凝汽器工作原理和運(yùn)行

范維建

摘 要 凝汽器為動(dòng)力循環(huán)的冷源，在汽輪機(jī)排氣口建立并保持高度的真空，使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹到盡可能低的壓力，將更多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，同時(shí)把汽輪機(jī)排氣凝結(jié)成水，維持工質(zhì)循環(huán)使用，提高電廠(chǎng)經(jīng)濟(jì)性；排除做功后的蒸汽在凝結(jié)過(guò)程中的不凝結(jié)氣體，提高換熱效率，減弱不凝結(jié)氣體中氧氣等的腐蝕作用。本文以田灣核電站凝汽器為例，從凝汽器設(shè)計(jì)基準(zhǔn)出發(fā)，介紹了凝汽器的功能、真空的形成與保持、運(yùn)行工況及影響凝汽器工作的因素。

關(guān)鍵詞 凝汽器；真空；系統(tǒng)運(yùn)行

中圖分類(lèi)號(hào) TK26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）164-0211-02

1 凝汽器的功能和設(shè)計(jì)要求

1.1 凝汽器功能

凝汽器是動(dòng)力循環(huán)的冷源，在汽輪機(jī)低壓缸內(nèi)膨脹作過(guò)功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝結(jié)過(guò)程中放出汽化潛熱并被循環(huán)冷卻水帶走。其具體功能有以下方面：

1）與抽汽系統(tǒng)一起為汽輪機(jī)建立和維持真空；2）把在低壓缸內(nèi)做完功的蒸汽冷凝成水；3）接收各疏水箱來(lái)的疏水和不凝結(jié)氣體，回收和貯存潔凈的凝結(jié)水，對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行初步除氧，以減少對(duì)設(shè)備的氧化腐蝕，為動(dòng)力循環(huán)提供給水。

1.2 凝汽器設(shè)計(jì)要求

1）在額定條件下確保汽輪機(jī)低壓缸出口的蒸汽壓力；2）保持低壓缸排汽的壓力，確保汽輪機(jī)的有效運(yùn)行；3）在汽機(jī)啟機(jī)、正常運(yùn)行、停機(jī)過(guò)程中確保蒸汽正常進(jìn)入凝汽器；4）確保低壓缸排氣與冷凝水的平衡，在凝汽器飽和溫度下不能產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象，并且凝結(jié)水的品質(zhì)必須符合要求；5）凝汽器冷卻水的設(shè)計(jì)溫度為15℃～35℃；6）凝汽器的真空度取決于流入凝汽器的蒸汽流量、流經(jīng)傳熱鈦管冷卻水的流量和溫度和凝汽器自身的氣密性；7）確保不凝結(jié)氣體的持續(xù)排除；8）確保地震時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；9）管表面為鈦合金材料，確保其服役期間嚴(yán)密性的同時(shí)而不需更換。

2 凝汽器真空和影響其工作的因素

2.1 真空的形成與保持

從低壓缸排入凝汽器的乏汽，通過(guò)海水循環(huán)泵向凝汽器蛇形管唧送的冷卻水來(lái)不斷得以冷卻。乏汽在凝汽器底部冷凝成水，由于水的比容比蒸汽的比容小許多倍，隨著蒸汽冷凝，凝汽器中形成高度真空。如果這時(shí)用凝泵將生成的凝結(jié)水抽走，則能不斷地將進(jìn)入凝汽器的蒸汽冷凝下來(lái)，并維持某一真空。隨著不凝結(jié)氣體的積累，其不凝結(jié)氣體的分壓力會(huì)不斷升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，容器的壓力會(huì)上升到被冷凝蒸汽壓力，蒸汽將不再流動(dòng)，冷凝過(guò)程就停止了。因此，因此要保持凝汽器的真空度使冷凝器正常工作，除了要不斷地冷卻進(jìn)入的蒸汽，并抽出凝結(jié)的水外，還必須不斷地從冷凝器中除去不凝結(jié)氣體。

