改善机组真空的几点经验

关于机组真空的几点经验 深圳月亮湾燃机电厂 陈晓辉 摘要：本文针对一些电厂各汽轮机真空的运行现状，从影响机组真空的各个方面， 介绍总结实际工作解决机组低真空中得到的经验。 主体词：真空、找漏、结垢、清洗、水环真空泵、汽蚀保护 前言 某电厂有 2 套燃气蒸汽联合循环机组：一套为 ALSTOM 的 VEGA206，一套为 GE 的 9E 燃机配置杭州锅炉厂的锅炉和上海汽 轮机有限公司的 1651 汽轮机。这 2 套机组共有 2 台汽轮机：5 机为 ALSTOM 所配的 TC 363 FV 140 汽轮机，该汽轮机轴向排汽， 凝汽器与汽轮机同布置在零米层，抽真空设备为平面式水环真空泵 并配置进口大气喷射器，循环水采用海水，于 1992 年 9 月投入运行； 2机为上汽厂 1651 汽轮机，向下排汽，凝汽器在汽轮机运转层 下面，抽真空设备为锥体式水环真空泵，循环水采用闭式循环，机 力冷却塔冷却，于 2001 年 7 月投入运行。 这 2 套机组的真空系统各据特色，在运行中也出现了各种问题， 在分析解决这些问题时，积累了不少经验，下面就从几个方面分别 进行介绍。 真空严密性与真空查漏 真空系统管道与阀门不严密，对机组真空的影响是比较大的， 一般也较难查找。通过真空严密性试验可以判断真空系统是否严密， 一般来说，空气漏入凝汽器主要有以下几个原因： 凝结水泵轴向密封不严； 汽轮机端部轴封工作不正常； 汽轮机排汽缸和凝汽器喉部连接法兰或焊缝处漏气； 汽轮机低压缸结合面以及表计接头等不严密； 真空系统阀门不严密； 真空系统的设备、管道破损或者焊缝存在问题。 通常，凝结水泵轴向密封和汽机轴封系统工作是否正常也很容 易判断，其它位置漏入空气可以通过：卤素检漏法、氦质谱检漏法、 超声检漏法、萤光法、汽侧灌水试验、烛光法、薄膜法等方法查找， 但在实际运用中，因真空系统较大也较复杂，却不好掌握。 1996 年的时候，该电厂 5机真空较差，做真空严密性试 验，真空下降速度为 1kPa/min，远大于 0.4 kPa/min。当时， 没有素检漏法、氦质谱检漏法、超声检漏法、萤光法等手段查漏， 凝汽器是水平布置，汽轮机与凝汽器同在零米层，无法进行凝汽器 汽侧灌水试验，只能采用烛光法查漏。便用烛光法检测了汽轮机的 排汽缸和凝汽器喉部连接法兰、汽轮机低压缸结合面、有关表计接 头和阀门等，没能找到漏点。剩下还有一些疏水管道以及疏水扩容 器与凝汽器连接的管道中可能存在漏点。但由于这些管道所处位置 是在汽轮机排汽缸和凝汽器喉部连接处的底下，地方狭小，高度不 到一米，管道数目较多且集中，并且全被保温材料包着，不便用烛 光法检测漏点。而漏点很有可能就在这些管道中，该怎么检测呢？ 经过研究分析认为，这些管道中有空气从某一点漏入凝汽器，是因 为在汽轮机正常运行状况下这些疏水阀关闭，疏水阀后的管道以及 扩容器与凝汽器连接的管道处在负压状态，打开疏水阀后，疏水阀 后管道处于正压状态，空气就不会由此漏入凝汽器，扩容器及与凝 汽器连接的管道仍处于负压状态，空气还能由此漏入凝汽器。如果 在机组正常运行时把疏水阀打开，若此时凝汽器真空恢复正常，则 说明疏水管道中存在漏点；若真空不能恢复正常，则说明扩容器及 与凝汽器连接的管道中存在漏点。 于是以此制定一个方案，逐个进行试验，最后发现只有在主汽 门疏水阀打开时，凝汽器真空才恢复正常，压力从 9.6kPa 回到 6.4kPa，这就充分说明，漏点在主汽门疏水阀后的管道上，而其它 地方没有漏点。组织人员检查主汽门疏水阀后的疏水管道，最后发 现节流孔板前后的石棉垫被冲蚀坏了，空气由此漏入凝汽器。处理 完漏点后，凝汽器真空恢复正常运行，压力为 0.064bar，汽轮机功 率从 32.326MW 提高到 33.529MW，增加 1.2MW。 1999 年以后，该电厂 5汽机真空又逐步下降，做真空严密 性试验，真空下降速度开始为 2kPa/min，到 2002 年真空下 降速度加快到 4 kPa/min，需保持两台真空泵运行方能维持凝汽 器真空。为此，也花了很多精力进行真空查漏、消漏，并采用氦 质谱检漏法协助检查，却未能改善汽轮机的真空状况。