李屹

【摘 要】由于凝汽器的真空系統(tǒng)在汽輪機(jī)組運(yùn)行時(shí)有著非常重要的意義，因此在分析了目前使用的射汽式抽氣器的運(yùn)行狀況之上，參考對比其他電廠的真空系統(tǒng)，對比射汽式抽氣器與水環(huán)式真空泵的優(yōu)缺點(diǎn)，提出改造方案。同時(shí)對于改造后的真空泵運(yùn)行，提出了可能的假想故障分析。

【關(guān)鍵字】真空；抽氣器；真空泵；改造

中圖分類號： TM621.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）20-0007-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.003

1 概述

秦山核電廠 320MW 機(jī)組凝汽器真空系統(tǒng)設(shè)置了兩臺啟動(dòng)抽氣器（以下簡稱“啟抽”）和兩臺主抽氣器（以下簡稱“主抽”）。在啟機(jī)時(shí)，兩臺啟抽并列運(yùn)行，快速建立真空。在正常運(yùn)行時(shí)，一臺主抽連續(xù)運(yùn)行，一臺備用，維持機(jī)組真空。

按照抽氣器水封管的經(jīng)驗(yàn)公式，為防止熱阱與抽氣器直通，保證抽氣器的正常工作，水封管的高度必須滿足h≥2（p1-pc）÷10，其中p1為第一級冷卻器壓力，pc為凝汽器背壓；凝汽器背壓按設(shè)計(jì)壓力pc=4.9kPa，當(dāng)p1與大氣連通而不會(huì)使空氣進(jìn)入凝汽器時(shí)有h≥（p1-pc）÷10=（101.3-4.9）÷10=9.64m，代入上式可反推得到p1≤53.1kPa。

同理，當(dāng)p2與大氣連通而不會(huì)使空氣進(jìn)入第一級冷卻器時(shí)，根據(jù)U型管壓力平衡可知：h'≥（p2-p1）÷10=（101.3-53.1）÷10=4.82，而實(shí)際上h'≈3m。這就在一定程度上造成了操作主抽時(shí)會(huì)掉真空的風(fēng)險(xiǎn)。

由于本機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電近26年，相關(guān)抽氣設(shè)備日趨老化，存在的故障隱患也日趨增多，且在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在一定操作風(fēng)險(xiǎn)，造成了真空系統(tǒng)的安全可靠性下降，不利于機(jī)組的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在參考了國內(nèi)其他火電機(jī)組、新核電機(jī)組的真空系統(tǒng)之后，故考慮對本系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行改造。

1.1 真空系統(tǒng)對凝汽器運(yùn)行的重要性

本機(jī)組的凝汽器真空主要是由抽氣器來維持穩(wěn)定的，而凝汽器真空對機(jī)組的安全性和熱經(jīng)濟(jì)性又有著有很大影響。

（1）經(jīng)濟(jì)性影響

據(jù)資料計(jì)算，對于一臺600MW的汽輪機(jī)，熱耗若增加0.05%，則會(huì)少發(fā)電306kW。即真空每降低1kPa，汽耗就增加了1.5%～2.5%。

汽輪機(jī)排汽壓力、溫度升高，蒸汽在機(jī)內(nèi)的可用焓降減少，蒸汽在凝汽器中的冷源損失增大，機(jī)組效率下降，出力減少。

（2）安全性影響

真空降低，要維持負(fù)荷不變，蒸汽流量增加，引起末級葉片過負(fù)荷，軸向推力增加，推力瓦溫度升高，有可能燒毀推力瓦。

排汽溫度上升，使汽缸及軸承座等部件受熱膨脹引起機(jī)組中心偏移，可能發(fā)生振動(dòng)。

排汽溫度升高，使凝汽器的循環(huán)冷卻水管脹口松弛。

排汽的體積流量減速少，不利于未級葉片工作。

2 真空系統(tǒng)改造的必要性

由于設(shè)備老化原因，自C18循環(huán)以來，機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，本機(jī)組抽氣器在運(yùn)行期間出現(xiàn)了很多影響。如表1所示。