建立和維持凝汽器真空是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，即蒸汽源源不斷地進(jìn)入凝汽器、冷卻水連續(xù)地通過(guò)凝汽器鈦管，將蒸汽凝結(jié)時(shí)放出的汽化潛熱帶走，凝結(jié)水不斷從熱井中抽出、漏入的少量空氣不斷地被抽走，這樣才能維持凝汽器的穩(wěn)定真空。如果上述任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會(huì)影響凝汽器的真空。

2.2 影響凝汽器真空的因素

凝汽器的實(shí)際工作過(guò)程中，人們并不直接注意凝汽器的傳熱系數(shù)，而是以凝汽器的真空，冷卻水出口端差的變化來(lái)判斷凝汽器運(yùn)行情況的好壞。當(dāng)然，真空的變化都是與凝汽器傳熱過(guò)程的好壞密切相關(guān)的。當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，凝汽器中的真空度取決于運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如出現(xiàn)下面情形，凝汽器真空度將要下降：

1）海水循環(huán)水水溫升高；2）汽機(jī)負(fù)荷增加（流入凝汽器中的蒸汽流量增加）；3）空氣的流入增加；4）海水冷卻水流量減少；5）傳熱管傳熱效率下降（傳熱管表面有污染）。

2.2.1 循環(huán)冷卻水流量增加時(shí)，真空改善

當(dāng)冷卻水的進(jìn)口溫度不變時(shí)，若冷卻水流量增加時(shí)，冷卻水出口溫度下降，同時(shí)由于水量的增加，傳熱管內(nèi)側(cè)的冷卻水放熱系數(shù)上升，平均換熱系數(shù)增加。當(dāng)冷卻水量剛增加時(shí)，凝汽器中的壓力逐漸降低，即真空上升。在夏天為了保持一定的真空，需切換循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速就是這個(gè)道理。

2.2.2 進(jìn)口水溫下降時(shí)，真空好轉(zhuǎn)

當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度下降時(shí)，在一定的冷卻水流量下，出口溫度跟著下降，即冷卻水進(jìn)出口平均溫度下降，因而平均溫差增加，此時(shí)平均傳熱系數(shù)雖因水溫的下降而有所減少，但平均溫差增加的比例超過(guò)了傳熱系數(shù)減少的程度，最后同樣導(dǎo)致凝結(jié)壓力的下降，真空好轉(zhuǎn)。

2.2.3 管壁沾污時(shí)真空惡化

由于管壁被沾污，使傳熱過(guò)程惡化，傳熱系數(shù)下降，要傳遞與清潔傳熱管同樣的熱量，就必須有較高的對(duì)數(shù)平均溫差，這樣就提高了凝汽器中的中絕對(duì)壓力，因而真空惡化。為保證凝汽器的正常運(yùn)行，田灣核電站采用傳熱管膠球清洗系統(tǒng)。

除上所述之外，如果凝汽器漏氣嚴(yán)重或是抽氣工作失常，蒸汽凝結(jié)時(shí)就會(huì)混有較多的空氣，凝結(jié)放熱系數(shù)將大幅度降低，這些都將導(dǎo)致傳熱過(guò)程惡化，這樣凝汽器的真空惡化。

2.3 凝汽器真空降低對(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響

凝汽器真空降低對(duì)機(jī)組運(yùn)行會(huì)有以下影響：

1）汽輪機(jī)排氣壓力、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，機(jī)組出力減少。

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

3）若真空下降，排氣溫度上升，使汽缸膨脹機(jī)組中心偏移，有可能發(fā)生振動(dòng)。

4）排氣溫度升高，使凝汽器的循環(huán)冷卻水管脹口松弛。

5）排氣的體積流量減速少，不利于末級(jí)葉片工作。

3 凝汽器的系統(tǒng)運(yùn)行

從機(jī)組啟動(dòng)到滿(mǎn)功率運(yùn)行凝汽器系統(tǒng)必須保證機(jī)組的正常運(yùn)行。

當(dāng)機(jī)組開(kāi)始建立真空和有濕蒸汽進(jìn)入凝汽器，水環(huán)式真空泵就投入運(yùn)行，抽走凝汽器中的不凝結(jié)氣體。為了縮短凝汽器建立真空的時(shí)間，可以同時(shí)投入三臺(tái)水環(huán)式真空泵。