同时，汕头 华能燃机电厂、汕头特区燃机电厂、珠海洪湾燃机电厂的同型号汽 轮机也相继发现了真空较差的现象，一时找不到原因。 经仔细分析，认为汽轮机后轴封处汽缸结合面应是真空漏点， 原因是该汽轮机在启动时后轴封直接由主蒸汽或在正常运行时由高 压轴封漏汽供给，轴封蒸汽温度几乎和主蒸汽温度接近，在 400 以上，而后轴封体外围是汽轮机排汽通道（见图 1） ，其温度只有 3345，内外温差很大，容易产生内张口变形。但此处较狭小， 无法在运行中查漏。 图 1：后轴封位置 2002 年初机组小修时，重点检查后轴封处，发现此处水平中 分面因变形而产生间隙，在全紧螺栓的情况下，间隙最大 0.40mm、 最小 0.10mm，而在运行中轴封蒸汽无法对此处进行密封。因当时没 有揭缸，无法进行修复。2003 年初，请专业人员采用微焊技术对汽 缸变形处进行了修复，利用电阻脉冲焊接的方式，将较薄的不锈钢 片与基体形成冶金结合，来弥补间隙。修复后，机组真空从 7.3kPa 升至 6.1kPa，且恢复到只需一台真空泵运行。 凝汽器脏污与清洗 凝汽器脏污，会使凝汽器传热恶化，真空下降，从而影响机组 出力。该电厂在这方面也有一些经验教训。 该电厂 5机凝汽器为开式循环，水质采用海水，设计只在取 水口设置平板滤网，且取水口垃圾较多，大量垃圾被带到凝汽器。 这些垃圾一方面堵塞钛管减少了凝汽器的换热面积，同时又防碍了 胶球清洗系统的投运（该电厂 5#机胶球清洗系统正因此原因一直没 有投运） ，使得附着在钛管内表面的淤泥不能清除。这不但影响了凝 汽器的传热效果，使汽轮机出力有所下降，也容易使钛管腐蚀。为 此，该电厂于 94 年 2 月在循环水母管上加装二次滤网来避免垃圾进 入凝汽器水室。这样循环水情况有所改善，但仍不能完全清 除垃圾。自投入运行后，运行人员除了每周清洗一次循环水泵进水 滤网外，还清洗一次凝汽器上、下水室，防止赃物堵塞钛管眼口。 2001 年 8 月，该电厂 2机投运行后，凝汽器真空逐步下降， 分析原因是闭式循环水中含灰尘较多，凝汽器管壁结垢使真空恶化， 但胶球清洗投入运行后，真空未能改善。后来发现原来使用的胶球 较硬，不易清洗铜管内壁的泥垢，改用较软的海绵胶球后，清洗效 果明显，凝汽器端差从 57降至 34，2机功率增加约 800kW。 真空泵工作状态对机组真空的影响 真空泵的工作状态会直接影响机组的真空，对水环式真空泵而 言，影响其工作状态的因素有：水环水的流量、环境温度，对闭式 循环而言还有冷却水流量、换热器清洁程度。 水环式真空泵的工作原理是：叶轮和泵轴的轴线与泵壳体的中 心线偏离，两端由端侧盖封住，侧盖端面上开有吸气口和排气口， 分别与泵的进出口相通。当泵内充有适量工作液体时，由于叶轮的 旋转，液体向四周甩出，在泵体内壁与叶轮之间形成一个旋转的液 环。液体内表面与叶轮毂表面及侧盖端面之间形成月牙形的工作腔 室，叶轮叶片又将气腔分隔成若干互不连通容积不等的封闭水室。 在叶轮的前半转（吸入侧） ，水室容积逐渐增大，气体经吸气口吸入 水室；在叶轮的后半转（排气侧） ，水室容积逐渐减小，气体被压缩， 压力升高后经排气口排出。 由于水环式真空泵是考水环与叶轮之间形成的月牙形的工作腔 室来抽吸空气和水蒸汽，腔室压力一旦等于于水环水的饱和压力， 水就会汽化，因此腔室的压力最低不能低于水环水的饱和压力，系 统的真空就会受到此饱和压力的限制，若水环水的温度升高，饱和 压力也升高，系统的真空就会降低。 凝汽器中不凝结气体和少量水蒸汽被真空泵抽出，凝汽器的压 力总要高于真空泵吸气腔室的压力，不凝结气体和少量水蒸汽的温 度高于水环水的温度，会将热量带给水环水，若水环水流量不够， 不能带走这些热量，吸气腔室内的水环水温度就会升高， 。采用开式 循环的水环式真空泵，水环水直接由自来水或工业冷却水系统供给， 其流量易受管网压力影响，但几乎不会影响水环水温度。采用闭式 循环的真空泵，其水环水流量相对稳定，但换热器结垢后，不凝结 气体和少量水蒸汽带来的热量不容易被冷却水带走，水环水的温度 会明显上升。 2002 年 8 月底，该电厂 2机（1651 汽轮机）真空下降，凝 汽器端差从 3.5升至 5.5，进行灌水查漏也未发现漏点。