中小汽輪機真空下降的原因分析及應對措施

屈云海，邵永秀

（昆明鋼鐵集團動力能源分公司,云南安寧 650302）

中小汽輪機真空下降的原因分析及應對措施

屈云海，邵永秀

（昆明鋼鐵集團動力能源分公司,云南安寧 650302）

分析了汽輪機凝汽器的作用，研究了導致中小汽輪機凝結器真空下降的主要原因，在此基礎上提出了提高汽輪機凝結器真空度的措施。

凝結器；真空；排汽溫度；傳熱端差

1 前言

保持汽輪機凝汽器在合理的真空下運行，是提高汽輪機設備運行的熱經濟性、節約燃料、降低發電成本的主要措施之一。當汽輪機凝汽器真空下降時將使汽輪機效率降低，據統計凝結器真空每下降1%，汽輪機的效率則下降1%～2%。在安全性方面，一，當凝汽器真空下降時，若依然保持汽輪機的負荷不變，將使汽輪機軸向推力增加，造成推力軸承溫度升高，嚴重情況下發生推力軸承燒瓦事故；二，汽輪機末級蒸汽密度增加，末級蒸汽容積流量因之減少，造成動葉片根部汽流脫離和頂部汽流渦流，使葉片顫振，汽輪機長期在低真空狀況下運行，將會造成末級動葉片疲勞斷裂；三，汽輪機低壓缸因排汽溫度升高而變形，破壞聯軸器中心的對稱度，造成機組振動；四，使凝結水中含氧量增加，加劇了低壓管道和低壓加熱器的氧腐蝕。

因此熱力發電廠對凝結器真空要求很高，一旦發生真空下降應盡快查找原因采取措施加以解決，當真空下降到一定值時連鎖保護動作自動停機。

昆鋼動力能源分公司現有汽輪發電機組13臺，其中10臺為中溫中壓汽輪發電機組，其余3臺為燒結低溫余熱汽輪發電機組。機組汽輪機設計排汽絕對壓力大部分為0.0049 MPa,汽輪機在額定負荷下凝結器正常真空值為負73～75 kPa之間，凝結器真空低于-72 kPa時應查找原因并解決。

2 汽輪機凝結器的作用及導致汽輪機凝結器真空下降原因分析

汽輪機凝結器主要作用有二，一是使汽輪機的排汽部分形成并維持高度真空，使蒸汽盡可能地膨脹到很低的壓力，保證汽輪機的最佳理想焓降；二是使凝結水得以回收。當汽輪機的排汽在凝結器中被冷卻水冷卻變成凝結水時，體積驟然縮小，因而凝結器內就會形成高度真空，同時用抽氣器將漏入凝結器的空氣和少部分不凝結的蒸汽抽走，以維持較高的凝結器真空。

汽輪機正常運行時，凝結器的真空與排汽溫度的關系是飽和蒸汽壓力和飽和蒸汽溫度（即排汽溫度）一一對應的關系，排汽溫度低則凝結器真空高，反之也然。排汽溫度可用以下數學表達式：

式中：tp為排汽溫度，t1為冷卻水進口溫度，Δt為冷卻水（又稱循環水）溫升，δt為凝結器傳熱端差（即排汽溫度與冷卻水出口溫度之差）。

從（1）式看出，冷卻水進口溫度t1、冷卻水溫升Δt、傳熱端差δt是影響排汽溫度或者說影響凝結器真空的主要原因。下面分別闡述：

1）冷卻水（循環水）進口溫度t1對凝結器真空的影響

若冷卻水進口溫度t1升高，則排汽溫度升高，也即凝結器真空降低，反之，則真空高。實踐證明冷卻水進口溫度每升高1℃，凝結器真空降低約0.3%。冷卻水進口溫度，受季節影響大，夏季氣溫高冷卻水進口溫度也高，冬季氣溫低冷卻水進口溫度也低。對于采用冷卻塔的閉式循環供水系統，冷卻水進口溫度除受季節的影響外，還取決于冷卻塔的工作狀況，冷卻塔冷卻效果好，則冷卻水進口溫度低，真空高，反之，真空低。

