徐州發電廠#8機
水環真空幫浦及凝汽系統效能綜合試驗方案
東南大學能源與環境學院
1． 試驗目的
徐州發電廠#8機的凝汽器的抽氣系統原配置2臺cs-45-75-1型單通道長喉管射水抽氣器，為克服射水抽氣器用水多、耗能大的不足，後增設了一台美國nash公司的tc-ii型雙級水環真空幫浦。投運試驗顯示：nach水環真空幫浦較射水抽氣器，用水量和耗電量明顯減小，並且在機組啟動時也能較快地建立真空，但執行人員認為，水環真空幫浦的效能不如射水抽氣器，在相同執行工況下，投用射水抽氣器時的凝汽器的真空高於水環真空幫浦。
為此，徐州電力試驗中心於2023年8月在停機和執行狀態下分別對射水抽氣器與水環真空幫浦進行效能檢測試驗，試驗顯示：在靜態抽乾空氣情況下，吸入口壓力與抽氣量的效能曲線，射水抽氣器較陡，水環真空幫浦較平緩，兩條特性線相交點對應的吸入壓力為4.6kpa、幹空氣量82kg/h；在機組負荷和凝汽器迴圈冷卻水進口溫度等基本相同工況下，射水抽氣器與真空幫浦相比，其抽吸的汽、氣混合物量大，吸入口的真空也高；射水抽氣器抽吸的汽、氣混合物中的幹空氣量少；基於汽輪機排汽溫度推算凝汽器的壓力，射水抽氣器和水環真空幫浦工作時對應的汽輪機排汽壓力分別為89.
81kpa和88.72kpa，由此推算汽輪機排汽口與射水抽氣器及水環真空幫浦吸入口的氣阻分別為3.77kpa和3.
16kpa，即水環真空幫浦工作時的氣阻小於射水抽氣器。試驗認為：射水抽氣器的效果優於真空幫浦，進一步提高凝汽器的真空必須從凝汽器的其它熱力學引數入手。
當時水環真空幫浦在國內發電廠的應用還很不普及，對其工作效能了解和掌握都不深，#8機的射水抽氣器與水環真空幫浦的對比試驗，似乎印證了水環真空幫浦效能不如射水抽氣器的猜測，至今仍是不能圓滿破解的迷團。在當前新建機組普遍採用水環真空幫浦的新形勢下，徐州發電廠#8機凝汽器抽氣系統表現出來的水環真空幫浦的效能不如射水抽氣器的現象，是該機的個案特例還是普遍規律，值得深入研究，因為射水抽氣器與水環真空幫浦工作時對應的凝汽器真空相差接近1.0kpa，所產生的發電損失僅靠水環真空幫浦的節水和節電是無法彌補的。
因此，深入研究#8機凝汽器抽氣系統存在的問題，通過現場試驗，找出水環真空幫浦與射水抽氣器效能差別的確切原因和普遍規律，研究**改進、提高水環真空幫浦效能的方法和技術措施，為該機進一步節能降耗具有重要的經濟意義。另一方面，現役機組經多年改造、完善，以及新建機組的技術進步，凝汽器真空系統嚴密性得到很大改善，漏入真空系統的空氣很少，在機組正常執行時，抽氣裝置的工作負荷較小，有較大的節能潛力，水環真空幫浦良好的可調、可控性，可為發電廠抽氣系統節能優化提供優良的技術支援。本項試驗旨在2023年8月的試驗基礎上，通過更完整的試驗途徑和試驗檢測及試驗處理，確切診斷#8機射水抽氣器和水環真空幫浦的效能差異和機理，全面了解水環真空幫浦在不同工作水溫度、不同工作轉速下的抽氣能力及功耗，找出解決#8機水環真空幫浦工作時抽氣系統存在問題的方法，並由此試驗研究不同漏氣量下水環真空幫浦的執行控制方法。
2． 試驗系統與試驗內容
2.1 試驗設計與試驗系統
2.1.1 試驗設計
水環真空幫浦抽氣系統是由水環真空幫浦、氣水分離器、密封水迴圈幫浦和密封水冷卻器等組成，如圖1所示。來自凝汽器的汽、氣混合物從水環真空幫浦的吸入口進入吸入腔，隨著葉輪的旋轉，吸入腔關閉並且容積逐漸減小，對汽氣混合物產生壓縮，當該腔室旋轉至排氣口時，汽、氣混合物伴隨著一定的水排至氣、水分離器，空氣由氣、水分離器的頂部排至大氣環境，水由分離器底部的出水口排室密封水迴圈幫浦的進口，經迴圈幫浦和冷卻器後返回水環真空幫浦。
