凝汽器真空影響因素分析

胡慶偉

中核核電運行管理有限公司運行四處 浙江海鹽 314300

1 凝汽器真空系統的簡述

1.1 真空的建立

凝汽器真空的初始建立，通過真空泵將凝汽器中的不凝結氣體抽走，初始建立真空的快慢就由真空泵的容量以及真空系統的嚴密情況來決定。抽真空條件：1、盤車啟動；2、軸封投入；3、一臺CRF泵啟動。真空的維持：若機組已經沖轉，汽輪機排汽進入凝汽器中，循環水系統（CRF）向凝汽器提供冷卻水，使蒸汽能夠迅速凝結成水，體積縮小約3000倍，蒸汽冷凝空間就形成了高度真空。由于冷卻介質不斷地將進入凝汽器中排氣的熱量帶走，凝結過程持續進行，凝汽器中的真空穩定。簡而言之，凝汽器中的真空是由排汽凝結成水和真空泵不斷抽取不凝氣體形成的。真空水平的高低受冷卻介質的溫度、流量、機組排氣汽量、凝汽器傳熱情況、真空系統的嚴密性、抽真空效率、機組的負荷等情況的影響[1]。

1.2 不凝結氣體對真空的影響

在理想的工況下，機組排氣全部為可凝結的蒸汽，真空系統是絕對嚴密的，只要進入凝汽器的冷卻介質不中斷，則凝汽器中的真空即可維持在一定水平上。但實際上汽輪機組排氣中總會有一些不可凝結的氣體；處于高度真空狀態下的凝汽器及其它部件也是不可能完全密封，空氣會通過不嚴密的系統部位漏入到真空系統中來。不凝氣體的存在，會給凝汽器的真空、經濟運行帶來不利的影響，具體表現為：

（1）影響凝汽器的傳熱工況，使凝汽器端差增大，機組的熱效率降低。

（2）有空氣分壓力的存在，而蒸汽按自身分壓力凝結，使凝結水產生過冷度。

（3）空氣的存在降低了凝汽器的除氧效果，凝結水中溶解氧的存在，造成凝結水系統設備與管道的氧腐蝕，影響機組安全穩定運行。

（4）空氣存在會降低凝汽器的真空。

顯而易見，不凝氣體如果不能及時排出，逐漸積累，最終將使凝汽器的真空嚴重惡化，影響機組的安全、經濟運行。通過抽真空系統的真空泵將不凝結氣體抽到凝汽器系統外。使凝汽器中不可凝結氣體的含量維持在盡可能少的水平上。當真空系統中產氣量與抽氣量相平衡后，系統中的真空維持在冷卻介質溫度所決定的水平上。綜上所述，凝汽器中真空的維持，一是靠冷卻介質不間斷地將排汽的熱量帶走，使蒸汽的凝結過程能不間斷地進行；二是靠真空泵將不凝結氣體不間斷地抽出，使不凝氣體不至于在凝汽器中積累而造成真空的惡化[2]。

2 影響凝汽器真空的因素及分析

2.1 真空系統的嚴密性

由于空氣不易凝結，且是熱的不良導體，凝汽器漏入空氣會使凝汽器換熱效率降低，機組做功能力下降，從而影響機組的經濟性。導致凝汽器漏入空氣的根本原因：凝汽器內存在較大的負壓，空氣容易通過系統中密封性較差的環節漏入其中。而系統中密封性較薄弱的環節包括以下四個方面：①低壓缸與凝汽器連接處不嚴密；②低壓缸爆破膜泄漏；③凝汽器邊界閥門密封不嚴或在線不正確。④汽機軸封系統（CET）運行異常。

其中，軸封系統運行異常的故障值得關注。軸封供汽壓力過低，容易造成空氣漏入，導致真空降低；供汽壓力過高，蒸汽泄漏，可能導致低壓缸爆破膜破裂，造成真空破壞。因此，維持汽機軸封系統適當的壓力，對于凝汽器真空存在重要意義。

2.2 熱力學原因導致的凝汽器真空惡化

2.2.1 循環冷卻水的影響

循環水作為汽輪機低壓缸排汽的冷卻介質，其流量和溫度對凝汽器真空的影響是舉足輕重的。

作為換熱系數的主導因素，冷卻水流量對于凝汽器真空的影響是決定性的，在夏季高溫期表現得尤為突出；要維持凝汽器真空處于理想的范圍，首先必須保證足夠的冷卻水量。冷卻水流量下降將導致凝汽器水溫上升，真空降低。而循環水系統側排氣不充分、海水低潮位以及大浪天氣、鼓形濾網運行故障及常規島二次濾網故障、凝汽器內鈦管堵塞都會造成其流量下降。

