提升汽輪機凝汽器的真空及確定最佳真空的研究

李三軍

（廣州發電廠有限公司，廣東廣州510160）

1 汽輪機凝汽器真空的建立及其形成理論研究

汽輪機凝汽器真空的建立及其形成主要分為兩個階段：①機組啟動階段；②機組正常運行階段。在機組啟動階段，凝汽器真空的建立主要通過抽氣器把凝汽器中的空氣抽出，真空建立的快慢與高低主要由抽氣器的容量、性能及真空系統的嚴密性來決定。在機組正常運行階段，若有汽體排入凝汽器中，排汽受到冷介質的冷卻而凝結成水，其體積大大縮小，原來由蒸汽充滿的凝汽器內就形成高度的真空。

圖1是蒸汽在凝汽器中受冷卻從而形成高度真空的全過程。

其中：ts=tw1+Δt+δt

ts——與凝汽氣壓力Pc相對應的飽和蒸汽溫度，℃

tw1——冷卻水進口溫度，℃

tw2——冷卻水出口溫度，℃

Δt——冷卻水溫升，Δt=tw2-tw1,℃

δt——凝汽器端差，δt=ts-tw2℃

AC——凝汽器總傳熱面積

圖1 凝汽器中蒸汽和冷卻水溫度沿冷卻表面分布圖

圖1表示凝汽器中蒸汽和冷卻水的換熱過程，其中曲線1表示凝汽器內蒸汽凝結溫度ts的變化（tss在主凝結區基本不變但在在空冷區卻下降較多）；曲線2表示冷卻水由進口處溫度tw1逐漸吸熱上升至出口處溫度tw2，冷卻水溫升Δt=tw2-tw1。冷卻水的進水溫度較低，與蒸汽的傳熱溫差較大，因而使冷卻水溫上升較快。

冷卻水在凝汽器中溫度升高，可根據凝汽器熱平衡方程式得到：

Dc(hc-hc′)=Dw(hw2-hw1)

其中：Dc、Dw為進入凝汽器的蒸汽量與冷卻水量（t/h）；hc、hc′為凝汽器中的蒸汽比焓和凝結水比焓（kJ/kg）；hw2、hw1為冷卻水流出和進入凝汽器的比焓（kJ/kg）。上式中，M＝Dw/Dc即為凝汽器冷卻倍率，它表示冷卻水量是被凝結蒸汽量的多少倍。M越大，Δt越小則真空越高。所以在機組運行中，若其他參數不變，增加冷卻水量則可有效提升機組真空。

真空不但與機組冷卻水量有關，還受凝汽器傳熱的端差δt影響，其中δt可由傳熱方程式等公式推導求得：

Q＝K×Ac×Δtm

其中：K為凝汽器的總傳熱系數，kJ/（m2·h·K）；Δtm為蒸汽和冷卻水之間的對數平均傳熱溫差（℃）。

δt＝Δt/（eμ－1），μ＝Ac×K/（4187×Dw）

其中：K越大，δt越小，ts越小，真空則越高，可見，當機組工況和凝汽器內冷卻水流量一定時，傳熱系數K是影響真空的主要原因，提升凝汽器真空的主要方法就是增加凝汽器內的傳熱系數。

2 實際運行過程中增加凝汽器內傳熱系數的主要方法

(1)蒸汽和冷卻介質在凝汽器內進行換交熱時，若蒸汽中含有氧氣等不可凝結氣體則會極大降低換熱效果，因而運行人員應加強水質監督和檢查，設法提高水質以減少蒸汽中不可凝結的氣體量。

(2)為不使汽缸外的空氣進入汽輪機內，在汽輪機汽缸的外層都裝有汽封，運行人員應適當調整機組軸封壓力，避免被冷空氣帶入凝汽器而降低換熱系數，影響機組真空。

(3)對運行年限較長的機組，機組真空嚴密性大多不好，在汽輪機的低壓側或是凝汽器會出現一些漏點，這樣，就會有一些空氣漏入凝汽器中從而影響換熱。運行人員應積極配合檢修查找和消除漏點，提高機組真空嚴密性，增大凝汽器內換熱系數。

(4)當機組運行一段時間后，凝汽器冷卻水中的一部分雜物與泥漿逐漸沉淀下來，附著在銅管內壁而增大冷卻水阻力，且影響凝汽器熱交換，使汽輪機真空下降、冷卻水中微生物的繁衍還會加速這一過程。為保證汽輪機安全、經濟運行，日常工作中我們經常會采用反沖洗法、熱烘干法和高壓沖洗法等方法來祛除銅管內附著污泥等雜物，保證凝汽器內良好的換熱效果從而提高凝汽器真空。

3 最佳真空的確定

由以上汽輪機的原理可知，降低汽輪機的背壓可以提高汽輪機的出力。當背壓降低至一定程度后，若繼續降低汽輪機背壓，汽輪機功率不再增加，反而由于背壓降低，凝結水溫度下降，回熱所用低壓級抽汽量增大，使汽輪機末級功率減小。我們將蒸汽在末級動葉斜切部分膨脹達到極限時的背壓，成為極限背壓，此時對應的真空即為極限真空。雖然提升真空可使汽輪機的理想比焓降增大，功率增大，提高發電效率，但無論是從設計角度還是從運行角度來看，都不是真空越高越好。

運行機組真空的提高主要靠增大循環水量來提高，然而循環水泵是電廠用電大戶，其耗電量占發電量的5%左右，過分增大循環水量，可能使汽輪機真空提高而多發的電量反而小于循環水泵多耗的電量，得不償失。此時，應減少機組冷卻水量，使凝汽器內的真空接近極限真空。

圖2 極限真空與經濟真空的確定

圖2中：Dw為冷卻水流量（t/h）；Pc為凝汽器的排汽壓力（Pa）；ΔPT為增加冷卻水量Dw，提升凝汽器真空，使汽輪機組的功率增量（KW）；ΔPp為增加冷卻水量Dw，循環水泵的功率消耗量（kW）。

P經濟＝（ΔPT－ΔPp）max

在蒸汽負荷Dc和冷卻水進口溫度tw1一定的條件下，增加冷卻水流量Dw，可提升凝汽器真空從而使汽輪機出力增大，同時循環水泵的功率消耗也相應增大。

令f（x）＝ΔPT－ΔPp

其中：f（x）為機組的凈功率收益。

由上式可知：只有當ΔPT－ΔPp取最大值時，即f（x）＝f（x）max時，機組增加功率最大，此時對應的真空即為經濟真空，對應的冷卻流量即為經濟冷卻水流量。

4 結論

導致凝汽器真空低的原因是一個復雜的綜合性問題，它與運行維護及檢修質量密切相關。提高凝汽器的真空度關系著機組的安全、經濟運行，且對提高整個發電廠的經濟效益有重要的現實意義。

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