(duì)各種優(yōu)化措施的選擇除了受電廠本身低溫水資源的限制外，不同優(yōu)化措施需要的經(jīng)濟(jì)投入、運(yùn)行可靠性、帶來的經(jīng)濟(jì)效益也均有不同，需要綜合考慮進(jìn)行選擇。

　　現(xiàn)場工作中要加強(qiáng)對(duì)換熱器結(jié)垢和臟污的檢查，加強(qiáng)對(duì)工作液溫度的監(jiān)測，保證真空泵工作液冷卻水流量、工作液流量和換熱器換熱性能在正常范圍，嚴(yán)格控制工作液溫度，這是增加真空泵汽蝕余量、保證真空泵抽吸能力的基礎(chǔ)工作。