作為凝汽器中傳熱的邊界條件之一，冷卻水初始溫度直接影響凝結水溫度進而影響真空。在冷卻水流量一定的情況下，隨著冷卻水初始溫度升高，凝結水溫度亦隨之升高，凝汽器的真空相應降低，因此冷卻水初溫對凝汽器真空有較大影響。通過圖1和圖2的對比可以看出，在冬季和夏季不同的冷卻水初始溫度下，凝汽器真空表現出明顯的差異。但由于秦山第二核電廠CRF系統設計為直接從海水吸水的方式供給冷卻水，要調節冷卻水初始溫度比較困難，所以目前秦山第二核電四臺機組的輸出功率是季節性波動的。

圖1 冬季凝汽器真空趨勢

圖2 夏季凝汽器真空趨勢

為了能使凝汽器真空在不同季節時均能維持在最佳值附近，夏季時秦山第二核電廠一般采用兩臺真空泵同時運行，以提高冷卻水流量的方式來維持真空。

2.2.2 閉式冷卻水的影響

由于設計方面的不合理，秦二廠抽真空泵密封水冷卻器的冷卻來水是從SEN/SRI板式熱交換器B與C之間的母管引出的，所以當只有板式熱交換器C處于正沖的時候，經過了海水冷卻的閉式冷卻水未流經真空泵。

根據《秦二廠3/4號機組凝結水溶解氧周期性波動原因分析報告》，當只有板式熱交換器C處于正沖時，CVI冷卻水得不到充分冷卻，溫度升高汽化，真空泵抽氣能力下降，凝汽器真空惡化，同時導致凝汽器內溶解氧異常上升。該問題在秦二廠四臺機組中曾多次發生，在只有板式熱交換器C正沖工況下應重點關注。

2.2.3 常規島熱力負荷的影響

當冷卻水流量和清潔系數均為設計值，冷卻水初溫一定時，凝汽器熱負荷的變化對真空的影響也較大，尤其是在冷卻水初溫比較高時更是如此。導致凝汽器熱負荷變化的因素很多，如機組主汽門前、主調閥前疏水，低加疏水以及抽汽逆止閥等多處疏水，高壓疏水擴容器均接入凝汽器，增加了凝汽器額外熱負荷，影響了機組真空。所以機組穩定運行時必須盡量降低凝汽器所承受的額外熱負荷。

2.2.4 凝汽器水位的影響

凝汽器水位過高，減小汽輪機低壓缸排汽空間，減小換熱面積，從而使低壓缸排汽溫度升高，凝汽器真空降低。另外，凝汽器水位過高，還會造成凝結水過冷，降低機組的經濟性。凝汽器水位過低，會影響凝結水泵的安全運行，因此，凝汽器要保持一定的水位，過高或過低都是不行的[3]。

2.3 設備原因導致的真空惡化

2.3.1 真空泵故障的影響

水環式真空泵作為CVI系統的主要設備，其運行性能的好壞直接影響凝汽器真空。根據近兩年的運行經驗，真空泵出現過以下故障：

（1）汽水分離器液位異常。由于補水電磁閥故障會導致汽水分離器液位過高或過低。過高會使真空泵過負荷跳泵。過低則無法形成水環，真空泵將無法正常工作，從而導致機組真空下降，影響機組的穩定運行。

（2）葉輪汽蝕。當真空泵水環中的水溫高于其入口壓力下的飽和溫度時，水環內的低壓區容易汽化，造成真空泵葉輪汽蝕。葉輪的汽蝕降低了真空泵的機械性能，造成真空降低。

2.3.2 凝汽器清潔度的影響

冷卻管水側的臟污是凝汽器真空惡化的一個重要原因。凝汽器的清潔系數大小直接反映了凝汽器鈦管的臟污程度和水側傳熱性能，清潔系數減小，會使凝汽器的傳熱系數變小，加大了冷卻水與水管的溫差，傳熱端差增大，凝結水溫度升高，真空降低。運行時水質差或水中污垢等引起鈦管內表面積垢或臟污，會導致凝汽器清潔系數下降。如果冷卻水管及其管板被水中雜物堵塞，還會造成凝汽器冷卻水量不足，其表現為冷卻水溫度的升高，增加端差，影響真空。