2）冷卻水溫升Δt對凝結器真空的影響

冷卻水溫升Δt升高則排汽溫度升高，也即凝結器真空降低，反之，則凝結器真空升高。根據凝結器排汽與冷卻水熱平衡可推導出冷卻水溫升Δt的數學表達式為：

式中：hp、hn分別為排汽焓和凝結水焓。m為凝結器的冷卻倍率，m=排汽質量流量÷冷卻水質量流量，表示凝結器每凝結1 kg蒸汽所需要的冷卻水量。

從（1）、（2）式中看出，冷卻倍率m越大，Δt值就越小，則凝結器真空就越高，但因此而消耗的冷卻水量及循環水泵的功耗也越大，一般m值約在50～120之間，Δt值一般約在7.5～11℃之間，最佳的m值是通過技術經濟比較確定的。另外Δt隨汽輪機負荷的增加而升高，即凝結器真空隨汽輪機負荷的增加而降低，這是因為汽輪機負荷與排汽量成正比例關系，凝結器冷卻水所吸收的熱量必然隨汽輪機負荷的增加而增加，Δt因之增加，因此這不作為分析凝結器真空下降因素。

3）凝結器傳熱端差δt對凝結器真空的影響

凝結器傳熱端差δt與冷凝器冷卻面積、傳熱量及傳熱系數有關（傳熱系數又與冷卻管材料、冷卻管表面清潔度、排汽中空氣含量有關）。凝汽器冷卻面積越大則端差δt越小，真空就越高，但消耗的金屬就越多，現代汽輪機凝結器傳熱端差一般選擇在3～10℃之間。傳熱系數越大則傳熱端差δt越小，真空就越高，冷卻管材料的導熱性越好則傳熱端差δt越小，真空就越高，但導熱性好的材料，其價格也高，一般凝結器冷卻管為黃銅管（H68A）；冷卻管表面清潔度越高則傳熱端差δt越小，真空就越高。當冷卻管水側表面結水垢后，由于水垢的傳熱系數為0.58 W/（m.K）不到黃銅70 W/（m.K）的百分之一左右，因而水垢的存在阻礙了冷卻水與排汽的熱交換，使得傳熱端差δt升高，真空降低，水垢越多，真空越低；由于真空系統不能絕對嚴密而從外界漏入空氣，以及蒸汽中所含的不凝結氣體在蒸汽凝結時被析出，空氣會使冷卻水管表面形成一層空氣膜，由于空氣的傳熱系數為0.026 W/（m.K）只有黃銅70 W/（m. K）的萬分之四左右，降低了傳熱效果，凝結器中空氣含量越多則傳熱端差δt越大，真空就越低。

已安裝使用的凝結器其冷凝器冷卻面積和冷卻管材料已不可改變，因此凝結器傳熱端差δt或者說真空的高低主要與冷卻管表面清潔度、排汽中空氣含量有關。

3 凝結器真空下降原因判斷及應對措施

影響凝結器真空的環節和因素很多，凝結器的真空是凝汽設備各部分運行狀況的集中反映，只要凝汽設備的任意一部分失常，都會導致凝結器真空的降低，這就決定了查找凝結器真空降低的具體原因不是一件容易的工作。但從前面理論分析得出冷卻水進口溫度t1、冷卻水溫升Δt、凝結器傳熱端差δt是影響凝結器真空的根本原因，只要這三個參數中的任意一個升高就會導致凝結器真空下降。因此，只要根據這三個參數的變化規律結合查找影響凝結器真空的具體環節，并采取相應的切實可行的措施，從而達到汽輪機長期在高真空狀況下運行的目的。而凝結器真空下降速度有緩慢下降和快速下降兩種情況，處理的原則是，首先在確保汽輪機安全運行且盡量不停機的前提下根據真空下降速度適時降低汽輪機負荷，然后再查找并處理真空下降的問題。

