凝汽器真空度低的原因及改善措施

張祜珍，商虎峰，田偉，田進(jìn)，黨碩，柴悅

（中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710077）

凝汽器真空是衡量汽輪機(jī)工作安全性及經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，一直以來，是設(shè)備設(shè)計(jì)人員和作業(yè)單位的關(guān)注重點(diǎn)。凝汽器真空過低不但會造成汽耗增加，汽輪機(jī)效率下降，使得整體機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性大幅降低，而且還會因排汽溫度過高而引起汽輪機(jī)軸承溫升，軸心發(fā)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組振動過大，影響汽輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)凝汽器真空檢測值未達(dá)到應(yīng)達(dá)值時(shí)，為確保汽輪機(jī)組出力恒定，須提高蒸汽流量，推力軸承受到的軸向推力隨蒸汽流量的增加而增大，長時(shí)間過載極易造成設(shè)備事故。因此，分析引起凝汽器真空度低的原因并加以改善對于確保機(jī)組的安全運(yùn)行、提高其經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

1 工作原理及理論

汽輪機(jī)組是利用進(jìn)汽與排汽兩側(cè)壓差，通過蒸汽流動對葉輪的推動來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。凝汽器的作用則是將汽輪機(jī)組排出的蒸汽快速冷卻并凝結(jié)成水，從而在機(jī)組排汽側(cè)建立高度真空，以降低機(jī)組背壓，使兩側(cè)壓差增大，進(jìn)而提高汽輪機(jī)組出力。凝汽器由真空抽氣系統(tǒng)及循環(huán)冷卻水系統(tǒng)兩部分組成。其中，循環(huán)冷卻水系統(tǒng)負(fù)責(zé)將排汽側(cè)蒸汽快速冷卻凝結(jié)成水，氣體體積縮小，從而形成低壓真空；真空抽氣系統(tǒng)則負(fù)責(zé)將混入的空氣及未凝結(jié)的蒸汽抽走，從而防止氣體累積，確保凝汽器內(nèi)始終保持真空。在理想狀態(tài)下，假設(shè)凝汽器對蒸汽的冷卻能力無限大，傳熱端差為零，凝汽器內(nèi)無空氣混入，蒸汽凝結(jié)溫度等于冷卻循環(huán)水溫度，則此時(shí)凝汽器內(nèi)壓力為飽和蒸汽壓力。由于凝汽器內(nèi)水與蒸汽同時(shí)存在，因此凝汽器內(nèi)的實(shí)際壓力為汽液共存時(shí)的飽和壓力，蒸汽凝結(jié)溫度高于冷卻水溫度，故凝汽器壓力與溫度有關(guān)。根據(jù)凝汽器熱交換及熱平衡條件可知，飽和溫度計(jì)算公式：

則凝汽器壓力Pk約等于：

式中，ts—飽和蒸汽溫度；tw1—冷卻循環(huán)水的進(jìn)水溫度；Δt—冷卻循環(huán)水進(jìn)出口溫差；δt—凝汽器傳熱端差；Pk—凝汽器壓力。

由上述公式可以看出，凝汽器壓力與飽和蒸汽溫度有關(guān)，因此只要降低ts，便可降低凝汽器壓力Pk。然而在實(shí)際實(shí)踐過程中，凝汽器內(nèi)還混入部分不凝結(jié)氣體，對凝汽器真空有著顯著影響，凝汽器壓力等于不凝結(jié)氣體壓力與蒸汽分壓之和。所以，在實(shí)踐過程中，分析和改善凝汽器真空需要從上述兩方面出發(fā)。

2 凝汽器真空度的主要影響因素

（1）膠球清洗裝置的影響。為確保凝汽器冷卻循環(huán)水管道清潔，設(shè)置有膠球清洗裝置。若在機(jī)組使用過程中，膠球清洗裝置無法正常投入使用，則極易造成凝汽器水垢聚集，影響熱交換效果，從而導(dǎo)致凝汽器端差變大，排汽溫度升高，進(jìn)而造成凝汽器內(nèi)真空度降低。所以，膠球清洗裝置運(yùn)行的可靠性直接影響凝汽器的真空度。