此外，凝汽器鈦管的臟污會加劇管道腐蝕，甚至穿孔。當凝汽器鈦管發生穿孔時，需要將破壞的鈦管封堵，減小了冷卻水流量，降低凝汽器真空。

3 真空變化的應對措施

3.1 真空降低

真空降低會導致汽機排汽壓力、溫度升高，蒸汽在機內的可用焓降減少，機組效率下降，機組出力減少；要維持負荷不變，調門開大，蒸汽流量增加，會導致汽輪機軸向推力增大，溫度的變化還會使汽缸及軸承座等部件受熱膨脹引起機組中心偏移，危及汽機安全。

3.1.1 真空降低的現象

主要有以下幾種現象：

（1）凝汽器真空下降，排汽溫度升高。

（2）機組負荷降低或帶同樣負荷時主蒸汽流量增大。

（3）凝汽器水位升高。

（4）循環水泵、凝結水泵、抽氣設備、循環水冷卻設備等工作出現異常。

3.1.2 真空降低時應對辦法

視凝汽器真空是急劇下降還是緩慢下降，根據造成的原因不同而采取不同的處理方法，要根據凝汽器真空值的下降數，依照運行規程的規定降低機組負荷。減負荷過程中，若故障暫時無法處理，凝汽器真空值降到允許最低值時仍繼續下降，則需停機處理。常規方法如下：

（1）發現真空下降時，應迅速核對真空表指示，核對凝汽器排汽溫度，只有在真空下降同時，排汽溫度相應上升的情況下，才屬于真空真正下降；

（2）真空下降時，運行人員應迅速查明原因，檢查備用真空泵自啟動，否則手動啟動；

（3）因循環水系統引起真空下降時應按如下處理：①循環水壓力是否正常，若循環水壓力低，應檢查循環水管線是否有泄漏堵塞；②檢查凝汽器水位是否正常，若凝結水溫度下降，真空下降，則為水位升高，此時應設法恢復水位；③檢查循泵運行是否正常，若循泵跳閘引起真空下降，則立即降低發電機有功到450MW，確保凝汽器真空正常，若兩臺循泵跳閘立即打閘汽機，按循環水中斷處理。

（4）檢查軸封系統：①軸封母管壓力是否正常，若壓力低應檢查主汽、輔汽到軸封汽源是否正常，溢流閥是否正常，因某種原因造成軸封供汽中斷，凝汽器真空急速下降，應立即打閘汽機，如真空下降緩慢，設法恢復軸封供汽，否則減負荷停機，軸封供汽失去時應注意監視汽機差脹，不得超過規定限值，否則應立即停機。②若軸加風機故障，啟動備用風機，檢查軸加U型水封是否失去，若兩臺軸加風機均故障且短時間內不能恢復，應打閘汽機。檢查真空泵運行狀況是否正常，運行泵跳閘后，確認備用泵自啟動，否則手動啟動。

（5）檢查真空破壞閥是否誤開，若是則立即關閉。具體檢查辦法：用手放到真空破壞閥的閥口處，感覺在吸氣，說明閥門有漏，說明一點，電動真空破壞閥未全關時會觸發主控的CVI001AA。

（6）在真空下降過程中，密切監視低壓缸排汽溫度，當低壓缸排汽溫度上升到80℃時，開啟低壓缸噴淋裝置，若低壓缸排汽溫度升到120℃，則手動停機。

（7）CVI備用泵啟動定值的修改建議：

按照原有設計，CVI備用泵的啟動定值為泵入口真空低14Kpa（031SP、041SP、051SP）和凝汽器本體真空低18Kpa（003SP/013SP/023SP）。根據近兩年三四號機組夏季凝汽器真空度趨勢可知（夏季是一年當中真空的最低點），凝汽器真空最低值為8Kpa左右，且持續時間極短；一般情況下均能維持在5Kpa左右。但是，目前3、4號機組的三個壓力開關031SP、041SP、051SP頻繁動作，導致備用真空泵自動啟動（以四號機為例，1次/8小時）。經維修分析，原因為3個壓力開關取壓口過于靠近真空泵入口逆止閥，一旦逆止閥有少許泄露，即會導致壓力開關動作，所以通過技改將三個壓力開關移至每臺抽真空泵的手動閥之前（如下圖四，技改現場還沒有實施）。

