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水环式真空泵加装大气喷射器的改造

      我厂为电厂提供的一套水环真空泵机组,自投产后发现真空泵在极限真空下运行噪音超标,并导致真空泵叶轮损坏,对电厂的正常生产造成影响,所以决定对凝汽器 真空泵进行技术改造,加装大气喷射器,以期降低运行噪音,防止再次出现由于汽蚀造成的叶轮断裂损坏,延长水环式真空泵的使用寿命,确保电厂正常安全生产。

1. 水环式真空的结构及工作原理

      泵体与其两侧的前配气盘、后配气盘组成一个腔体。叶轮安放在腔体内,其轴与泵体轴平行并有一定的偏心距。前后配气盘上开有吸排气孔。

      启动泵前先向泵体内注入一定量的工作水,水量由自动排水阀控制。由于叶轮下部的叶片浸在水中,当叶轮旋转时,叶片便带动水运动,水受离心力的作用形成一紧 贴壳壁的旋转水环,水环的轴线与泵体同线基本同轴,因而水环内表面与叶轮轮毂表面及两侧盖端面之间形成1个月牙形工作空间,该空间被叶片分隔成若干个腔 室,腔室容积随叶轮回转不断地改变。

      叶轮顺时针转动,在前半转,工作小腔容积由小变大形成真空。于是,外界的气体通过进气口入前、后泵盖的吸气腔,再通过配气盘的吸气孔进入工作腔室。在后半转,工作小腔容积由大变小,气体被压缩,压力升高,经配气盘的排气口排出。

2. 真空泵叶轮损坏情况及解决方法

      通过对真空泵进行解体检修,详细观察真空泵的损坏情况:一片叶片掉块、叶片出现断裂、加强环与叶片连接处都有断裂现象、泵体损环、分配板有刮痕,说明这是典型的真空泵运行当中叶片疲劳断裂造成的破坏。

2.1 真空泵叶轮发生汽蚀的原因分析

      真空泵产生汽蚀是一种物理现象,当在一定的水温及真空下,汽蚀就会发生,因机组的严密性存在不确定性,一般情况下设计选型以及真空泵选型都会有较大裕量, 这样当机组的严密性较差时也能达到设计的要求。但当机组的精密性很好时,真空泵又有一定的裕量,这样,凝汽器的真空会较高,虽然这对机组的发电效率有好 处,但不可避免地使真空泵面临汽蚀的影响。工作水温的升高降低了抽气设备的性能,给凝汽器真空产生不利影响。

      单级真空泵压缩比大,对工作水温尤其敏感,当工作水温升高时导致叶轮因汽蚀而损坏。防止汽蚀对真空泵的破坏是一项很关键的技术。通过对真空泵叶轮损坏的原因进行分析,主要有以下几点:

(1)真空泵选型偏大,导致真空泵产生汽蚀,不能满足工作需要。
(2)工作环境、工作状况发生变化,实际工作状况与设计工况不符,使真空泵产生汽蚀。凝汽器气密性好,系统的真空度较高。从而导致真空泵在极限状态下运行,发生汽蚀现象。
(3)换热器的热交换效果对泵的性能有很大影响。冷却水温度偏高,热交换器的换热效果较差,冷却液温度升高导致泵的汽蚀产生。
(4)真空泵设计不尽合理,有效气蚀余量不足,使真空泵产生汽蚀。

2.2 真空泵叶轮汽蚀的解决方法

      从以上对真空泵叶轮发生汽蚀的原因分析可知,要想根本解决真空泵产生汽蚀的问题,一是降低冷却水温,但这样一来成本很大,二是降低真空度,也就是让凝汽器 背压上升,这样的方法更不可行,这将严重影响机组的带负荷能力和机组的经济性,理想的办法是在原水温、凝汽器真空不变的情况下能彻底解决汽蚀的产生,目前 最佳的办法就是给真空泵加装大气喷射器,这样可以改变整个真空泵组的抽汽性能,而且凝汽器的真空仍可保证改造前的水平或更高,因此采用水环--喷射器的真 空泵机组可以有效避免汽蚀的产生,因为当凝汽的真空在3~5kPa时,水环--喷射器真空泵机组的第一级(喷射器)的吸入压力也在3~5kPa,但作为第 二级的真空泵其吸入压力在12kPa左右,这样,同样的工作水温,完全没有可能产生汽蚀现象,彻底解决产生汽蚀的原因,而且当机组严密性较好时,水环-- 喷射泵比单一采用真空泵可以达到更高的真空。