3.1 冷卻水進口溫度t1高導致的真空下降

夏季時，冷卻水進口溫度t1高，而冷卻水溫升Δt、凝結器傳熱端差δt這兩個參數正常，這是自然規律，屬正常現象。

但是，若冷卻水溫升Δt、凝結器傳熱端差δt這兩個參數正常，而冷卻水進口溫度t1比往年同期高，則屬不正常現象。對于采用冷卻塔的閉式循環供水系統，主要是冷卻水塔的工作狀況不良造成，如冷卻塔噴嘴堵塞、破損，以及上冷卻塔的循環水壓力下降等會使噴嘴霧化效果減弱，降低了水珠與上升空氣的對流換熱。例如本部25 MW汽輪發電機組冷卻塔噴嘴直徑較小只有9 mm，經常被清洗凝結器的直徑為20 mm的漏網膠球堵塞造成真空下降；對于像本部18 MW干熄焦汽輪發電機組所采用的旋轉噴嘴帶動抽風機的冷卻塔，會經常因抽風機減磨片損壞使其轉速降低或不旋轉，導致在冷卻塔中與冷卻循環水進行熱交換的冷空氣量減少，降低了水珠與上升空氣的對流換熱；又如三燒、四燒低溫發電機組采用的是機力通風冷卻塔，當通風機因故障而停運后，導致在冷卻塔中與冷卻循環水進行熱交換的冷空氣量減少，降低了水珠與上升空氣的對流換熱。

處理措施：疏通被堵塞的噴嘴；更換破損的噴嘴；更換損壞的抽風機減磨片；盡快使故障停運的通風機恢復正常運轉。

3.2 冷卻水溫升Δt高導致的真空下降

(1)當凝結器冷卻水管管板臟污、出口水室存有空氣，使冷卻水量減少。

現象：冷卻水溫升Δt超過正常值，而凝結器的負荷和冷卻水的進口水溫不變，水阻增加，冷卻水進口壓力增加，端差δt在正常范圍內或有少許升高。

處理措施是：停機后清掃凝結器管板臟物；汽輪機運行狀態下開啟出口水室排氣管閥門放出積于出口水室的空氣。

(2)冷卻水出口水管閥門未全開、冷卻塔噴嘴堵塞，膠球回收網堵塞（本部25 MW、18 MW專用），使冷卻水量減少。

現象：冷卻水溫升Δt超過正常值，凝結器負荷和冷卻水進口水溫不變，冷卻水進口壓力增加，凝結器水阻降低，端差δt變化不大。

處理措施：開大冷卻水出口管閥門；疏通冷卻塔噴嘴；停機后疏通膠球回收網。

(3)冷卻水出口管上部虹吸破壞，致使冷卻水量減小。

現象：冷卻水溫升Δt超過正常值，凝結器負荷和冷卻水入口水溫不變，冷卻水出口管負壓減小，凝結器水阻減小，端差δt變化不大。

處理措施是：啟動虹吸抽氣器措施恢復虹吸作用。

(4)循環水泵故障（如水泵入口管濾網堵塞、水泵葉輪氣蝕嚴重、入口閥卡澀處于半開狀態等）或吸入空氣或故障停運，使冷卻水量減少。

現象：冷卻水溫升Δt超過正常值，冷卻水壓力降低，凝結器負荷和冷卻水入口水溫不變。

措施：消除循環水泵缺陷造成的故障；打開循環水泵排氣閥，排除水泵空氣；恢復循環水泵正常運轉。

3.3 凝結器傳熱端差δt高導致的真空下降

(1)凝汽器冷卻管水側臟污、結垢。

現象：凝結器在不同負荷下凝結水溫度都比以前高，傳熱端差δt增大，冷卻水進口水溫不變，冷卻水溫升Δt稍有增大，凝結器真空嚴密性試驗證明沒有過量空氣漏入。

處理措施：停機后用高壓清洗機清洗冷卻管；汽輪機運行狀態下對冷卻管進行化學在線清洗；汽輪機運行狀態下定期啟動膠球清洗系統用膠球清洗冷卻管，但是本部25 MW發電機組在用膠球清洗時，要采取防止膠球從膠球回收網遺漏到冷卻塔堵塞噴嘴進而降低冷卻效果的措施，為徹底解決這一問題，已于2012年9月將本部25 MW發電機組的膠球回收網更換成膠球回收率達100%的回收網。

