——記一種提高凝汽器真空的方法

凝汽器又稱冷凝器，主要用于汽輪機和化工生產中。應用于汽輪機時，凝汽器可將汽輪機的排汽冷凝成水供鍋爐使用，還可在排汽處建立一個遠遠低于大氣壓的真空，大大提高汽輪機的工作效率。凝汽式汽輪發電機組凝汽器真空的好壞將直接影響發電廠汽輪機的經濟運行狀況和整體工作效率。而影響凝汽器真空的因素很多，如用于射水式真空泵射水池的水溫、用于水環式真空泵內的工作水的溫度、冬夏交替的氣候變化以及冷卻水溫對真空泵的抽吸能力等。前兩個因素都可以通過特定方法來保證凝汽器真空不變，但如何改變夏天氣候及冷卻水溫對真空泵抽吸能力的影響，提高凝汽器真空，一直都是一個難以解決的問題。

發明人曾華提出了一種提高凝汽器真空的方法（申請號：200910114301.6）。該發明的技術方案是在凝汽器至真空泵之間的管道上設置冷卻器，在真空泵入氣門前安裝冷卻器，冷卻器氣側安裝凝水回收儲水罐，儲水罐通過水封與凝汽器熱井連接。

真空泵入氣門前安裝冷卻器投入運行后可以得出結論：當冷卻器后的氣體溫度下降，抽入真空泵內的氣體的可凝結部分就會提前在冷卻器內凝結，提高了真空泵的抽吸能力；當冷卻器后的氣體溫度下降，抽入真空泵內的氣體密度增大，同樣提高了真空泵的抽吸能力；當冷卻器后的氣體溫度下降，根據氣體狀態方程式R=PV/T可知，冷卻器容積V不變，冷卻器內的壓力就會降低，有利于凝汽器內的不能凝結的氣體和漏入的空氣排向冷卻器。

真空泵入氣門前安裝冷卻器投入運行后還有以下作用：（1）由于真空泵入氣溫度設計為15℃左右，對射水式真空泵射水池水溫起冷卻作用，因此射水池無需持續換水，保持正常水位即可。同理，其對水環式真空泵內的工作水也可起冷卻作用，因此對水環式真空泵內的工作水不用設計冷卻器對其進行冷卻。（2）由于抽入真空泵內的氣體的可凝結部分會提前在冷卻器內凝結，通過回收，節約部分工質。（3）真空泵入氣溫度設計為15℃左右，保證了真空泵有一個良好的工作環境，能延長真空泵的使用壽命。此外，還可進一步提高凝汽器內的真空而不消耗額外的功率。冷卻器用的中央空調水與開式水是發電廠本身就配套的冷卻介質，足夠供給所有用戶，因此可用它作為冷卻器的冷卻介質，消耗的功率可以忽略不計。如果中央空調水量不能正常供給，可用制冷空調的冷卻器形式，即直接用制冷劑(氟里昂)冷卻真空泵入口氣體，所消耗的功率可以用回收的工質成本抵消一部分。

該發明設計的冷卻器只要能維持冷卻器出口的溫度溫度（氣側）在15℃左右，凝汽器真空就有可能接近真空泵（水環式真空泵）的極限真空（水環式真空泵入口絕對壓力3.4kpa）。在夏天（冷卻水溫度33℃）， (大氣壓力99kpa)，600MW機組額定負荷時，凝汽器真空89kpa，即背壓等于（大氣壓力99kpa減真空89kpa）10kpa，真空泵入口氣溫略等于低壓缸排汽溫度46℃，安裝冷卻器投入運行后，真空泵入口氣溫下降至15℃，即下降了31℃。根據氣體狀態方程式R=PV/T推導出冷卻器容積不變，其內部氣體溫度變化1℃，壓力變化1／273，計算得出安裝冷卻器投入運行后，凝汽器真空提高量是1.5kpa（真空度1.6％）左右，根據凝汽器真空度提高1％，煤耗降低1.97g/kwh，一臺600MW機組年平均發電5000小時計算，可節約煤炭（1.6*1.97*5000*600000/1000000=9456t）9456噸/年，按500元/噸計算，節約發電成本（9456*500=4728000元）4728000元/年。