水環真空幫浦的抽氣能力除與葉輪轉速有關外，主要決定於吸入腔的容積有效利用係數，而吸入腔室的有效利用係數決定於吸入口處汽、氣混合物的壓力與吸入腔密封水溫度所對應的飽和壓力的差，當吸入口處的壓力與密封水溫度對應的飽和壓力相等時，汽、氣混合物無法進入吸入腔，此時水環真空幫浦無抽吸能力，對應壓力即為水環真空幫浦所能達到的極限真空；只有當汽、氣混合物的壓力高於密封水溫度對應的飽和壓力時，水環真空幫浦才有抽吸能力，並且隨壓差的增大，抽吸能力隨之提高。因此，水環真空幫浦的抽氣能力與密封水的溫度緊密相關，評估水環真空幫浦的效能，密封水的工作溫度是乙個重要的引數。
水環真空幫浦的試驗系統及測點布置如果圖1所示。為全面檢測水環真空幫浦的效能，試驗中主要檢測引數為冷卻器前、後密封水的溫度，吸入口處汽、氣混合物的溫度和壓力，氣、水分離器中的水位和氣水分離器排氣流量。汽、氣混合物在水環真空幫浦內壓縮和與密封水接觸，其中部分蒸汽釋放出汽化潛熱而凝結為水，使密封水的溫度公升高，密封水冷卻器的進、出口溫度差反映了抽吸汽、氣混合物中的蒸汽份額的多少。
因此，試驗中還需檢測密封水冷卻器的進口溫度。
徐州發電廠#8機凝汽器抽氣系統現有2台射水抽氣器和1台水環真空幫浦，公用一套抽氣管道系統。射水抽氣器和水環真空幫浦的吸入口管道上均設有逆止閥，在射水抽氣器和水環真空幫浦不工作時，逆止閥關閉，阻止大氣環境的空氣內漏。如果其中某台備用抽氣器的逆止閥關閉不嚴，空氣內漏入抽氣管道，使工作抽氣器的負荷增大，最終導致凝汽器的壓力上公升、真空下降。
因此，在評估射水抽氣器與水環真空幫浦的實際工作效能時，不能僅以凝汽器真空的高低，除在相同的機組負荷、相同的凝汽器迴圈冷卻水的進、出口溫度水平上外，還應確認是否存在射水抽氣器或水環真空幫浦的逆止閥洩漏，只有這樣，方可得出符合實際的科學結論。
為進一步考察水環真空幫浦的負載特性，以及水環真空幫浦不同轉速下的承載能力，通過在凝汽器喉部增設乙個放氣點，由流量計監測放入凝汽器的空氣量多少，凝汽器真空和傳熱端差、凝結水過冷度及水環真空幫浦的監測引數，估算漏入凝汽器真空系統的總的空氣量。
在凝汽器改造中，增設了凝汽器水阻、凝汽器喉部蒸汽溫度和抽氣口氣、汽混合物溫度測點，在本次試驗中，利用這些測點，全面監測試驗中各工況凝汽器效能的變化。
圖1給出了試驗系統及主要的檢測訊號布置，測點名稱及表計列於表1。其中，表中特別表注※的吸入口絕對壓力、吸入口溫度和冷卻器進、出水溫度和凝汽器放入空氣量為新增設表計，溫度、壓力採用高精度儀表。
表1 徐州發電廠#8機水環真空幫浦效能試驗測量引數
2.1.2 試驗系統改造
2.1.2.1 靜態試驗進氣口改造
原水環真空幫浦靜態特性試驗在真空幫浦進口管的頂部設定了乙個進氣管和隔離閥，流量噴嘴安放在隔離閥的端麵，該進氣管和隔離閥的通徑較小，在進氣量不大時，其產生的流動阻力對流量測量不產生影響，因為只要流量噴嘴後的壓力低於54.6kpa時，流量噴嘴處於臨界
流動狀態。但當流量噴嘴直徑增大、放入的空氣增多時，隔離閥和進氣管的流動阻力對流量噴嘴的流動產生影響，有可能使流量噴嘴後的壓力大於54.6kpa，流量噴嘴的流動由臨界轉變為亞臨界，此後增大流量噴嘴的通徑，放入的空氣量變化較小，虛假地表現出水環真空幫浦平坦的特性線。
