提升汽轮机凝汽器的真空及确定最佳真空的研究

李三军

（广州发电厂有限公司，广东广州510160）

1 汽轮机凝汽器真空的建立及其形成理论研究

汽轮机凝汽器真空的建立及其形成主要分为两个阶段：①机组启动阶段；②机组正常运行阶段。在机组启动阶段，凝汽器真空的建立主要通过抽气器把凝汽器中的空气抽出，真空建立的快慢与高低主要由抽气器的容量、性能及真空系统的严密性来决定。在机组正常运行阶段，若有汽体排入凝汽器中，排汽受到冷介质的冷却而凝结成水，其体积大大缩小，原来由蒸汽充满的凝汽器内就形成高度的真空。

图1是蒸汽在凝汽器中受冷却从而形成高度真空的全过程。

其中：ts=tw1+Δt+δt

ts——与凝汽气压力Pc相对应的饱和蒸汽温度，℃

tw1——冷却水进口温度，℃

tw2——冷却水出口温度，℃

Δt——冷却水温升，Δt=tw2-tw1,℃

δt——凝汽器端差，δt=ts-tw2℃

AC——凝汽器总传热面积

图1 凝汽器中蒸汽和冷却水温度沿冷却表面分布图

图1表示凝汽器中蒸汽和冷却水的换热过程，其中曲线1表示凝汽器内蒸汽凝结温度ts的变化（tss在主凝结区基本不变但在在空冷区却下降较多）；曲线2表示冷却水由进口处温度tw1逐渐吸热上升至出口处温度tw2，冷却水温升Δt=tw2-tw1。冷却水的进水温度较低，与蒸汽的传热温差较大，因而使冷却水温上升较快。

冷却水在凝汽器中温度升高，可根据凝汽器热平衡方程式得到：

Dc(hc-hc′)=Dw(hw2-hw1)

其中：Dc、Dw为进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量（t/h）；hc、hc′为凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓（kJ/kg）；hw2、hw1为冷却水流出和进入凝汽器的比焓（kJ/kg）。上式中，M＝Dw/Dc即为凝汽器冷却倍率，它表示冷却水量是被凝结蒸汽量的多少倍。M越大，Δt越小则真空越高。所以在机组运行中，若其他参数不变，增加冷却水量则可有效提升机组真空。

真空不但与机组冷却水量有关，还受凝汽器传热的端差δt影响，其中δt可由传热方程式等公式推导求得：

Q＝K×Ac×Δtm

其中：K为凝汽器的总传热系数，kJ/（m2·h·K）；Δtm为蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差（℃）。

δt＝Δt/（eμ－1），μ＝Ac×K/（4187×Dw）

其中：K越大，δt越小，ts越小，真空则越高，可见，当机组工况和凝汽器内冷却水流量一定时，传热系数K是影响真空的主要原因，提升凝汽器真空的主要方法就是增加凝汽器内的传热系数。

2 实际运行过程中增加凝汽器内传热系数的主要方法

(1)蒸汽和冷却介质在凝汽器内进行换交热时，若蒸汽中含有氧气等不可凝结气体则会极大降低换热效果，因而运行人员应加强水质监督和检查，设法提高水质以减少蒸汽中不可凝结的气体量。

(2)为不使汽缸外的空气进入汽轮机内，在汽轮机汽缸的外层都装有汽封，运行人员应适当调整机组轴封压力，避免被冷空气带入凝汽器而降低换热系数，影响机组真空。

(3)对运行年限较长的机组，机组真空严密性大多不好，在汽轮机的低压侧或是凝汽器会出现一些漏点，这样，就会有一些空气漏入凝汽器中从而影响换热。运行人员应积极配合检修查找和消除漏点，提高机组真空严密性，增大凝汽器内换热系数。

(4)当机组运行一段时间后，凝汽器冷却水中的一部分杂物与泥浆逐渐沉淀下来，附着在铜管内壁而增大冷却水阻力，且影响凝汽器热交换，使汽轮机真空下降、冷却水中微生物的繁衍还会加速这一过程。为保证汽轮机安全、经济运行，日常工作中我们经常会采用反冲洗法、热烘干法和高压冲洗法等方法来祛除铜管内附着污泥等杂物，保证凝汽器内良好的换热效果从而提高凝汽器真空。

3 最佳真空的确定

由以上汽轮机的原理可知，降低汽轮机的背压可以提高汽轮机的出力。当背压降低至一定程度后，若继续降低汽轮机背压，汽轮机功率不再增加，反而由于背压降低，凝结水温度下降，回热所用低压级抽汽量增大，使汽轮机末级功率减小。我们将蒸汽在末级动叶斜切部分膨胀达到极限时的背压，成为极限背压，此时对应的真空即为极限真空。虽然提升真空可使汽轮机的理想比焓降增大，功率增大，提高发电效率，但无论是从设计角度还是从运行角度来看，都不是真空越高越好。

运行机组真空的提高主要靠增大循环水量来提高，然而循环水泵是电厂用电大户，其耗电量占发电量的5%左右，过分增大循环水量，可能使汽轮机真空提高而多发的电量反而小于循环水泵多耗的电量，得不偿失。此时，应减少机组冷却水量，使凝汽器内的真空接近极限真空。

图2 极限真空与经济真空的确定

图2中：Dw为冷却水流量（t/h）；Pc为凝汽器的排汽压力（Pa）；ΔPT为增加冷却水量Dw，提升凝汽器真空，使汽轮机组的功率增量（KW）；ΔPp为增加冷却水量Dw，循环水泵的功率消耗量（kW）。

P经济＝（ΔPT－ΔPp）max

在蒸汽负荷Dc和冷却水进口温度tw1一定的条件下，增加冷却水流量Dw，可提升凝汽器真空从而使汽轮机出力增大，同时循环水泵的功率消耗也相应增大。

令f（x）＝ΔPT－ΔPp

其中：f（x）为机组的净功率收益。

由上式可知：只有当ΔPT－ΔPp取最大值时，即f（x）＝f（x）max时，机组增加功率最大，此时对应的真空即为经济真空，对应的冷却流量即为经济冷却水流量。

4 结论

导致凝汽器真空低的原因是一个复杂的综合性问题，它与运行维护及检修质量密切相关。提高凝汽器的真空度关系着机组的安全、经济运行，且对提高整个发电厂的经济效益有重要的现实意义。

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