2.1 抽氣器對日常運(yùn)行的影響

近期從運(yùn)行日志查詢還可發(fā)現(xiàn)，自2017年6月30日當(dāng)?shù)厝掌骄鶞囟壬仙詠?，投運(yùn)的2#主抽水位出現(xiàn)多次波動(dòng)。根據(jù)巡檢記錄顯示，瞬時(shí)最高水位接近15mm。如圖1所示。

這可能是隨著氣溫上升，海水循環(huán)水溫度隨之上升，造成凝汽器汽側(cè)冷卻效率下降，從而導(dǎo)致主抽從凝汽器抽取的汽氣混合物中的汽含量升高，在抽氣器冷卻器中的冷凝水含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致水位升高。

2.2 抽氣器對人因方面的影響

根據(jù)狀態(tài)報(bào)告ZTBG201201018【1#主抽試車過程中凝汽器掉真空事件】，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)檢修人員在處理PW061529【1#主抽沙眼處理】缺陷時(shí)，發(fā)現(xiàn)主抽的1、2、3級蒸汽進(jìn)汽閥壓力較高，在線緊固有難度，因此提出運(yùn)行操作員關(guān)小進(jìn)汽閥的要求。由于當(dāng)時(shí)抽氣系統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜（高溫、高噪音、且搭設(shè)了腳手架），檢修人員隨即在運(yùn)行操作員的允許下關(guān)小了3級進(jìn)汽閥開度，隨即觸發(fā)了主控“凝汽器水位A高“報(bào)警，DEH真空1從753mmHg→711.7mmHg，發(fā)電機(jī)電功率從327MW→309MW，閥門參考由103.4%→112.7%（閥限115%）。

由于抽氣器在常規(guī)島各系統(tǒng)中屬于較特殊的大型設(shè)備，在日常功率運(yùn)行過程中，涉及到的定期切換、相關(guān)試驗(yàn)等運(yùn)行操作非常少。再加上該系統(tǒng)設(shè)備的工作原理本身就存在一定操作風(fēng)險(xiǎn)（必須先提供蒸汽，形成負(fù)壓腔室，才能打開空氣閥抽氣）。所以難免使運(yùn)行人員在操作時(shí)，增大操作風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)擔(dān)。

2.3 抽氣器對操作上的影響

（1）啟停機(jī)時(shí)，需要打開旁路閥，防止凝結(jié)水汽化。

由于當(dāng)初設(shè)計(jì)原因，在機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)階段，主抽還可能造成凝結(jié)水汽化。這主要是由于通過主抽的凝結(jié)水流量不足而造成的，因此需要關(guān)閉主抽凝結(jié)水側(cè)的旁路閥NJS-32V來防止汽化。

（2）遇掉真空緊急情況投入備用主抽耗時(shí)長。

備用主抽三級進(jìn)汽手動(dòng)閥為關(guān)閉，要打開備用主抽的空氣閥之前必須先確認(rèn)三級進(jìn)汽手動(dòng)閥已調(diào)節(jié)打開。因而，投入備用主抽需要一定時(shí)間。除非凝汽器真空≤700mmHg，則優(yōu)先投運(yùn)啟抽。

（3）機(jī)組啟動(dòng)前，需要待蒸汽供應(yīng)條件滿足后才可啟動(dòng)抽氣器，且整個(gè)操作過程所需時(shí)間較長。

在啟機(jī)前，凝汽器內(nèi)部與大氣壓力相同，需投運(yùn)2臺啟抽和1-2臺主抽才能快速建立汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)所需要的啟動(dòng)真空。且前提條件是蒸汽供應(yīng)正常后。

2.4 抽氣器對OLE延壽的影響

考慮到320MW機(jī)組OLE延壽項(xiàng)目，目前所使用的抽氣器也不再能勝任延壽后對于凝汽器真空系統(tǒng)的工作要求了。

3 抽氣器和真空泵的對比

參考國內(nèi)其他同機(jī)組大小的電廠真空系統(tǒng)，以及日趨成熟的水環(huán)式真空泵技術(shù)，本機(jī)組計(jì)劃將凝汽器抽真空系統(tǒng)的主要設(shè)備由抽氣器改為水環(huán)式真空泵。

