水環(huán)式機械真空泵選型計算

.z......資料...水環(huán)式機械真空泵選型計算〔業(yè)務培訓教材〕〔4〕和順泵業(yè)2007年1月15日前言多年以來，關于電站凝汽器真空泵的選型一直是各方爭執(zhí)的焦點：真空泵如何選才經濟合理？用哪一個標準來判定真空泵選型滿足電廠設計與運行要求?，F(xiàn)綜述國、外相關真空泵選型資料，并參照國電廠多年的運行經歷，在廣泛征求設計人員意見的同時結合國運行實際，對真空泵的選型做一個簡要的說明。從中找出一種適合中國國情的真空泵選型計算方法。此選型方法僅適用于燃煤機組〔不包含空冷機組〕、燃機電廠、核電站及射水抽吸氣改造別成冊。電廠凝汽器真空泵的選型計算真空泵的作用就是從凝汽器抽出不凝結的氣體，以及隨不凝結氣帶出來的來不及冷卻的水蒸汽，維持凝汽器的真空。具體來說就汽輪機凝汽器排汽壓力的上下直接影響到汽輪的效率，火電機組靠凝汽器在汽輪機排汽口建立并維持一定的真空〔由真空泵來完成〕，以增加汽輪機蒸汽的可用焓降，提高汽輪機的熱效率。據(jù)統(tǒng)計，300MW機組凝汽器壓力每降低1KPa，汽輪機的汽耗將減少1.5%-2.5%。發(fā)電量約增加1%，由此可見維持凝汽器真空作用的重要性。選型計算的目的，是為了選取適當?shù)恼婵毡门c電廠汽輪機發(fā)電機組及使用條件相匹配。水環(huán)式機械真空泵選型需要滿足汽輪機凝汽器起動和正常運行兩種工況。啟開工況：眾所周知，汽輪機在啟動前，凝汽器兩側容積均被空氣所占有，水環(huán)真空泵需抽吸、排除凝汽器汽側汽缸及抽吸管道等部位的空氣，使凝汽器在規(guī)定的時間到達一定的真空度。在西歐國家一般要求30分鐘使凝汽器壓力到達200mbar～400mbar，以便啟動汽輪機。我國要求啟動真空壓力為300mmHg相當于上限400mbar(1mmHg=1.33mbar)。水環(huán)式機械真空泵抽吸時間計算公式：T=〔60Vk/ns〕Ln(P2/P1)t真空泵需抽吸凝汽器真空時間minVk真空泵需抽吸空間容積m3n啟動時，真空泵運行數(shù)量S真空泵在抽吸壓力P1條件下真空泵下抽氣量m3/hP2真空泵排出口壓力mbarP1真空泵需要抽吸的真空度mbar運行工況當汽輪機投入運行后，水環(huán)式機械真空泵還需要不斷地抽吸漏入真空系統(tǒng)的泄漏空氣，隨蒸汽帶入的不凝結氣體和來不及冷卻的蒸汽混合物，以確保凝汽器良好的熱交換，維持機組排汽真空度。確定泄露空氣量A.汽輪機機凝汽器真空系統(tǒng)泄漏量與該機組真空系統(tǒng)主、輔設備制造質量和安裝密封程度有關，但一般可用單位時間的凝汽器真空下降大小來衡量——密封性，德國VDEW標準提供的由凝汽率來查該系統(tǒng)泄漏空氣量。B.如機組容量增大，額定負荷下排汽量到達1400T/h后，到達的最大泄漏量是40Kg/h。C.美國HEI和英國BEAMA也是根據(jù)它們的經歷制定的汽機凝汽器系統(tǒng)泄漏量。D.據(jù)德國火電工程師介紹：對于新投產的汽輪發(fā)電機組，其泄漏空氣量遠低于VDEM特性曲線上所表示的數(shù)值，只有機組運行數(shù)年后，機組趨向老化后，其泄漏空氣量才到達樣本特性曲線上的值。E.美國和英國泄漏空氣量之所以比德國大，是在于美國和英國汽機低壓缸與凝汽器連接部份至頸部采用橡膠波形補償器連接，密封性較差的緣故，而德國，大機組均采用鋼性連接，密封性能良好。泄漏空氣和氣—汽混合物流量的計算泄漏空氣量徜泄漏空氣量暫時按德國VDEM特性曲線上查得，以平圩電廠為例，該工程汽輪機低壓缸排入凝汽器蒸汽總量為1250T/h，從VDEM特性曲線查得泄漏空氣量MG=35Kg/h.泄漏空氣體積流量可按以下公式計算：VG=〔mg×RG×Tmin〕/(Pmin×100)m3/hVG——泄漏空氣體積流量m3/hMG——泄漏空氣質量流量Kg/hRG——空氣常數(shù)，為287.05J/Kgk(焦耳/公斤0F)Tmin——混合物絕對溫度0K，假設凝汽器壓力0.055atm,即55.76mbar〔毫巴〕，在此溫度下水蒸汽的飽和溫度為34.83℃，凝汽器氣體排出區(qū)域設計考慮過冷度4.17℃?