火电厂凝汽设备抽真空系统的教学设计——以榆林职业技术学院《电厂系统图绘制》实训课程教学为例

郭静静

（榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000）

1 凝汽设备抽真空系统教学内容

1.1 设备性质

凝汽设备抽真空系统是《电厂系统图绘制》实训课程的重点内容，形式上并列于前面所学汽轮机主再热蒸汽系统，是后续凝结水系统和主给水系统的基础，其在实际电厂运用中非常广泛，是凝汽式汽轮机的一个重要组成部分。系统涵盖内容广，有一定的难度，理论实践性强，是单元机组集控运行仿真的一个必不可少的大系统。

1.2 实训内容

本系统主要内容包含凝汽设备组成及工作任务、凝汽器的类型及工作特性、抽气设备、凝汽器的运行与维护及抽真空操作等。

1.2.1 凝汽设备的组成

凝汽设备一般由凝汽器、循环水泵、抽气器和凝结水泵等主要部件以及它们之间的连接管道和附件组成。最简单的凝汽设备组成如图1所示。

图1 凝汽设备组成

（1）凝汽器。凝汽器相当于换热器，它是将汽轮机低压缸排出来的乏汽凝结为水，使凝汽器内部建立起真空，收集凝结水并除氧。根据传热方式不同，凝汽器可分为混合式和表面式两大类。混合式凝汽器指的是蒸汽和冷却水直接混合，由于无法回收洁净的凝结水，这种凝汽器在实际电厂没有应用价值[1]。目前，火电厂使用较广泛的是表面式凝汽器。根据冷却介质的不同，将表面式凝汽器又分为空气冷却式凝汽器和水冷却式凝汽器两种。水冷却式占主要地位，空气冷却式凝汽器主要用在干旱和富煤缺水地区，如内蒙、宁夏、山西及陕西北部等地。

（2）循环水泵。循环水泵主要为离心式水泵，用来提供连续足量的冷却水，带走蒸汽的热量，使蒸汽快速凝结为水。在电厂中，要求循环水泵耗功控制在较小范围内，这样建立的真空叫做最佳真空。实际运行中的循环水泵可能有若干台，在定速循环泵中循环水量不能连续调节时，应通过调节试验确定蒸汽量及冷却水温度不同时的最佳运行真空值。

（3）抽气器。汽轮机的排汽进入凝汽器，由循环水泵来的冷却水被不断地送入凝汽器，使蒸汽冷却凝结成水。凝结水泵从凝汽器底部将凝结水抽出，送往锅炉作为锅炉给水。抽气器将不凝结的空气抽出，以维持凝汽器内真空。大型火电厂普遍采用的抽气器是容积式水环真空泵，结构如图2所示。

图2 容积式水环真空泵结构

容积式水环真空泵具有性能稳定、效率高、使用安全、操作可靠简便、自动化程度较高以及检修工作量小等优点，广泛应用在300～600 MW大型汽轮机的凝汽设备上。根据吸、排气方式不同，分为径向吸排气和轴向吸排气两种。目前采用较多的是轴向吸排气水环式真空泵[2]，工作原理如图3所示。

图3 轴向吸排气水环式真空泵工作原理

如图3所示，叶轮与泵体呈偏心位置，泵体内充有适量的工作水，叶轮旋转，将工作水甩向四周，则泵体内表面与叶轮之间形成旋转的水环，水环内表面与叶轮轮毂表面之间形成类似月牙形的工作空腔，叶轮上的叶片又将工作腔分成几个互不相通、大小不等的封闭容积。在叶轮的旋转前半转（即吸入侧），封闭容积逐渐增大，气体被吸入。在叶轮的后半转（即排出侧），封闭容积逐渐减小，气体被压缩，压力升高，从排气窗口排出，由此完成一次抽气过程。水环式真空泵工作时会带出来一小部分工作水，为了保证泵内水环的稳定，必须从外部连续地向泵内补充温度在正常范围内的水，因为水温升高将会使水环式真空泵的抽吸能力下降。

在凝汽器内，蒸汽和凝结水是气、液两相共存的，蒸汽压力是其凝结温度所对应的饱和压力。在正常条件下，冷却水温度不高，则蒸汽凝结温度也不高，一般为30 ℃左右。30 ℃蒸汽凝结温度所对应的饱和压力为4～5 kPa，大大低于大气压力，从而建立起高度的真空。

（4）凝结水泵。凝结水泵也为离心式水泵[3]，它是将凝汽器内蒸汽凝结的水输送往水的精处理装置进行水处理，使其最终作为锅炉给水的一部分。

1.2.2 系统启动

（1）启动前的检查与准备工作。确认真空泵检修完毕，送电正常，仪表、阀门以及控制电源正常，所有电动阀、气动阀电源与气源已送，热交换器的冷却水系统正常并投入，汽水分离器水位正常，温度正常，自动补水可靠，最后检查并关闭凝汽器真空破坏阀[4]。