（2）機(jī)組系統(tǒng)嚴(yán)密性的影響。機(jī)組系統(tǒng)嚴(yán)密性差是凝汽器真空度低常見的原因之一。凝汽器內(nèi)的空氣量增加，造成凝汽器真空度降低，一般情況下存在兩種可能：①空氣隨蒸汽進(jìn)入凝汽器，通常給水系統(tǒng)會經(jīng)過多次除氧，因此該情況發(fā)生的概率較低；②由于汽輪機(jī)組真空系統(tǒng)嚴(yán)密性較差，有空氣漏進(jìn)，從而影響凝汽器真空度?？梢姡谄啓C(jī)組內(nèi)部負(fù)壓狀態(tài)下，部分部件（如軸封套與低壓缸結(jié)合面、排汽缸膨脹節(jié)、高中壓汽加熱系統(tǒng)、汽缸軸封、凝汽器喉部排氣管道、凝汽器壁等）密封不嚴(yán)是造成凝汽器內(nèi)混入空氣的主要原因。隨著混入凝汽器內(nèi)空氣量不斷增大，使得真空抽氣系統(tǒng)過載。凝結(jié)水氧含量及過冷度升高會極大影響凝汽器真空，嚴(yán)重時(shí)可造成凝汽器失效。凝汽器的嚴(yán)密性經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Da—真空抽氣系統(tǒng)單位時(shí)間抽出的空氣量，kg/s；K1—嚴(yán)密性系數(shù)，嚴(yán)密性優(yōu)、良和中分別對應(yīng)1．0、2．0、3．5；Ds—汽輪機(jī)單位時(shí)間排汽量，kg/s。

（3）循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的影響。循環(huán)冷卻水系統(tǒng)是凝汽器關(guān)鍵組成部分，循環(huán)水的流量、溫度及凝汽器的導(dǎo)熱效果等因素均會對其真空度具有很大影響。①循環(huán)冷卻水流量對真空度的影響。循環(huán)水流量降低后，表現(xiàn)為進(jìn)水口與出水口溫差減小、溫度升高（進(jìn)水口溫度因熱導(dǎo)效應(yīng)而局部升高），使得凝汽器內(nèi)飽和溫度升高，從而影響其真空度。循環(huán)水流量則與循環(huán)水泵、水源充足度及循環(huán)水管道等情況有關(guān)。②循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度對凝汽器真空的影響。在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，當(dāng)進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水溫度升高時(shí)，便會使凝汽器的冷凝效果下降，從而使得凝汽器內(nèi)部冷凝溫度升高，導(dǎo)致排汽壓力升高，汽輪機(jī)內(nèi)部蒸汽焓降相應(yīng)降低，從而造成凝汽器內(nèi)真空度下降。如圖1所示。

圖1 冷卻循環(huán)水進(jìn)口溫度對凝汽器真空的影響

（4）低壓缸軸封供汽的影響。在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，使用人員為了防止低壓缸內(nèi)油品被水污染，通常會調(diào)低供汽壓力，供汽壓力過低會造成密封失效。因此，低壓缸軸封蒸汽壓力過低甚至中斷會造成外部空氣因內(nèi)外壓差進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部，并混入凝汽器內(nèi)，凝汽器內(nèi)大量不凝結(jié)氣體累積會嚴(yán)重影響凝汽器的傳熱效果，從而使凝汽器真空度急劇降低。

（5）凝汽器水位高對真空度的影響。若凝汽器內(nèi)汽側(cè)凝結(jié)水位過高，會將部分熱交換管道淹沒，使得凝汽器冷卻面積減少，冷凝效果降低，部分乏汽未能及時(shí)凝結(jié)成水，從而影響凝汽器真空度。如果凝結(jié)水位繼續(xù)升高至真空抽氣管口處，未完全凝結(jié)的蒸汽與不凝結(jié)氣體一同被真空抽氣系統(tǒng)抽出，并且抽氣管處可能有水冒出。導(dǎo)致凝汽器內(nèi)凝結(jié)水水位高的主要原因包括：凝汽器熱交換管道破裂或與管板間的密封失效，導(dǎo)致冷卻循環(huán)水泄漏進(jìn)入汽側(cè)；凝結(jié)水泵失效，抽水能力不足；凝結(jié)水備用泵出口單向閥失效，導(dǎo)致水通過備用通路倒灌進(jìn)入凝汽器內(nèi)；誤操作開大凝結(jié)水再循環(huán)閥門等。