；旌衔餃囟龋簍min=34.83℃-4.17℃=30.66℃混合物絕對溫度：tmin=273.15+30.66=303.780K假定凝汽器真空為：Pmin=55.76mbar(毫巴)VG=〔35×287.05×303.78〕/〔55.76×100〕=547m3/h此時水蒸汽的飽和分壓力：PD*=44.06mbar(在混合物溫度：*=30.66下，水的飽和蒸汽壓)混合物體積流量Vmin=(MG×RG×Tmin)/(PG×100)m3/hPG——凝汽器氣體排出區(qū)域空氣分壓力=凝汽器設定壓力-混合物溫度下水的飽和蒸汽壓。PG=Pmin-PD*=55.76-44.06=11.70mbar即：Vmin=(35×287.05×303.78)/(11.7×100)=2608m3/h混合物中蒸汽重量流量MD=0.6229×〔PD*/PG〕×MG=0.622×〔44.06/11.7〕×35=82Kg/h通過以上計算，求得了泄漏空氣質量流量、體積流量、混合物體積流量和蒸汽質量。這些流量值是相互關連的，對于運行中的同一臺凝汽器，知道了它的泄漏空氣質量流量，經過換算，可求得另一些數(shù)值。水環(huán)式機械真空泵制造商常以泄漏空氣量數(shù)值來加以表達。如平圩電廠工程，在運行工況：凝汽器壓力0.055ata時，水環(huán)式真空泵實際至少需要從凝汽器抽吸氣體混合物2608m3/h，但用另一句話來說，即至少需要抽吸干空氣重量35Kg/h,二者意義是一樣的。ITD值確實定根據(jù)泄漏空氣量MG、凝汽器特性曲線和不同的循環(huán)水溫度t，經過計算，綜合分析選用相匹配的水環(huán)式機械真空泵，平圩電廠的凝汽器是雙背壓的，其計算結果列表如下：A、ITD值——指吸入側壓力下飽和溫度與水環(huán)式機械真空泵入口冷卻水溫度的差值。B、設計換熱器冷卻水進口溫度為25℃，水環(huán)式機械真空泵冷卻水來自循環(huán)水，故真空泵進口水溫應考慮到以下因素：換熱器進、出口溫度端差，隨不凝結氣體帶入的過熱水蒸氣引起的溫升，真空泵補充凝結水引起的溫升等。根據(jù)換熱器冷卻水循環(huán)水溫25℃和汽輪發(fā)電機組額定負荷，在凝汽器特性曲線上，查得凝汽器高壓側和低壓側的壓力值，從特性曲線橫坐標負荷率100%作一條垂直向上的直線，與T=25℃的一條實線相交，〔虛線代表絕對壓力低〕，同時與另一條T=25℃的虛線相交，〔虛線代表絕對壓力高〕，從交點作水平線，在縱坐標上查得凝汽器低壓側和高壓側值各為0.0535atm和0.071atm，經過換算，其壓力各為54.203mbar和71.934mbar.D、根據(jù)上述求得的低壓側和高壓側的壓力值，再查出飽和溫度分別為34℃和39.52℃。E、計算溫差ITD〔ITD指吸入側壓力下飽和溫度與水環(huán)真空泵冷卻器入口冷卻水溫度的差值〕，現(xiàn)冷卻器入口冷卻水溫25℃，換熱器進、出口端差按2℃設計，補充凝結水引起溫升0.5℃，隨不凝結氣體一起帶入的過熱水蒸汽引起溫升0.5℃，真空泵實際入口密封水溫28℃。故凝汽器低壓側ITD=34-28=6℃，高壓側ITD=39.528=11.52℃F、根據(jù)以上計算的溫度差，凝汽器低壓側ITD和高壓側ITD以及低壓側和高壓側的壓力值，以不同型號的水環(huán)真空泵運行工況特性曲線查得相應的凝汽器和水環(huán)真空泵。從水環(huán)真空泵運行工況特性曲線圖表上橫坐標查到所需的壓力值，作直線垂直向下，與表示ITD的曲線相交，從該點作水平平行線，在縱坐標上得到這個真空泵抽吸泄漏空氣量的數(shù)值，首先估計適宜的真空泵。