在冬天（冷卻水溫度15℃），大氣壓力103kpa)，600MW機組額定負荷時，凝汽器真空98kpa，即背壓等于（大氣壓力103kpa減真空98kpa）5kpa，真空泵入口氣溫略等于低壓缸排汽溫度30℃，安裝冷卻器投入運行后，真空泵入口氣溫下降至15℃，即下降了15℃。根據氣體狀態方程式R=PV/T推導出冷卻器容積不變，其內部氣體溫度變化1℃，壓力變化1／273，計算得出安裝冷卻器投入運行后，凝汽器真空提高量是0.55kpa（真空度0.57％）左右，根據凝汽器真空度提高1％，煤耗降低1.97g/kwh，一臺600MW機組年平均發電5000小時計算，可節約煤（0.57*1.97*5000*600000/1000000=3368.7t）3368.7噸/年，按500元/噸計算，節約發電成本（3368.7*500=1684350元）1684350元/年，經濟效益顯著。

一臺600MW機組年平均節約煤炭9456噸，換算成標煤是（9456*5000/7000=6754）6754噸減少二氧化碳排放（6754*2.49=16818）16818噸。如果全國五大集團30家大型發電企業都推廣，根據2008年火電廠全年發電量21228億千瓦時，一年可節約煤炭21228*100000000*1.6*1.97/1000000＝6691066噸，換算成標煤是（6691066*5000/7000=4779333）4779333噸，　根據節約1千克標準煤=減排2.493千克“二氧化碳”，一年減少二氧化碳排放(4779333*2.49=11900538) 11900538噸，這對于改善環境污染，促進節能減排事業的發展具有突出貢獻。

發明人現尋求燃煤發電企業或凝汽式汽輪發電企業，愿與之共同合作實現技術轉化。

聯系人：曾華州珠江電力檢修有限公司，廣東廣州511457 珠江發電廠總裝機容量為4×300 MW，汽輪機型式為N300－16.7/537/537中間再熱單軸雙缸雙排汽凝汽式。機組真空系統的主要設備有2BE1353－OEY4型水環式真空泵和N－15320的凝汽器。冷卻水取自于珠江入海口，由1600HLB－16型斜流循環泵進行升壓。真空泵設計為1臺運行1臺備用，循環水泵設計為冬天“2機3泵”、夏天“1機2泵”運行。2000年6月之前，夏季真空泵都為“1機2泵”運行，循環泵全年都為“1機2泵”供水而且凝汽器真空還比較低。本文主要針對珠江電廠所存在的真空低問題進行原因分析探討并尋找解決辦法。

1　真空系統存在的問題及其危害

　 珠江發電廠4臺機組投產后真空嚴密性試驗和真空分別如表1、表2所示。從表中的數據可以看出:各臺機組的真空嚴密性在1999年以前根本達不到DL/T609—1996的規定［1］，而且真空遠低于設計要求。真空低將直接影響機組經濟性和安全性，據計算，300 MW機組真空每下降1 kPa，煤耗率增大2 g/kWh, 出力下降2.2 MW以上。同時，真空下降速度嚴重時可能使汽輪機轉子發生振動和末級葉片喘振等異常 ，甚至造成汽輪機事故。

2　真空低的原因探討及其對策

　 珠江發電廠機組真空的試驗和運行結果不理想，已達到非解決不可的地步。影響真空值大小有兩方面：凝汽器濕飽和蒸汽的壓力Ps（Ps與運行中凝汽器的熱力特性有關）；凝汽器中不凝結氣體的份量Pa（Pa與真空系統的空氣泄漏量和真空泵的運行出力有關）。根據道爾頓定律，混合物的總壓力為構成混合物諸氣體的分壓力之和，則凝汽器壓力Pc為：

　　 Pc＝Ps+Pa .（1）

2．1　凝汽器熱力特性［2～4］對真空的影響及其對策　　

凝汽器中的蒸汽處于飽和狀態，依飽和蒸汽的性質有:Ps與其飽和溫度ts所對應，且ts越小,Ps越小 。而

　 　ts＝tw1＋Δt＋δt．（2）　

　（2）式中Δt，tw1和δt分別為冷卻水的溫升、入口溫度和凝汽器的端差。

　 根據凝汽器的熱平衡方程（在低溫范圍內，水的焓在數值上約等于水溫的4．187倍），有

　　 Dc（hc－h′c）＝4．187Dw（tw2－twl）．（3）

式中　Dc———蒸汽量，kg/h；

hc———蒸汽質量焓，kJ/kg；

h′c———凝結水質量焓，kJ/kg；

Dw———冷卻水量，kg/h；

tw2———冷卻水出口溫度，℃。

因此有

（hc－h′c）是1 kg蒸汽凝結的放熱量。由于凝汽式汽輪機的排汽壓力Ps在設計時已經設定，而且在實際運行中基本在其變化范圍內，因此（hc－h′c）的變化可以近似認為是常量，故有冷卻水的溫升Δt與蒸汽量Dc成正比而與冷卻水量Dw成反比。