3.1 設(shè)備工作原理

3.1.1 啟抽的結(jié)構(gòu)和原理

啟抽主要由工作噴嘴、混合室和擴(kuò)壓管組成。它是一個(gè)單級射汽式抽氣器。工作蒸氣經(jīng)噴嘴是形成高速射流（可以達(dá)到1000m/s），同時(shí)在混合室形成比凝汽器更高的真空度，將凝汽器抽氣部位的蒸汽和空氣抽出，進(jìn)入擴(kuò)壓管后速度降低壓力升高，氣汽混合物的壓力稍高于大氣，排入大氣。如圖2所示。

3.1.2 主抽的結(jié)構(gòu)和原理

當(dāng)凝汽器建立一定真空后，需采用三級抽氣器來維持機(jī)組真空。

如圖3所示，它是一個(gè)由三個(gè)獨(dú)立的噴射式抽氣器和冷卻器，再加上殼體和相應(yīng)的連接管道組成。所使用的工質(zhì)可以回收，主要功能是在汽輪機(jī)組運(yùn)行中抽出真空系統(tǒng)的非凝結(jié)氣體，從而維持正常運(yùn)行真空度。

3.1.3 水環(huán)式真空泵工作原理

如圖4所示，本次改造參照恰西瑪核電廠C3/C4項(xiàng)目的水環(huán)式真空泵選型。

水環(huán)式真空泵的主要部件是葉輪和殼體。由于葉輪偏心地裝在殼體上，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，工作液在殼體內(nèi)形成運(yùn)動(dòng)著的水環(huán)，水環(huán)內(nèi)表面也與葉輪偏心，由于在殼體的適當(dāng)位置開設(shè)有吸氣口和排氣口，水環(huán)泵就完成了吸氣、壓縮和排氣這3個(gè)相互連續(xù)的過程，從而實(shí)現(xiàn)抽送氣體的目的。如下圖5所示。

3.2 水環(huán)式真空泵的性能優(yōu)點(diǎn)

相比于抽氣器，水環(huán)式真空泵具有以下幾個(gè)性能優(yōu)點(diǎn)：

（1）啟機(jī)時(shí)間縮短

如果繼續(xù)使用抽氣器來建立啟動(dòng)真空，需等到蒸汽供應(yīng)之后，而采用真空泵來建立啟動(dòng)真空則不需要，這就加快了大修節(jié)點(diǎn)進(jìn)度，并且有利于運(yùn)行人員盡早發(fā)現(xiàn)真空系統(tǒng)可能遺留的缺陷。

（2）瞬態(tài)響應(yīng)迅速

在運(yùn)行過程中，如果遇到凝汽器真空下降，若在主控室立即啟動(dòng)備用真空泵即可維持真空的穩(wěn)定。

（3）故障率失誤率降低

采用水環(huán)式真空泵，還改善了工藝系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了設(shè)備的故障發(fā)生率，以及降低了人員因素失誤而造成的后果。

同時(shí)，由于主抽運(yùn)行時(shí)間較長，加之設(shè)備老化。其冷卻管束存在破裂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致凝結(jié)水溢入，使抽氣器滿水，凝結(jié)水壓力下降，除氧器水位下降等一系列故障發(fā)生。

（4）綜合性能優(yōu)越

水環(huán)式真空泵運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，在持續(xù)運(yùn)行工況下，真空泵的單位耗功量要小于抽氣器的單位耗功量；使用壽命長，運(yùn)行的穩(wěn)定性高；水環(huán)式真空泵檢修、維護(hù)周期長，工作量??；真空泵結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。黄畵p失小等。