G、平圩電廠已經選定2BW4353-0EK4〔轉速590rpm〕水環(huán)式機械真空泵，對凝汽器低壓側ITD=6℃，P1=1.6〞Hg，在泵的特性曲線查得它的抽吸能力為36Kg/h，高壓側ITD=11.52℃，P1=2.13〞Hg，真空泵抽吸能力為80Kg/h。H、由于平圩電廠高壓側混合物通過連通管流入低壓側后抽吸排除，故應以低壓側工況來選用真空泵，即選用2B4353—0EK4〔n=590rpm〕。I、現(xiàn)在已經知道凝汽器真空系統(tǒng)總的泄漏量為35Kg/h〔暫時按VDEM〕，而在冷卻水溫25℃時，真空泵的抽吸能力為36Kg/h，所以運行中只需要開一臺水環(huán)式機械真空泵就能維持凝汽器真空，說明真空泵抽吸能力是足夠的，后來運行也證明了這一點。J、然后再計算出冷卻水溫10℃、15℃、35℃工況下水環(huán)式真空泵的抽吸能力，列出表格。冷冷卻水溫排氣區(qū)域工況10℃15℃20℃25℃35℃凝汽器低壓側飽和壓力0.024atm.0313atm0.041atm0.0536atm0.09atm0.72inHg0.937inHg41.54inHg1.60inHg2.693inHg24.32mbar31.71mbar41.54mbar64.203mbar91.184mbar飽和溫度20.16℃24.98℃29.61℃34.32℃44.04℃溫差ITD10.61℃9.98℃9.61℃9.32℃9.04℃真空泵抽吸能力29Kg/h38Kg/h40Kg/h42Kg/h65Kg/h凝汽器高壓側飽和壓力00.032Atm0.0413atm0.055atm0.071atm0.118atm0.957inHg1.236inHg1.646inHg2.124inHg3.553inHg32.42mbar41.84mbar55.72mbar71.934mbar120.31mbar飽和溫度25.35℃29.73℃34.82℃39.62℃49.55℃溫差ITD15.35℃14.73℃14.82℃14.52℃14.55℃真空泵抽吸能力60Kg/h80Kg/h85Kg/h93Kg/h135Kg/h根據(jù)以上計算結果所列數(shù)據(jù)表格，可以得出以下幾點結論：真空泵入口密封水溫度升高時，凝汽器真空下降，絕對壓力值升高，飽和溫度也隨之升高，飽和溫度與冷卻水溫度之溫差ITD減小。凝汽器絕對壓力的升高對于水環(huán)式真空泵的影響，超過溫差ITD減小的影響，所以泵的抽吸能力是提高的。平圩工程水環(huán)式真空泵按凝汽器低壓側的要求選型，真空泵入口密封水溫低于15℃時，為了維持凝汽器特性曲線上吸入側較低的壓力，即小于0.03atm時，需要開啟兩臺水環(huán)式機械真空泵，因為一臺真空泵的抽吸能力已接近或小于凝汽器真空系統(tǒng)總的泄露空氣量35Kg/h，而當冷卻水溫高于15℃時，只需一臺真空泵就能滿足要求，所以平圩電廠選擇三臺2BW4353-0EK4水環(huán)式機械真空泵是可行的，德國漢諾威火電廠汽輪機單機容量700MW，采用雙背壓凝汽器，采用三臺2BW4253-0EK4水環(huán)真空泵，比平圩電廠真空泵小一號，也能滿足要求。這就是國外凝結器構造與制造差異造成的。*五．水環(huán)真空泵性能的修正：眾所周知，上述計算值是在標準狀態(tài)下求得的真空泵標準氣量，真空泵在選型中必須根據(jù)實際運行工況對真空泵氣量進展修正。以平圩電廠為例：在凝汽器背壓：P1=55.76mbar，密封水溫：t1=25℃，進汽溫度：t2=30℃凝汽器過冷度為：4.17℃。水環(huán)式真空泵特性曲線修正因素水環(huán)式機械真空泵起開工況特性是在工作密封水溫15℃時作出的，如果水溫不是15℃，大于15℃將會引起真空泵性能的變化，必須對真空泵水溫、氣溫進展修正，在此根底上還需對真空泵轉速進展修正，最終得出真空泵的實際抽氣量。