（2）真空泵的启动。打开凝汽器至真空泵进口管道上的各阀门，启动真空泵，检查泵入口阀门自动开启，检查泵电流、声音以及振动正常，分离器水位稳定，凝汽器真空上升。

1.2.3 凝汽器的运行和维护

凝汽器运行的好坏直接影响汽轮机组运行的经济性和安全性。运行中对凝汽器的要求是能保证达到最有利真空、减少凝结水的过冷度及保证凝结水的水质合格。

（1）凝汽器真空的监视。由于凝汽器压力低于大气压力，其表压力必然为负值。国产引进性亚临界600 MW汽轮机真空下降1%，热耗将增加0.05%。凝汽器真空的影响因素主要有冷却水进口温度tw1、冷却水温升△t以及凝汽器端差δt等。

（2）凝结水过冷度的监视。过冷度是指凝结水温度与凝汽器压力所对应的饱和温度之差。实际运行中出现凝结水过冷现象的主要原因有两方面，一是自身特性局限或设计问题，如蒸汽分压力低、存在凝结水膜、汽阻以及管束排列不当等。二是运行控制不当，如凝汽器水位过高，凝汽器内积存空气。

（3）系统严密性监视。当有空气从设备不严密处漏入，虽然可能很少，但危害很大，可能会导致凝汽器真空降低、传热端差增大以及凝结水过冷度和含氧量增大。为此，必须监视其严密性，要定期做严密性试验。在电厂运行中，系统严密性试验的操作票如图4所示。

图4 严密性试验操作票

1.2.4 抽真空操作

凝汽设备的真空要维持在正常运行时，其值要求在-96～-97 kPa，从以下两方面进行调节。一是监视凝汽器出口阀在开启状态，如图5所示。若高低压凝汽器出口阀都在断开状态，凝结水不能流出，将使凝汽器水位过高，不利于蒸汽凝结为水。二是两台水环式真空泵在运行状态，另一台备用。若运行中其中一台突然出现故障或者两台水环泵后的贮水器水位过高要迅速联启第三台。

图5 汽轮机抽真空系统图

1.3 实训课程重点及难点

重点包括凝汽设备的抽真空、抽气设备的作用及原理、凝汽系统仿真操作流程以及系统图纸绘制。难点包括凝汽器真空形成的原理与影响因素和凝汽器抽真空仿真操作。

2 教学设计

2.1 任务分配

凝汽设备是现代发电厂最常用的凝汽式汽轮机的重要辅助设备，在电厂热力循环中起着重要的作用。凝汽设备这一部分内容分为凝汽设备工作任务、抽气设备、凝汽器的运行维护、凝汽设备抽真空仿真系统图讲解及系统图绘制说明5大任务。

2.2 设计主线

本系统主要围绕抽真空操作及参数控制进行教学设计，凝汽设备将蒸汽凝结为水的同时建立起内部真空，抽气设备通过启动抽气器和主抽气器建立并维持真空。

2.3 教学方法

针对实训课程贴合企业运行实际工作岗位需求，本系统制定了实例引入法、模型观察法、系统图讲解法、图纸绘制任务引导法以及系统图修正完善任务评价法等多种教学方法，具体如下所述。

2.3.1 实例引入法

通过讲解凝汽设备真空对机组热经济性的影响，使学生深刻意识到真空的意义。举例如下，对于东方汽轮机厂N300-16.67/538/538机组，设计煤耗为330 g/（kW·h），排汽压力升高1 kPa使煤耗增加3.3 g/（kW·h），年平均运行小时按6 000 h计算，每年多耗煤6 000×300×3.3×103/106=5 940 t，按450元/t计算，共消耗2.673×106元）。

2.3.2 模型观察法

目前，我校模型室有两间，凝汽设备主要集中在模型室1，通过拆装凝汽器、抽气器以及水泵等模型加深印象，了解内部结构。模型拆解如图6所示。

图6 凝汽器模型拆解

2.3.3 系统图讲解法

通过上述模型观察，学生对凝汽器等设备的结构外形有了一定的认知，在此基础上通过系统图（图5）管线布置，从凝汽器经由各个阀门到达抽气器，建立起真空系统的讲解，其中也包括了管线和阀门的认识及开启闭合状态要求的讲解及电厂标识系统的认识，使学生对系统图有了全面的认识，再进行如下实训任务布置。

2.3.4 图纸绘制任务引导法

通过上述3种教学方法的应用，学生已经理解了凝汽设备抽真空系统的学习内容及实际电厂中运行操作，然后将学生进行分组，由小组成员根据自己的理解统一绘制系统图，要求用彩铅绘制不同类型的管线，如循环水管道用绿色细实线绘制，抽空气管道用紫色双线（细实线和虚线上下布置）绘制等[5]。

2.3.5 图纸修正完善任务评价法

根据学生绘制的系统图进行小组间点评，并初步修改和完善每个小组成员的绘制图，然后由教师检查和评价，待学生全部修改完毕，每个小组派1名代表进行系统图绘制的步骤讲解，老师补充和总结并进行打分，将成绩好的小组图纸进行全班传阅学习。

运用上述教学方法系统地完成了本系统图的实训课程学习，并在本课程其他系统图的讲解中进行实施，进一步优化教学设计。

3 结 论

本文以《电厂系统图绘制》实训课程中的凝汽设备抽真空系统为例，进行了教学设计，从火电厂凝汽设备抽真空设备的组成及原理进行说明，阐释了具体的教学活动环节及设计要点，融入了实训教学，贴合企业实际运行工作的理念，为本实训课程其他系统图的教学提供了新的思路。