4 改造后可能出現(xiàn)的問題

4.1 改造后的運(yùn)行方式

經(jīng)詢，改造后的凝汽器抽真空系統(tǒng)設(shè)置兩臺水環(huán)式真空泵組，它們通過一根母管與凝汽器的空氣冷卻區(qū)域相連。啟動(dòng)時(shí)兩臺真空泵并列運(yùn)行，保證凝汽器中的空氣和不凝汽體能快速被抽出，混合物排入大氣。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝汽器真空由一臺真空泵來維持，并可根據(jù)凝汽器真空情況一臺或兩臺投入運(yùn)行。真空抽氣系統(tǒng)圖如圖6所示。

在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，一臺真空泵保證連續(xù)地抽出空氣和不凝結(jié)氣體。凝汽器汽側(cè)的空氣/水汽混合物被引出，匯集至一根母管，抽空氣支管上設(shè)置真空隔離閥?？諝?水汽混合物中一部分蒸汽在水環(huán)式真空泵中被凝結(jié)，余下的空氣/水汽混合物排往汽水分離器，被分離出的氣體從分離水箱頂部經(jīng)專設(shè)管線排大氣。每臺真空泵入口處各裝設(shè)置一個(gè)真空隔離閥。

系統(tǒng)中兩個(gè)凝汽器設(shè)備分別設(shè)置一個(gè)電動(dòng)真空破壞閥。真空破壞閥用于在汽輪機(jī)跳機(jī)或停機(jī)時(shí)打開，讓外界空氣從真空破壞閥管線進(jìn)入凝汽器，使機(jī)組轉(zhuǎn)速在較短的時(shí)間內(nèi)降至盤車轉(zhuǎn)速。真空泵組設(shè)備流程圖如圖7所示。圖8、圖9分別為真空泵組設(shè)備結(jié)構(gòu)圖與真空泵組管路連接圖

4.2 改造后對現(xiàn)有系統(tǒng)的可能影響

由于本機(jī)組計(jì)劃在OT118大修中對本系統(tǒng)進(jìn)行改造，目前該方案需借鑒恰西瑪核電廠C3/C4項(xiàng)目進(jìn)行可能的影響分析。

4.2.1 真空泵對日常運(yùn)行的影響

經(jīng)過換型后，可能出現(xiàn)的故障就會(huì)從抽氣器的閥門內(nèi)漏、卡澀等，轉(zhuǎn)換為真空泵的主要故障——真空泵汽蝕。

在參考其他電廠在改造投運(yùn)真空泵后，真空泵都曾出現(xiàn)真空泵葉輪損壞、葉片段落，甚至泵殼變形事故，特別是夏季水溫升高，真空泵轉(zhuǎn)子葉片材料（鑄造304）在抗汽蝕上達(dá)到極限，其使用壽命受到一定影響，真空泵葉輪正常使用都不到一年，而且在更換葉輪期間機(jī)組沒有備用真空泵。而導(dǎo)致真空泵汽蝕的主要原因有如下幾點(diǎn)。

（1）海水溫度升高

由于目前秦山核電基地共有9臺核電機(jī)組，其最終熱阱——海水平均溫度較往年偏高，尤其在夏季工況下，環(huán)境溫度及循環(huán)水溫度很高。不但會(huì)由于凝汽器效率下降，還由于真空泵組冷卻器使用的是海水作為其冷卻水，這也將使冷卻器冷卻效果變差，進(jìn)而使真空泵內(nèi)的工作水溫度升高，接近于真空泵工作壓力下的飽和溫度，這就會(huì)使泵內(nèi)工作液汽化，導(dǎo)致真空泵處于憋死或接近憋死的狀態(tài)下運(yùn)行，從而發(fā)生汽蝕，損壞葉輪。

（2）冷卻器堵塞

由于本次改造中，真空泵冷卻器的冷卻水供水來自海水冷卻水供水母管，回水去往海水冷卻水回水母管。故考慮可能在長期運(yùn)行后，管側(cè)極易滋生海生物，冷卻器出現(xiàn)堵塞（海水側(cè)）的現(xiàn)象。同樣將會(huì)使冷卻器工作效率下降，進(jìn)而影響到真空泵發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。

