凝汽器工作原理和運行

范維建

摘 要 凝汽器為動力循環(huán)的冷源，在汽輪機排氣口建立并保持高度的真空，使蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹到盡可能低的壓力，將更多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，同時把汽輪機排氣凝結(jié)成水，維持工質(zhì)循環(huán)使用，提高電廠經(jīng)濟性；排除做功后的蒸汽在凝結(jié)過程中的不凝結(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)計基準(zhǔn)出發(fā)，介紹了凝汽器的功能、真空的形成與保持、運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)運行

中圖分類號 TK26 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0211-02

1 凝汽器的功能和設(shè)計要求

1.1 凝汽器功能

凝汽器是動力循環(huán)的冷源，在汽輪機低壓缸內(nèi)膨脹作過功的蒸汽排至凝汽器中冷凝成水，乏汽凝結(jié)過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）接收各疏水箱來的疏水和不凝結(jié)氣體，回收和貯存潔凈的凝結(jié)水，對凝結(jié)水進行初步除氧，以減少對設(shè)備的氧化腐蝕，為動力循環(huán)提供給水。

1.2 凝汽器設(shè)計要求

1）在額定條件下確保汽輪機低壓缸出口的蒸汽壓力；2）保持低壓缸排汽的壓力，確保汽輪機的有效運行；3）在汽機啟機、正常運行、停機過程中確保蒸汽正常進入凝汽器；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，通過海水循環(huán)泵向凝汽器蛇形管唧送的冷卻水來不斷得以冷卻。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。如果這時用凝泵將生成的凝結(jié)水抽走，則能不斷地將進入凝汽器的蒸汽冷凝下來，并維持某一真空。隨著不凝結(jié)氣體的積累，其不凝結(jié)氣體的分壓力會不斷升高，經(jīng)過一段時間之后，容器的壓力會上升到被冷凝蒸汽壓力，蒸汽將不再流動，冷凝過程就停止了。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動態(tài)平衡的過程，即蒸汽源源不斷地進入凝汽器、冷卻水連續(xù)地通過凝汽器鈦管，將蒸汽凝結(jié)時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

凝汽器的實際工作過程中，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判斷凝汽器運行情況的好壞。當(dāng)然，真空的變化都是與凝汽器傳熱過程的好壞密切相關(guān)的。當(dāng)機組帶負荷運行時，凝汽器中的真空度取決于運行參數(shù)和設(shè)備的運行狀態(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）汽機負荷增加（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，真空改善

當(dāng)冷卻水的進口溫度不變時，若冷卻水流量增加時，冷卻水出口溫度下降，同時由于水量的增加，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，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)速就是這個道理。

2.2.2 進口水溫下降時，真空好轉(zhuǎn)

當(dāng)冷卻水進口溫度下降時，在一定的冷卻水流量下，出口溫度跟著下降，即冷卻水進出口平均溫度下降，因而平均溫差增加，此時平均傳熱系數(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 管壁沾污時真空惡化

由于管壁被沾污，使傳熱過程惡化，傳熱系數(shù)下降，要傳遞與清潔傳熱管同樣的熱量，就必須有較高的對數(shù)平均溫差，這樣就提高了凝汽器中的中絕對壓力，因而真空惡化。為保證凝汽器的正常運行，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)時就會混有較多的空氣，凝結(jié)放熱系數(shù)將大幅度降低，這些都將導(dǎo)致傳熱過程惡化，這樣凝汽器的真空惡化。

2.3 凝汽器真空降低對機組的安全經(jīng)濟運行影響

凝汽器真空降低對機組運行會有以下影響：

1）汽輪機排氣壓力、溫度升高，蒸汽在機內(nèi)的可用焓降減少，蒸汽在凝汽器中的冷源損失增大，機組效率下降，機組出力減少。

2）真空降低，要維持負荷不變，蒸汽流量增加，引起末級葉片過負荷，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，使汽缸膨脹機組中心偏移，有可能發(fā)生振動。

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，不利于末級葉片工作。

3 凝汽器的系統(tǒng)運行

從機組啟動到滿功率運行凝汽器系統(tǒng)必須保證機組的正常運行。

當(dāng)機組開始建立真空和有濕蒸汽進入凝汽器，水環(huán)式真空泵就投入運行，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間，可以同時投入三臺水環(huán)式真空泵。

在額定功率水平下，凝汽器中的絕對平均壓力為4.6kPa，當(dāng)凝汽器中的壓力下降到11.8kPa時，會出現(xiàn)的真空低報警信號，這時操縱員必須檢查設(shè)備的運行并且采取措施提高凝汽器的真空度，例如，啟動備用水環(huán)式真空泵。如果機組長時間運行在低真空狀態(tài)，將加重低壓缸末級葉片的負擔(dān)，加大轉(zhuǎn)子的相對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，自動保護系統(tǒng)將觸發(fā)汽輪機保護跳機。

如果凝汽器中的壓力下降不是因為海水冷卻水的原因（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，計算凝汽器真空下降的速率。正常運行時水環(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入凝汽器。

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

機組正常運行過程中在傳熱管中長生的海水沉淀物將由膠球清洗系統(tǒng)來完成。期間還可進行對存在泄漏的傳熱管的堵管工作。這是因為每一個凝汽器都由兩列相互獨立的海水冷卻水，當(dāng)然機組的功率也必須按照規(guī)程要求降到一定的平臺，以保證受損凝汽器中的真空不會顯著惡化。

正常運行時，凝汽器中的水位保持在一個穩(wěn)定的水平，其水位的維持由除鹽水系統(tǒng)來保證。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凝汽器的傳熱管道。

當(dāng)機組冷卻時，凝汽器系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)通過接收旁排閥的蒸汽來冷卻機組。凝汽器必須維持其真空狀態(tài)（可以容許真空有稍稍下降），汽機軸封系統(tǒng)（盤車系統(tǒng)、頂軸油系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、汽機調(diào)節(jié)供油系統(tǒng)運行）和凝結(jié)水系統(tǒng)維持正常運行。

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

參考文獻

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