凝汽器在汽——氣混合物的抽出區(qū)域，需要考慮過冷度的設計，使局部蒸汽冷卻下來，混合物汽體的分壓力下降，氣體的比例增大，德國按4.17℃進展考慮，美國按4.2℃進展考慮，如果過冷度不同，就會影響真空泵的抽吸能力，目前國以4.17℃為基準進展修正〔按德國VDEM標準〕：吸入壓力過冷度40mbar50mbar70mbar4.17℃1113℃25/33=0.7542/52=0.868/90=0.75過冷度3℃時，取平均修正值0.75MG，=0.75MG6℃42/33=1.2770/52=1.34125/90=1.38過冷度6℃時，取平均修正值1.3MG，=1.3MG可見過冷度增大時，水環(huán)式機真空泵的抽吸能力是增大的。ITD=ITD′+〔實際過冷度-4.17℃〕水環(huán)式機械真空泵性能的修正在世界所有標準中均規(guī)定了真空泵的標準工況：在一個標準大氣壓：Pb=1013mbar密封水溫：T1=15℃進氣溫度：T2=20℃相對濕度：φ=100％由于用戶實際工作條件與標準工況有較大差異，必須根據(jù)實際運行工況進展修正，得到真空泵的換算關系：根據(jù)德國DIN28431.1987"真空技術液環(huán)真空泵驗收規(guī)"條的規(guī)定：真空泵氣量換算關系如下：轉速換算系數(shù)：K1=〔ng/nt〕K1———速度換算系數(shù)。ng———真空泵規(guī)定轉速rpm。nt———試驗中測定的真空泵轉速rpm。由于此次真空泵選用改型2BW4353-0EK4真空泵，真空泵規(guī)定轉速為：ng——590rpm。電機規(guī)定轉速為：nt——594rpm。密封水溫修正公式：K2=｛〔P1-Pdg〕×〔tLT+273.15〕｝÷｛〔P1-Pdt〕×〔tLg+273.15〕｝K2——密封水溫換算系數(shù)。P1——真空泵的吸入壓力〔即凝汽器背壓〕：mbarPdg——規(guī)定15℃工作水溫下，水的飽和蒸汽壓：17.04mbarPdt——真空泵實際密封水溫下，水的飽和蒸汽壓：mbartLT——真空泵的實際密封水溫：℃tLg——真空泵的規(guī)定工作水溫：15℃將平圩電廠真空泵技術參數(shù)代入公式，可求得真空泵水溫換算系數(shù)：K1=2.0進氣溫度修正公式：K2=〔tLg+273.15〕÷〔tLt+273.15〕tLT—真空泵的實際進氣溫度：℃tLg—真空泵的規(guī)定進氣溫度：20℃將平圩電廠真空泵技術參數(shù)代入公式，可求得真空泵氣溫換算系數(shù)：K1=0.967真空泵氣量換算系數(shù)：K=K1×K2×K3故平圩電廠氣量換算系數(shù)為：K=1.934Vcor=K×VcortVcort———真空泵實際運行工況條件下抽氣量：m3/hVcor———真空泵在標準工況條件下抽氣量：m3/h上文已計算過真空泵抽氣量為2608m3/h，換算標準狀態(tài)下氣量為：5044m3/h查2BW4353-0EK4，真空泵，在P1=55.76mbar，真空泵抽氣量為：5022m3/h，根本滿足了電廠運行要求〔實踐也證明了這一點〕。六．關于凝汽器泄漏量方面的研究凝汽器構造設計問題：維護凝汽器最正確狀態(tài)對于電廠取得經濟效益的重要性是眾所周知的，凝汽器與水環(huán)真空泵是兩種設備，是密切相關的，凝汽器的運行工況，往往直接影響真空泵的抽吸效果，即使是一臺符合性能要求的真空泵，使用條件不符，就不能到達預期的效果。平圩電廠工程600MW機組和石橫電廠300MW機組，采用引進德國西門子公司生產的真空泵技術制造，但是凝汽器的設計制造是汽機廠和汽機廠，這兩個廠雖然沒有采用引進技術，但受美國GE和西屋資料直接和間接的影響，中國生產的凝汽器與外國有很大的不同：平圩工程的凝汽器是雙背壓的，水環(huán)式機械真空泵抽吸入口與凝汽器低壓側相連，空氣由凝汽器高壓側通過連接收流入低壓側，抽氣接頭位于凝汽器低壓側殼體的空氣排出區(qū)域。