　 凝汽器的傳熱端差δt是作為評價凝汽器運行優劣的主要技術指標，它表示為：

式中　K———傳熱系數，kJ／（m2?h?K）；

Ac———換熱面積，m2。

　 從（4）式可知：凝汽器運行中端差δt與蒸汽量Dc成正比，與冷卻水量Dw成反比，與換熱面積Ac和傳熱系數K有關。

　 綜上所述，凝汽器的真空隨蒸汽量Dc增大而降低，隨冷卻水量Dw和換熱面積Ac以及傳熱系數K的增大而升高。

2．1．1　凝汽器換熱面積和傳熱系數的影響　

　從珠江發電廠凝汽器的換熱面積的數值來看，與同類型機組比較都相對偏小（見表3），但加大凝汽器換熱面積比較困難。因此，為了提高凝汽器傳熱效果，減小端差，必須提高換熱面的清潔度。1999年初以來，分別對各臺機組的膠球清洗系統進行改造和檢修，使之能正常投運并保證收球率在95%以上，同時要求定期投運。

2．1．2　凝汽器熱負荷的影響

　 減小凝汽器的熱負荷，可以提高真空。熱負荷中除汽輪機排汽和加熱器的正常疏水外，還有高溫高壓蒸汽的疏水泄漏進入凝汽器。具體有：缸體、主（再熱）蒸汽管道疏水；高、低壓加熱器危急疏水和輔調疏水；軸封及輔汽調節站的疏水。以上系統由于閥門不嚴或疏水節流孔板不合理造成了高溫高壓蒸汽泄漏。

　 為了提高機組的真空，對以上疏水泄漏采取如下的對策：

　 a）1998年3號機組大修以來分別對2～4號機組的疏水系統進行改造，使高溫高壓蒸汽的疏水合并減少泄漏概率。對缸體、主（再熱）蒸汽等高溫高壓管道的疏水電動門前加裝高一等級的手動門做為電動門的備用。

　 b）利用紅外線測溫儀定期測量閥門前后管壁溫度，確認存在內漏的閥門，并進行檢修處理。對高壓加熱器危急疏水和低壓加熱器輔調疏水閥門前、后電動門行程進行精確調整，同時將高、低壓加熱器的水位由原來的基地儀控制改進為機爐協調控制（WDPF）提高疏水監控水平。

　 c）軸封及輔汽調節站由原來節流孔板疏水改造為DFS－25/500－8型倒置浮杯式自動疏水器。

　 d）每月定期對運行機組的疏水閥門內漏進行檢查建立檔案，對泄漏閥門限期檢修并對責任部門實行考核。

2．1．3　凝汽器冷卻水的影響

　 珠江發電廠每臺機組配備兩臺循環水泵，單泵運行設計額定流量為19 656 m3/h，冷卻水主要供凝汽器冷卻外，還供閉式水系統的冷卻1 800 m3/h，潤滑油、密封油、氫冷器以及定冷水的冷卻1 195 m3/h，沖灰水500 m3/h，共約3 495 m3/h。泵的性能和實際試驗結果（表4）表明：兩泵并聯運行時的流量比兩泵單獨運行的流量和要小。從表4中可以算出凝汽器的實際冷卻水量要比設計量36 000 m3/h小得多，只占90%。此外，從機組投產后運行中冷卻水溫升（見表5）分析，在額定負荷時，冷卻水年平均進出口溫升嚴重超過設計值（9℃），4號機最大溫升高達18℃，而其它3臺機也在11～13℃范圍。

可見，珠江發電廠凝汽器長期在循環水量不足的情況下運行，是導致真空低的一個因素。

　 根據冷卻水所存在的問題，分別對冷卻水系統采取了如下整治措施：

　 a）對循環泵葉輪進行改造。分別將葉輪由可調式改造為長沙工業泵廠的整體式和沈陽水泵廠的圍帶式，使最大流量單泵達24 108 m3/h，兩泵并聯達42 534 m3/h；還計劃將葉輪改為＋3°整體式葉輪 。

　 b）對冷卻水管道進行查漏消除漏點并做好循環水的合理分配。

　 c）做好一、二次濾網和膠球清洗系統的狀態檢修和定期運行，以凈化水質。

2．2　真空系統泄漏的影響

2．2．1　凝汽器中不凝結氣體的份量將直接影響真空的高低，而真空系統的嚴密性和真空泵出力決定不凝結氣體的多少。為了提高真空嚴密性，1997～1999年通過常規查漏方法找出并消除了一些漏點；1 999年底利用氦質譜儀對真空系統進行地毯式查漏，找到從未發現而且泄漏量大的漏點（見表6）。