(2)空氣漏入凝結器，如軸封供汽壓力低從低壓軸封處漏空氣，真空系統管道法蘭、閥門盤根處漏空氣，真空系統的密封水中斷使空氣漏入，凝結水泵吸入側盤根不嚴密漏入空氣等。

現象：汽輪機排汽溫度上升，傳熱端差δt增加，冷卻水出口水溫不變，凝結水溫度降低，過冷度增加，真空嚴密性試驗證明有空氣漏入凝汽器。

處理措施：調整軸封供汽壓力使其正常；用燭焰或專用的檢漏儀檢漏仔細地找出泄漏處，并及時消除。機組大、中修后應對真空系統灌水找漏，消除泄漏點，確保在運行中真空系統嚴密；保持足夠的真空系統密封水；擰緊或更換凝結水泵入口側盤根。

(3)射水抽氣器工作不正常，如噴嘴結垢或損壞或堵塞、逆止閥閥芯脫落堵塞噴嘴、射水箱水溫高、射水泵故障或射水管破裂使抽氣器工作水的壓力低或中斷等。

現象：同（2），但試驗證明無過量空氣漏入凝汽器。

處理措施：如果有備用抽氣器，則待啟動備用抽氣器運行正常后，停止故障抽氣器進行檢修；若因射水泵故障而引起的抽氣器工作水的壓力低或中斷，則啟動備用泵正常后，停止故障射水泵進行檢修；焊補破裂的射水管；若射水箱水溫高，則向射水箱補充新水以降低射水溫度。

(4)凝結器滿水，如凝結水泵真空部位漏空氣打不出水，凝結水泵故障，造成凝結水不能從凝結器中排出，水位過高；凝結器冷卻管破裂，冷卻水漏入凝結水中。

現象：凝汽器水位升高到空氣管管口，冷卻水出口水溫不變，端差δt增大，凝結水溫度降低、過冷度增大，如果是冷卻管破裂則 有凝結水硬度增大的現象發生。

處理措施：凝結水泵故障不能消除時，應立即啟動備用泵，恢復凝汽器的正常工作，然后查找漏空氣部位或其它缺陷加以消除；檢查和化驗凝結水硬度，證實凝汽器銅管破裂或脹口漏水，可在運行中停止半面凝汽器或在停機后堵漏。

4 結束語

總之，造成汽輪機凝結器真空下降的具體原因很多，須從冷卻水進口溫度t1、冷卻水溫升Δt、凝結器傳熱端差δt等三個參數的變化規律入手，結合影響凝結器真空的每一個系統和環節，查找具體原因，視凝結器真空下降的緩慢程度，根據造成的具體原因不同而采取不同的處理方法。并根據凝結器真空值的下降數，依照運行規程的規定降低機組負荷采取措施給以解決。減負荷過程中，若故障一時處理不了，凝結器真空值降到允許最低值時仍繼續下降，則需停機處理。

Causes of Vacuum Reduction in Medium and Small Steam Turbines and Countermeasures

QU Yunhai,SHAO Yongxiu
（The Power and Energy Co.of Kunming Iron and Steel Group,Anning,Yunnan 650302,China）

The function of the condenser of steam turbine was analyzed,and the main causes of vacuum reduction in the condenser of medium and small steam turbines were investigated and based on this measures to increase the vacuum degree of the condenser of steam turbine were put forward.

condenser;vacuum;temperature of discharged steam;end difference of heat transfer

TK264.1

B

1006-6764（2014）03-0047-04

2013-10-23

屈云海（1965-），男，畢業于云南工學院電廠熱能動力工程專業，熱能高級工程師，現從事熱能技術管理工作。