3. 大气喷射泵的原理

      水环喷射泵作为一种很成熟的产品,在各个行业已广泛应用,同样作为抽凝汽器真空的设备也得到广泛的应用。与水环式真空泵配合的喷射器成套装置,是针对所配 套的真空泵性能进行设计,可以使效率达到最佳状态。相对比单一真空泵,凝汽器真空有可能达到更高。大气喷射器又叫大气喷射真空泵,可以直接利用常压大气作 介质,可以按一有、二级、三级串联工作。

      大气喷射器作用是利用大气压相对于真空泵的压差,产生空气射流,在喷射器内获得比真空泵更低的抽吸压力,从而消除真空泵的极限压力,防止真空泵产生汽蚀, 起到保护真空泵的作用。当压缩空气进入到拉法尔喷嘴喉部最小断面处,其压力达到临界值PK,此时空气流速达到音速VK。在拉法尔喷嘴的扩张段,速度逐渐上 升,而压力继续下降。当达到喷嘴出口切面时,速度达到超音速,压力为P/0。压缩空气流出喷嘴后,继续膨胀到P//0。这时压缩空气的压力才与被抽气体的 压力相等,即P/0=P//0。被抽气体从P1到P//1的压力差,使被抽气体得到显著的加速。压缩空气和被抽气体两股气流在混和室内相互混和进行动量和 能量交换,把压缩空气由压力能转变来的动能传给被抽气体,从而使压缩空气速度V0逐渐降低被抽气体速度V1逐渐增高,两者速度逐步接近。最后,在扩压器喉 部某处两者速度达到一致V/3,并产生正激波,使得混合气流速度下降,从激波前的超音速下降到激波后的亚音速V3,同时压力上升到P3。

      在实际应用中,大气喷射泵是作为水环泵的前级泵组成水环--大气喷射泵机组,来提高水环泵的极限压力和扩大其工作范围。由于水环泵受到水温限制,在极限真 空下其抽气速率大量减少以及水环泵内部容易产生汽蚀,这时配带大气喷射泵就有很大的好处。汽蚀是一种物理现象,当真空高到一定值时,真空泵内的工作水会不 断产生气泡破裂的现象,当这种现象出现时会导致真空泵噪声剧增,出现这种情况并不是泵的质量问题,只要是用水作工作液的真空泵就会出现这种情况;但出现汽 蚀现象对真空泵来说也是一种非正常状态,经常在这种状态运行会影响到真空泵的使用寿命;为避免在这种情况下运行的最佳选择就是给真空泵加装大气喷射泵。加 上大气喷射泵后,当发电机组在冬季运行时,整个真空泵组抽气性能会与日俱增,因此凝汽器真空泵可保证在目前水平或者更高,但真空泵本体其内部真空度在 12kPa左右这样就有效避免汽蚀的产生。

      当起动水环泵时,喷嘴进气口与排气口间形成压力差,大气使喷嘴进入泵内。内压力差为大气压力的1/2时,空气介质经喷嘴收缩段得到加速,到喉部时可达到声 速,到扩张段再进一步加速到超声速,射向扩散器,形成高速射流,并造成吸气室内的压力比被抽容器内的压力低,因此将被抽气体吸入室内。由于二股气流在吸气 室内混合,动量交换产生的损失使气流速度逐渐减慢,当进入扩散器喉部时则降到声速以下。经扩散器扩张段时,速度进一步降低,压力不断升高,最后达到大气喷 射泵排气压力,即水环泵吸气压力,则由水环泵把气体吸入,再排出泵外,即完成了吸气、排气过程。

4. 真空泵加装大气喷射器改造后的好处

4.1最主要的是真空泵不会发生汽蚀现象,噪声及振动大幅减少;真空泵的使用寿命将得到提高,同时减少真空泵叶轮的维护工作量。
4.2当发电机组在冬季运行时,整个真空泵组抽气性能会更好,因此凝汽器真空仍可保证在改造前的水平甚至更高。

5. 结语

      通过加装大气喷射器后1年多的运行,没有发现真空泵有汽蚀的现象,真空泵运行产生的噪声也有所降低,真空泵组的抽气性能维持在正常状态。由于避免了在汽蚀 产生的工况下运行,有效延长了真空泵的使用寿命,减少了设备的检修维护工作量,提高机组的运行安全性和经济性,是值得采用的防止汽蚀的有效的技术改造方 法。