（3）工作液溫度高

如果再排除了上述兩種可能性的情況下，如果真空泵仍然發(fā)生汽蝕現(xiàn)象?？梢钥紤]對其工作液進(jìn)行改進(jìn)。在國內(nèi)某300MW機(jī)組的水環(huán)式真空泵改造中，將提供真空泵的工作液由閉式水改為了除鹽水，閉式循環(huán)改為開式循環(huán)，使真空泵內(nèi)溫度保持較低水平，同時(shí)提高凝汽器補(bǔ)水溫度。

為改善上述原因可能導(dǎo)致的后果，可采取的措施有如下幾點(diǎn)。

（1）增加換熱面積，降低真空泵工作液溫度

（2）采用開式除鹽水作為工作液

（3）定期巡檢、定期切泵，避免閥門銹蝕

4.2.2 真空泵對人因方面的影響

盡管真空泵的工作原理稍有別于常見的離心泵。但其“一運(yùn)一備”的運(yùn)行方式是運(yùn)行人員十分熟悉的，且改造后兩臺水環(huán)式真空泵將放置在常規(guī)島廠房的+0.0米層的9#～10#柱，A～2/A區(qū)域，避開了+14.5米層的高溫、高噪音的工作環(huán)境。

4.2.3 真空泵對操作方面的影響

（1）備用泵入口閥誤開

通常真空泵采用的是“一運(yùn)一備”方式。當(dāng)進(jìn)行真空泵切換操作時(shí)或其他作業(yè)時(shí)，可能誤碰或入口閥自動(dòng)誤開。造成兩臺真空泵入口管線竄氣，導(dǎo)致真空下降或波動(dòng)。

改善措施：通過儀控設(shè)計(jì)，在主控室的CB526盤臺上，增加兩臺真空泵入口閥的聯(lián)鎖，當(dāng)一臺泵在運(yùn)行，且泵和入口閥的聯(lián)鎖都投入時(shí)，另一臺備用泵入口閥無法打開。僅當(dāng)符合運(yùn)行泵跳閘或真空突降的聯(lián)鎖信號時(shí)，才可以打開并聯(lián)動(dòng)備用泵。

（2）若進(jìn)行定期切換，存在掉真空的風(fēng)險(xiǎn)

浙江某公司在執(zhí)行一次水環(huán)式真空泵切換操作中，由于操縱員在啟動(dòng)備用泵后發(fā)現(xiàn)“差壓信號高”沒有消失，誤認(rèn)為是不正常現(xiàn)象，于是解除自動(dòng)，手動(dòng)打開備用泵進(jìn)口閥，但此時(shí)備用泵的水環(huán)尚未建立，在進(jìn)口閥開后7s左右，又將其投自動(dòng)，造成閥門自動(dòng)關(guān)閉，隨后該操縱員又手動(dòng)打開該閥門，并停運(yùn)了原運(yùn)行的泵。此后2min，機(jī)組由于低真空跳機(jī)，如圖10所示。

主要原因：（1）真空泵切換時(shí)，沒有安排專人監(jiān)視真空變化。（2）啟動(dòng)水環(huán)式真空泵前應(yīng)確認(rèn)注水完成。（3）設(shè)備可靠性不高。排氣管線上的逆止閥有卡澀現(xiàn)象。

改進(jìn)措施：（1）此類操作應(yīng)嚴(yán)格把控風(fēng)險(xiǎn)，開好工前會(huì)，并明確責(zé)任分工。（2）嚴(yán)格按照操作票步驟執(zhí)行，嚴(yán)禁跳步，漏步。并使用好防人因失誤工具（自檢、監(jiān)護(hù)、三向交流等）（3）建議每天搬動(dòng)氣水分離器排氣逆止閥1次，以防生銹卡死。因?yàn)槊看螁?dòng)時(shí)有水汽沖擊該閥，運(yùn)行時(shí)水汽溫度較高，會(huì)長期沖蝕該閥，正常運(yùn)行時(shí)，該閥又靜止不動(dòng)。