在額定功率水平下，凝汽器中的絕對(duì)平均壓力為4.6kPa，當(dāng)凝汽器中的壓力下降到11.8kPa時(shí)，會(huì)出現(xiàn)的真空低報(bào)警信號(hào)，這時(shí)操縱員必須檢查設(shè)備的運(yùn)行并且采取措施提高凝汽器的真空度，例如，啟動(dòng)備用水環(huán)式真空泵。如果機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在低真空狀態(tài)，將加重低壓缸末級(jí)葉片的負(fù)擔(dān)，加大轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差以及缸體的不規(guī)則膨脹。當(dāng)凝汽器中的壓力大于20kPa，自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)將觸發(fā)汽輪機(jī)保護(hù)跳機(jī)。

如果凝汽器中的壓力下降不是因?yàn)楹Ｋ鋮s水的原因（流量或溫度），就得考慮凝汽器的自身原因，把水環(huán)式真空泵停運(yùn)，計(jì)算凝汽器真空下降的速率。正常運(yùn)行時(shí)水環(huán)式真空泵的抽汽流量為120kg/h，在這種情況下，凝汽器真空下降的速率為2.0mmHg/min，參照這個(gè)速率，當(dāng)凝汽器真空下降速率大于2.0mmHg/min，就可以考慮有空氣進(jìn)入凝汽器。

凝汽器系統(tǒng)設(shè)置了超壓保護(hù)裝置，防止凝汽器中的壓力超過(guò)大氣壓。當(dāng)出現(xiàn)停運(yùn)循環(huán)冷卻水泵后還有部分蒸汽流入凝汽器，當(dāng)壓力超過(guò)0.12MPa，低壓缸出口處的爆破膜將打開(kāi)，防止凝汽器超壓。

機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中在傳熱管中長(zhǎng)生的海水沉淀物將由膠球清洗系統(tǒng)來(lái)完成。期間還可進(jìn)行對(duì)存在泄漏的傳熱管的堵管工作。這是因?yàn)槊恳粋€(gè)凝汽器都由兩列相互獨(dú)立的海水冷卻水，當(dāng)然機(jī)組的功率也必須按照規(guī)程要求降到一定的平臺(tái)，以保證受損凝汽器中的真空不會(huì)顯著惡化。

正常運(yùn)行時(shí)，凝汽器中的水位保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，其水位的維持由除鹽水系統(tǒng)來(lái)保證。凝汽器中的凝結(jié)水為凝結(jié)水泵提供工作介質(zhì)并且其水位不能漫過(guò)凝汽器的傳熱管道。

當(dāng)機(jī)組冷卻時(shí)，凝汽器系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)通過(guò)接收旁排閥的蒸汽來(lái)冷卻機(jī)組。凝汽器必須維持其真空狀態(tài)（可以容許真空有稍稍下降），汽機(jī)軸封系統(tǒng)（盤(pán)車(chē)系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)、汽機(jī)調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)運(yùn)行）和凝結(jié)水系統(tǒng)維持正常運(yùn)行。

如果凝汽器中的壓力超過(guò)20kPa，由凝汽器真空度底信號(hào)自動(dòng)觸發(fā)汽輪機(jī)保護(hù)，如果凝汽器中的液位偏離其運(yùn)行限值，凝汽器液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)凝汽器的液位，當(dāng)液位調(diào)節(jié)器無(wú)法自動(dòng)維持其液位，操縱員將手動(dòng)干預(yù)調(diào)節(jié)閥的旁路閥門(mén)，維持凝汽器的液位。

參考文獻(xiàn)

[1]甘恒玉.探討如何提高水環(huán)式真空泵的運(yùn)行效率[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（22）：285.