德國700MW汽輪發(fā)電機組設計制造的凝汽器也是雙背壓的，1300MW核電站采用三背壓，但它們高壓側與低壓側沒有連通管，對于高壓側和低壓側，各有二個空氣排出接口，因此抽吸空氣系統(tǒng)有所不同，凝汽器高壓側和低壓側雖然工況不同，而在低壓側選擇三臺一樣型號的水環(huán)真空泵，但凝汽器低壓側的泄漏空氣量考慮總的真空系統(tǒng)泄漏量的一半，以此選擇水環(huán)真空泵〔即兩臺運行，一臺備用〕，而平圩電廠工程是以100％的泄漏量來選擇真空泵，故真空泵的型號是偏大了一點。德國凝汽器高壓側和低壓側又分為兩局部，設有混合物的排出區(qū)域，混合物通過該管束，再次有局部蒸汽冷卻下來，故采用4.17℃的過冷度。在德國700MW發(fā)電廠和1300MW核電站凝汽器與低壓側采用鋼性連接，根底部位設置支承彈簧，150MW機組則相反，下部鋼性，頸部彈性。我汽輪機泄漏空氣量是如何確定的？德國、美國和英國各自有自己的標準，相差較大，英國機組泄漏空氣量最大，我國已引進德國真空泵制造技術，可以按VDEM標準執(zhí)行。理由如下：1.1983年水電部頒發(fā)"電力建立施工及驗收技術規(guī)"——規(guī)定了汽輪機真空系統(tǒng)嚴密性檢查要求，對大修后的汽機真空系統(tǒng)同樣具有要求，一般來說，應嚴格執(zhí)行檢查規(guī)定，但有些工程未做嚴密性試驗，匆匆抽吸真空，當發(fā)現(xiàn)泄漏嚴重時，甚至真空建立不起來時，才知道*些法蘭根本沒有擰緊，事在人為，我國國產機組不是不可能到達西方要求，只要按標準執(zhí)行就能滿足VDEM標準，同時國產機組存在嚴密性差的問題。2.由于國工程凝汽器大多采用國產設備。在國設計、制造。泄漏量和過冷度是否到達美國HEI標準還很難說，再說進入凝汽器的空氣來源主要是通過汽輪機低壓缸、凝汽器等處于真空狀態(tài)下的不嚴密處泄漏。漏入空氣量多少與凝汽器的設備尺寸、構造完善程度、安裝質量、運行情況以及真空狀態(tài)下的接頭與接合面的多少有關。此外，機組降負荷時，處于真空狀態(tài)的工作區(qū)域擴大，也增加了泄漏圍，凝汽器和汽輪機低壓缸等這些處于真空狀態(tài)下的設備的尺寸大小主要是由機組容量來決定。提高汽輪機高、低壓密封閥門的密封性，控制凝汽器的制造質量和提高機組的安裝質量，是減少泄漏量的最好方法。當泄漏量減少到一個盡可能小圍的時候，留下來的任務就是合理地配備抽氣系統(tǒng)的事了。3.機組真空偏低除了真空泵外，還與循環(huán)冷卻水有關〔如偏低，凝汽器換熱效果將降低〕、凝汽器銅管污染〔如結垢、堵塞〕、凝汽器水室有空氣、凝汽器膠球清洗裝置投入率低，外界環(huán)境的影響、軸封系統(tǒng)不易調節(jié)等有關。由此可見，真空泵在選型時須考慮這方面因素的影響。4.電力中試所搞了一套測量凝汽器泄漏量的措施，先后對閘北電廠25MW機組，125MW機組和望亭電廠300MW等機組做了實際測量，積累了一些經歷，從實際測量情況來看，我國國產機組只要加工、安裝等環(huán)節(jié)做得好是能夠到達VDEM標準的。5.基于中國的國情，經過十多年對VDEM標準試用，可對德國電力協(xié)會VDEM標準做一些適當?shù)男拚獓话銓⒂嗔糠糯?0％，這根本上符合中國國情的標準，得到全國各、中試所、外國專家〔如哈蒙、GE、三菱等〕用戶的普通認可。水不同溫度下的飽和蒸汽壓表×103mbar(hpa)t℃P水溫bar飽和蒸汽壓℃00.10.20.30.40.50.60.70.80.900.0061080.0061500.0061950.0052410.0062860.0063330.0063790.0064250.0064720.00651910.0065670.0066150.0066630.0067110.0067600.0068080.0068580.0069070.0069570.00700720.0070570.0071080.0071590.0072110.0072620.0073140.0073660.0074190.0074