最后检 查真空泵板式换热器，发现其结垢严重，清洗后，凝汽器端差恢复 到 3.5，真空从 8.6kPa 升至 7.6kPa。 两种真空泵的比较 该电厂真空泵有两台 ALSTOM 所配平面式真空泵、一台山东西 门子平面式真空泵和两台 NASH 锥体式真空泵，这两种真空泵是目 前真空泵的两个主要流派，多数火电厂都使用这两种真空泵。平面 式真空泵是第一代水环真空泵，锥体式真空泵是在平面泵基础上发 展起来的第二代水环真空泵，在结构和性能上，锥体泵明显比平面 泵有优势。 一、结构上的改进 1、进气口和排气口的改进 平面泵的进气口和排气口在叶轮端面开口，受到水环的形成和 叶轮的向上偏心的位置限制，其开口几何尺寸不可能很大；而锥体 泵的锥体开口深入叶轮舱，其开口几何尺寸较大。 2、将单级泵改为两级泵 单级泵的压缩比约为 30/1，而两级泵的每一级的压缩比分别为 6/1、5/1。 3、泵入口管上加冷凝喷嘴 锥体泵由于进口开口比平面泵进口开口大得多，所以在入口空 气中夹带水份进入泵体而对泵的效率影响较小，因此锥体泵可以在 入口管上加冷凝喷嘴。 4、偏心位置的改进 平面泵的叶轮偏向外壳的上端，排气口在泵体的上部，锥体泵 的叶轮偏向外壳的下部，排气口在泵体的下部。 二、性能上的优势 1、效率高 首先，锥体泵进气面积大，开口深入叶轮舱，通道最通畅，进 气阻力小，大大提高泵的抽气能力。其次，在泵入口管上加冷凝喷 水来冷凝可凝气体，吸入泵的气体体积会大大减少，进一步提高了 泵的抽气能力。另外，采用两级泵后，压缩比降低，也降低了压缩 热，且压缩热分两次传递给水环水，水环水的温升比单级泵小。由 于水环水温度低，冷却效果好，因而效率高。 2、能有效防止汽蚀 众所周知，水泵产生汽蚀是由于水汽化后产生汽泡，汽泡集聚 在低压区形成空穴，空穴被流动的水带到高压区，致使蒸汽突然凝 聚、收缩，汽泡破裂而产生撞击。若汽泡附着在叶轮表面，并不断 产生水的汽化和蒸汽的凝聚，就会对泵产生汽蚀。水环真空泵的特 点决定了这种泵容易产生汽蚀。 锥体泵采用两级泵后，由于压缩热降低，水环水温升小，水不 容易汽化。两级泵将压缩比降低后，由于压差小，汽泡不容易破裂， 即使破裂，其能量也小得多。因而，锥体泵能有效防止汽蚀。 3、能处理多余的漏入空气 当凝汽器泄漏空气量增加时，凝汽器的背压升高，此时进入泵 的蒸汽温度和泵入口冷凝喷水的温度的温差更大，其冷凝效果更佳， 锥体真空泵的抽气能力增加，能有效限制凝汽器背压的提高。 4、安全可靠 锥体泵因排气口在下部，受到压缩力的方向是由下往上，可抵 消一部分叶轮的自重，故而轴所承受的力最小，磨损小，轴的寿命 比平面泵要长。 锥体泵因排气口在下部，叶轮也偏于泵的下部，静止时液位较 低，因而起动电流很小。 由于锥体泵进气口和排气口设计在锥体上，锥体深入泵体中， 整个叶轮一次浇铸而成，叶轮的端头整个环形加固，使得叶轮结构 牢固。 因此，该电厂的锥体式真空泵运行状况良好，运行电流小于同 容量的其它机组的平面式真空泵。运行 2 年半，未发现泵有任何汽 蚀现象，而据了解，其它电厂（如深圳南山热电、陕西渭河电厂等） 的平面式真空泵经常因汽蚀而叶轮断裂。 当然，平面式真空泵也并不一定就会出现汽 蚀现象，该电厂 5机的 ALSTOM 所配的 PL35 平面式真空泵运行了 10 多年也未出现过任何汽蚀 现象；1999 年该电厂因真空较差，又增加了一台 山东淄博西门子真空泵有限公司生产的 2BE1 253 平面式真空泵，运行至今也未出现汽蚀现象。认 为主要原因是该电厂的这些真空泵配置有汽蚀保 护装置。 ALSTOM 所配的 PL35 真空泵进口安装有大 气喷射器（见图 3） ，该装置是一个射气抽气器， 工作气源为真空泵出口的排气，利用此装置来适 当提高泵的吸入腔压力，防止泵汽蚀，同时利用 真空泵排气与进气压差辅助进行射气抽气，这样 就会辅助进行抽气，提高泵的抽气能力。 山东西门子的 2BE1 253 真空泵将很小一部分排出口正压气体引 入真空泵的吸入腔，并在叶轮表面形成一层薄薄的气体保护膜，用 以防止汽蚀。另外，该类真空泵在泵入口管上加装了冷凝喷嘴，也