（6）凝汽器端差對真空度的影響。在相同條件下，引起凝汽器端差增大的原因有兩方面：一是凝汽器汽側(cè)存在較多空氣，阻礙了傳熱管的熱水交換；二是凝汽器傳熱管內(nèi)側(cè)表面臟污，造成熱交換性能差。要保證凝汽器內(nèi)有良好的真空度，必須保持冷卻表面的清潔和保證蒸汽空間不積存空氣，才能確保汽輪機(jī)組安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3 凝汽器真空度低的改善措施

（1）提高機(jī)組的嚴(yán)密性?？衫脵C(jī)組檢修來對汽輪機(jī)組嚴(yán)密性進(jìn)行檢測與處理，檢測方法可采用灌水查漏、氦質(zhì)譜檢漏等。周期性更換系統(tǒng)密封件，如法蘭墊片、盤根等。對傳統(tǒng)的真空系統(tǒng)閥門進(jìn)行改造，采用水封門，以改善閥門的密封可靠性。

（2）定期對冷卻面進(jìn)行清洗。為減少冷卻面結(jié)垢，循環(huán)冷卻水應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)處理，可在循環(huán)水中適時(shí)加阻垢劑，同時(shí)循環(huán)水進(jìn)入凝汽器之前加裝二次濾網(wǎng)，并定期沖洗。在機(jī)組停運(yùn)時(shí)，對水室及管束進(jìn)行沖洗。在機(jī)組運(yùn)行過程中，投入膠球在線清洗系統(tǒng)清潔冷卻管。投入膠球清洗時(shí)，應(yīng)采用揚(yáng)程大的膠球泵，保證膠球的正常循環(huán)，收球網(wǎng)柵的間距應(yīng)均勻，避免跑球，清洗過程中，注意膠球的密度、大小、質(zhì)地，控制好膠球的數(shù)量、清洗持續(xù)時(shí)間等。

（3）提高真空泵的效率。降低工作介質(zhì)的溫度是提高真空泵效率的重要措施?？蓪⒀h(huán)水改為溫度較低的機(jī)組工業(yè)用水，也可在抽氣系統(tǒng)中安裝制冷裝置，利用循環(huán)冷卻水對工作水進(jìn)行冷卻，在凝汽器與抽氣器之間的抽氣管路上安裝一個(gè)混合式冷卻器，把抽出氣體中的水蒸汽凝結(jié)疏出，降低抽氣設(shè)備工作水溫度。

在真空泵前一級加裝大氣噴射器，利用真空泵負(fù)壓與大氣壓形成壓差而產(chǎn)生的空氣射流，在噴射器內(nèi)獲得比真空泵更低的抽吸壓力，從而消除真空泵極限抽吸壓力對凝汽器壓力改善的限制因素。

4 結(jié)語

綜上所述，引起凝汽器真空度低的因素較多，特別是隨著設(shè)備的老化，在環(huán)境溫度較高的夏季，各種問題通常會集中暴露出來，使得汽輪機(jī)組負(fù)荷增加，甚至造成停機(jī)。因此，當(dāng)凝汽器真空度下降后，要及時(shí)分析并找到原因，采取有效的應(yīng)對措施。隨著國家對節(jié)能、環(huán)保的大力提倡，提高電廠發(fā)電效率、降低排放越來越被重視，故提高汽輪機(jī)組的真空度、確保凝汽器的高效安全運(yùn)行是重要的工作內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔凝．大型電站凝器汽動態(tài)數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用[D]．北京:華北電力大學(xué),2000．

[2] 李勇,孟芳群,曹麗華．凝汽器最佳真空確定方法的改進(jìn)[J]．汽輪機(jī)技術(shù),2005,7(2):84-86．