2．2．2　小機軸封送汽不合理及其改造

　 機組運行時，主機軸封通過高低壓差進行自密封和自動跟蹤，而小機的軸封送汽則由于前后軸封由同一根管道從輔汽直接引入，前后軸封阻力不等，所以前后送汽壓力難于調整和自動調節跟蹤，導致了小機前后軸封漏空氣。針對上述情況，根據壓力匹配原則對小機軸封送汽改為由主機的低壓軸封母管供汽，而原有的汽源做為備用。同時在前軸封進汽管道上加裝手動門，達到軸封進汽自動調節和手動控制，改造后效果明顯，前后軸封漏空氣量減少到10 nPa?L/s數量級以下。

2．2．3　疏水擴容器泄漏處理

　 高溫高壓的疏水不但加重凝汽器的熱負荷，而且增大擴容器各疏水管之間的壓差（1.5 MPa）、溫差（400℃），長期存在交變熱應力引起擴容器和疏水管之間的連接焊口出現裂紋而漏空氣。依此采取對疏水壓力溫度相差較大的接口加裝波紋膨脹節。同時，對疏水擴容器的人孔門由兩支點夾緊式，改造為法蘭式連接并做好定期的灌水查漏消除擴容器泄漏點。

2．2．4　其它泄漏部位的消除

　 連通管法蘭泄漏是由于安裝工藝不當造成的，通過調整冷拉值和更換新型墊片解決了此問題。對防爆門等經常出現漏空氣的部位，采取定期查漏和采用新材料、新技術進行檢修封堵。

3　改造后的效果　

經過以上的改進和處理后，對真空泵并聯運行試驗，證明真空泵出力可以滿足機組額定負荷“1機1泵”運行要求并保持真空值在94.0 kPa以上。1～4號機組的真空嚴密性分別達到0.366 kPa/min，0.399 kPa/mi n，0.400 kPa/min和0.380 kPa/min的合格水平。

4　結束語

　 綜上所述，機組真空低是一個綜合性問題，影響因素較多，要徹底解決必須對影響因素逐一消除并長期做好處理效果的保持。經過幾年的綜合整治，珠江發電廠機組投產后真空已經由原來極差的水平改善到滿足設計要求。

參考文獻

［1］DL/T609—1996，300 MW級汽輪機運行導則［S］．

［2］JB/T3344—1993，凝汽器的性能試驗規程［S］．

［3］剪天聰．汽輪機原理［M］．北京：水利電力出版社，1992．

［4］于傳平，梁克寒，潘麗，等．凝汽設備熱力特性和試驗［J］.汽輪機技術，2000，42 (2)：

水環式真空泵工作水溫對真空泵抽吸能力及凝汽器真空影響較大。

通過試驗數據證明:某300MW機組在夏季滿負荷時，水環式真空泵工作水溫在35.3度（冷卻水溫18.5度）時，機組背壓為9.534Kpa；當工作水溫達到45.1度（冷卻水溫30.5度）時，機組背壓上升到11.28Kpa.

由此看來，特別在夏季真空泵冷卻水溫上升時，將較大影響到工作水溫，真空泵效率下降，機組真空將下降。所以應盡量采取降低冷卻水溫的措施，保證真空泵的正常出力和效率。

悶缸”是指在汽輪機打閘停機后，由于某種原因，盤車裝置無法投入（包括手動盤車，此時往往是廠用電全停，潤滑油泵、頂軸油泵都不能投運），由于剛停機，缸溫比較高，不及時投入盤車裝置，大軸會在上下缸溫差的作用下發生彎曲。這個在安規防止大軸彎曲里有解釋的。

此時采取的措施是：1、關嚴進入汽輪機的各路汽源。

2、將汽缸疏水完畢后關嚴疏水門。

3、在各汽缸軸封處，用保溫棉進行封堵，防止進冷氣。

4、當高、中壓缸溫達到轉子脆性轉變溫度時，手動再盤動轉子180度。

這個措施就叫“悶缸”。第3條說要用保溫棉，是因為有的廠有過這樣的措施，并且通過這個措施，缸溫下降