4.3 真空泵對原系統(tǒng)的影響

4.3.1 對R08輻射監(jiān)測系統(tǒng)的影響

由于原系統(tǒng)的R08輻射監(jiān)測系統(tǒng)是從抽氣器排氣總管線上引出的在線監(jiān)測。由于該部分為凝汽器放射性氣體輻射監(jiān)測，涉及到技術(shù)規(guī)格書的設(shè)計(jì)要求，因此改型后R08輻射監(jiān)測系統(tǒng)的接口、管道的位置變更需要經(jīng)專業(yè)部門審查、核準(zhǔn)，并報(bào)備國家核安全局通過。

4.3.2 對真空密封水系統(tǒng)的影響

如果改造方案中對于原閥門繼續(xù)沿用，則可以考慮在重新檢查分析可行性后，繼續(xù)使用原系統(tǒng)的真空密封水。這樣既可以降低改造成本，還可以減少改造工作量，減少管線的拆建。否則更換為新密封形式的閥門，前提是需要根據(jù)實(shí)際情況，分析選擇新閥門的密封形式和閥門類型。

4.3.3 對海水冷卻水系統(tǒng)的影響

由于本改造方案中冷卻器（圖7的130）采用海水冷卻水，因此對海水的流量有所影響。目前本機(jī)組海水冷卻水除大部分送往凝汽器冷卻，剩余一部分經(jīng)海水過濾器過濾（入口母管約0.07MPa），海水升壓泵升壓（出口母管約2.4MPa），供給以下用戶：2臺工業(yè)水冷卻器，8臺發(fā)電機(jī)空冷器，3臺定子水冷卻器，3臺轉(zhuǎn)子水冷卻器。如圖11所示。

建議可以將真空泵的海水冷卻水取水管線從海升泵出口母管引出，其揚(yáng)程既能克服在真空泵冷卻器設(shè)計(jì)流量下的阻力。但具體海水使用量還需要專業(yè)部門進(jìn)行評估計(jì)算，以保證冬季和夏季不同工況下，對升降功率后的發(fā)電機(jī)風(fēng)溫的技術(shù)要求。

4.3.4 對凝結(jié)水系統(tǒng)的影響

（1）由于采用的是水環(huán)式真空泵，因此真空泵在運(yùn)行時(shí)需要有工作液配合完成吸氣、壓縮、排氣的循環(huán)流程。但凝結(jié)水從凝結(jié)水泵母管（壓力約0.8MPa）引出還是從凝升泵母管（壓力約2.3MPa）需要專業(yè)部門進(jìn)行分析估算，是否會(huì)滿足本改造方案中的水環(huán)式真空泵工作液的壓力要求。

（2）由于原來的抽氣器系統(tǒng)抽氣管線主要在常規(guī)島廠房的+14.50米層，而本改造方案將真空泵的抽氣管線主要移到了+0.0米層。因此需要有專業(yè)部門對抽氣管線的流阻、真空等熱工參數(shù)進(jìn)行定量分析，以及完成熱力循環(huán)圖的修改。

4.3.5 對HEI標(biāo)準(zhǔn)的影響

根據(jù)技術(shù)要求HEI標(biāo)準(zhǔn)要求，在“啟動(dòng)工況下30分鐘內(nèi)將凝汽器的真空提高到33.86KPa”，并增加一條技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，“60分鐘內(nèi)將真空提高到4.9KPa”。相關(guān)要求需要專業(yè)部門進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證。

5 結(jié)論

（1）近年來，水環(huán)式真空泵在國內(nèi)的火、核電廠中得到了廣泛的應(yīng)用。相比于抽氣器，水環(huán)式真空泵具有啟動(dòng)時(shí)間短、單位耗功量小、運(yùn)行穩(wěn)定性高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

（2）本工程采用水環(huán)式真空泵替代抽氣器來維持凝汽器的真空，可以有效的解決現(xiàn)階段運(yùn)行中出現(xiàn)的#2抽氣器出力不足對凝汽器真空的影響。經(jīng)過評估，根據(jù)汽輪機(jī)增容后的熱平衡圖，抽氣器改為真空泵后可以滿足機(jī)組增容后的運(yùn)行要求。

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