為避免試驗進氣及隔離閥流動阻力對試驗的影響，要求在整個試驗範圍內進氣管和隔離閥的通徑至少大於流量噴嘴最大直徑1.5倍以上。為此，利用現有進氣管上隔離閥的旁通管，按圖2中a所示作改造，試驗時全開旁通隔離閥，保證進氣通道的暢通和流量噴嘴在臨界狀態下工作。
另外，#8機進口管的隔離閥通徑較小，其流動阻力有可能對水環真空幫浦執行特性產生一定影響。為考察隔離閥是否存在明顯的流動阻，對圖2中b作改造，將原堵板改為可安裝壓力表。在水環真空幫浦執行試驗時，監測隔離閥前後的壓力，診斷隔離閥對水環真空幫浦的影響。
2.1.2.2 凝汽器放氣管
為考察不同漏氣情況下凝汽器及水環真空幫浦的工作特性，在水環真空幫浦**執行試驗中，對凝汽器放入一定量空氣。國產200mw機組凝汽器為三殼體結構，儘管凝汽器管束頂部相互連通，但如果放入的空氣量較少，僅在1個凝汽器殼體上設定放氣孔，很難分布到其餘2個凝汽器上。因此，為得到更好的試驗效果，應在3個凝汽器殼體上分別設定放氣孔。
好在#8機凝汽器3個殼體的喉部均設有2個壓力測量取壓管和隔離針閥，在本次試驗中用作放氣孔。為保證有足夠的放入空氣量，對放氣管的通徑提出一定要求。圖3給出了放氣管布置和主要管徑示意圖。
為便於現場安裝，總管與針閥間可用軟管，但必須保證介面連線的嚴密性。
2.2 試驗內容
本項試驗旨在全面檢測水環真空幫浦不同工作轉速、不同密封水溫度和不同抽氣負載工況下的綜合性能，試驗主要包括：溫度特性試驗、轉速與能耗特性試驗和負載特性試驗。
2.2.1 水環真空幫浦靜態特性試驗在與凝汽器抽氣系統隔離情況下進行抽乾空氣試驗，通過改變電機轉速和密封水溫度，觀察吸入口壓力、抽氣量與轉速、密封水溫度之間的關係。
2.2.2 溫度特性試驗通過改變密封水冷卻器的冷卻水量，改變水環真空幫浦密封水的溫度，在機組相同負荷工況下，由汽輪機低壓缸的排汽溫度、凝汽器真空、水環真空幫浦吸入口溫度與壓力等觀察水環真空幫浦隨水溫變化的工作效能。
2.2.3 轉速與能耗特性試驗在一定機組負荷和凝汽器迴圈冷卻水進、出口溫度下，通過變頻器改造水環真空幫浦的轉速，觀察汽輪機排汽溫度、凝汽器真空和水環真空幫浦吸入口處壓力與溫度等的變化，以及由水環真空幫浦電機的電流觀察水環真空幫浦能耗的變化。
2.2.4 負載特性試驗通過凝汽器喉部設定的放氣閥，向凝汽器放入一定空氣，觀察放入一定空氣後凝汽器執行引數和水環真空幫浦吸入口處壓力、溫度及功耗的變化等，由此分析漏氣量對凝汽器和水環真空幫浦工作特性的影響。
並且通過改變水環真空幫浦的轉速，觀察水環真空幫浦抽氣能力的可調、可控性。
3. 試驗過程與試驗規範
3.1 試驗過程
3.1.1 試驗準備與測點布置
3.1.1.1 安裝水環真空幫浦電機的變頻器，並在空載狀態下除錯變頻器。
3.1.1.
2在現有水環真空幫浦系統上安裝密封水進出口溫度測點，以及吸入口處更換高精度壓力、溫度表。溫度測量選用記精度鉑熱電阻或高精度玻璃棒溫度計，如用鉑熱電阻，需有高精度萬用表測量電阻值。
3.1.1.
3 系統隔離與逆止閥洩漏檢測。將#8機抽氣系統改投水環真空幫浦，利用氦質譜檢漏儀檢測2台射水抽氣器逆止閥是否存在洩漏，並對存在的洩漏點作處理，保證水環真空幫浦與射水抽氣器工作條件的一致性。
3.1.1.4 在水環真空幫浦與凝汽器抽氣管路的隔離閥後設定乙個放氣口，並在此放氣口上安裝乙個可安裝測量漏入幹空氣量標準噴嘴的噴嘴座。
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