710.00752530.0075780.0076320.0076860.0077410.0077950.0078510.0079060.0079620.0080180.00807540.0081320.0081890.0082470.0083050.0084220.0084220.0084810.0085400.0086000.00866050.0087210.0087810.0088430.0089040.0089660.0090280.0090910.0091540.0092180.00928260.0093460.0094110.0094760.0095420.0096070.0096740.0097400.0098070.0098750.00994370.010010.010080.010150.010220.010290.010360.010430.010500.010570.0106580.010720.010790.010860.010940.011010.011090.011160.011210.011310.0113990.011470.011550.011620.011700.011780.011860.011940.012020.012100.01218100.012270.012350.012430.012510.012600.012680.012770.012850.012940.01303110.013110.013200.013290.013380.013470.013550.013640.013730.013830.01392120.014010.014100.014200.014290.014380.014480.014570.014670.014770.01486130.014960.015060.015160.015260.015360.015460.015560.015660.015760.01587140.015970.016070.016180.016280.016390.016500.016600.016710.016820.01693150.017040.017150.017260.017370.017480.017590.017710.017820.017940.01805160.018170.018280.018400.018520.018640.018760.018880.019000.019120.01924170.019360.019490.019610.019740.019860.019990.020110.020240.020370.02050180.020630.020760.020890.021020.021150.021290.021420.021550.021690.02183190.021960.022100.022240.022380.022520.022660.022800.022940.023080.02323200.023370.023520.023670.023810.023960.024110.024260.024410.045600.02471210.024860.025020.025170.025330.025480.025640.025800.025950.026110.02627220.026430.026600.026760.026920.027090.027250.027420.027580.027750.02792230.028090.028260.028430.028610.028780.028950.029130.029300.029480.02966240.029840.030020.030200.030380.030560.030740.030930.031120.031300.0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