對比秦山二期一二號機組相關參數，021SP、031SP、041SP最初的設計定值為11Kpa，因為當時一二號機組真空在夏季工況運行時維持在9Kpa左右，與備用泵啟動定值非常接近，真空泵運行時稍稍波動就可導致備用真空泵自動啟動。對于這種情況，在主控操縱員會采用手動停運備用真空泵并再次將其置備用位置的方式予以干預。但由于壓力開關回差為3Kpa左右，暫時不會復位，且備用真空泵的自動啟動是依靠脈沖觸發的，因此，在上述干預下，備用真空泵失去真空低自動啟動功能。為了規避上述缺陷，一二號機組將其定值修改為14Kpa，一定程度上解決了該問題，但降低了對于凝汽器真空度的要求，這也是三四號機組備用泵啟動定值的來源。

由于三四號機組的凝汽器真空度大大優于一二號機組，完全符合一二號機組備用泵定值初始設計的要求，所以在此建議，待技改結束后可參照以前的設計資料，將真空泵入口壓力低定值重新修改為11Kpa。定值降低為11Kpa存在以下兩個優點：①及早報警，及早發現異常。②及早啟動備用泵，爭取了故障處理時間，可以提高機組可用性

目前，凝汽器故障、凝汽器真空低3觸發汽輪機跳機兩路信號均采用凝汽器真空低于22.5Kpa作為整定值。但由于凝汽器本體真空低啟動備用泵的定值（真空低于18Kpa）與22.5Kpa過于接近，極易觸發汽輪機跳機。為此，將凝汽器本體真空低啟動備用泵的定值（18Kpa）適當提高，以便在凝汽器真空惡化的情況下及時啟動備用泵，提高凝汽器真空，避免汽輪機因真空過低導致的停機。

（8）因真空系統管道或設備損壞而造成真空下降，除按正常處理外，應立即隔離故障部分設備，隔離無效，但能維持汽機一定真空時，應匯報有關領導后處理，真空不能維持應按故障停機處理。

3.1.3 真空降低的預防措施

（1）提高凝汽器嚴密性，凝汽器漏入空氣的點很多，首先我們應該判斷機組當前的狀態，如果是機組剛剛啟動，則應重新檢查系統在線，是否有真空系統的疏水閥沒有關閉；檢查時，以下地方應該著重檢查：閥門閥桿、法蘭連接處、水位計接頭以及密封性較差的連接部件；如果是在機組長期穩定運行中發現真空異常下降，則應檢查近期機組有關操作是否會影響真空系統的嚴密性；機組的瞬態等原因造成波動較大也會令真空系統的一些薄弱環節（如焊接部位）產生裂縫，不易發現。此外加強日常監控，定期檢查相關設備的狀態，做到防患于未然才是最重要的。

（2）對于秦二廠SRI系統，夏季盡量不安排板式熱交換器C正沖運行或技改送往CVI系統的SRI冷卻水母管移位，降低真空泵密封水溫度，防止真空泵密封水汽化和葉片汽蝕。

（3）提高循環水泵效率，在夏季高溫期間可以考慮循環水泵的高速運行，我廠的循環水泵具有低速和高速兩種運行模式，但考慮能耗、設備穩定性等方面原因，我廠一年四季均采用低速運行方式；

（4）保證抽汽系統、軸封系統穩定運行。

3.2 真空過高

真空過高會使汽輪機排氣損失增大，使末級葉片過負荷和濕度增大，加速葉片水蝕。

真空過高時的應對辦法：

（1）選取GPV110/113/213/313VK打開部分小開度，讓其抽入空氣，相當于破壞真空，由于對汽輪機末級葉片影響不明，保守決策這個方法我們機組只是在2012年冬季用過，據了解，秦山三期兩臺機組每年冬季時都會采用這個方法來適當的降低真空度，但這個辦法應謹慎使用，防止真空突變，現操應明確開啟閥門的位置，待真空出現異常時可準確及時干預；

（2）對運行的抽真空泵的SRI水進行截流，減少抽真空泵的SRI水流量，就能降低其效率（相當于冷卻水升溫），相應的也能降低真空度。

（3）將運行中的抽真空泵入口手動隔離閥開度關小，減少其抽氣量，但是該方法在實際運行中并沒有前兩種方法效果好，其對真空的影響力有限，所以很少使用該方法。

4 結語

影響凝汽器真空度因素較多，汽輪機凝汽器真空高低關系著汽輪發電機組安全穩定運行，因此功率運行期間運行人員必須加強對真空度的監視，了解影響真空的因素和原理，掌握設備和系統特性，保證凝汽器真空系統的穩定運行，使凝汽器在最佳真空狀態下運行。

本文根據電廠工作實踐，分析了影響凝汽器真空因素，針對性提出對應解決措施。各個因素相互影響，處理真空異常必須根據現場的實際情況，綜合判斷，采取相應的措施，不斷總結，解決生產實際問題。