凝汽器真空影响因素分析

胡庆伟

中核核电运行管理有限公司运行四处 浙江海盐 314300

1 凝汽器真空系统的简述

1.1 真空的建立

凝汽器真空的初始建立，通过真空泵将凝汽器中的不凝结气体抽走，初始建立真空的快慢就由真空泵的容量以及真空系统的严密情况来决定。抽真空条件：1、盘车启动；2、轴封投入；3、一台CRF泵启动。真空的维持：若机组已经冲转，汽轮机排汽进入凝汽器中，循环水系统（CRF）向凝汽器提供冷却水，使蒸汽能够迅速凝结成水，体积缩小约3000倍，蒸汽冷凝空间就形成了高度真空。由于冷却介质不断地将进入凝汽器中排气的热量带走，凝结过程持续进行，凝汽器中的真空稳定。简而言之，凝汽器中的真空是由排汽凝结成水和真空泵不断抽取不凝气体形成的。真空水平的高低受冷却介质的温度、流量、机组排气汽量、凝汽器传热情况、真空系统的严密性、抽真空效率、机组的负荷等情况的影响[1]。

1.2 不凝结气体对真空的影响

在理想的工况下，机组排气全部为可凝结的蒸汽，真空系统是绝对严密的，只要进入凝汽器的冷却介质不中断，则凝汽器中的真空即可维持在一定水平上。但实际上汽轮机组排气中总会有一些不可凝结的气体；处于高度真空状态下的凝汽器及其它部件也是不可能完全密封，空气会通过不严密的系统部位漏入到真空系统中来。不凝气体的存在，会给凝汽器的真空、经济运行带来不利的影响，具体表现为：

（1）影响凝汽器的传热工况，使凝汽器端差增大，机组的热效率降低。

（2）有空气分压力的存在，而蒸汽按自身分压力凝结，使凝结水产生过冷度。

（3）空气的存在降低了凝汽器的除氧效果，凝结水中溶解氧的存在，造成凝结水系统设备与管道的氧腐蚀，影响机组安全稳定运行。

（4）空气存在会降低凝汽器的真空。

显而易见，不凝气体如果不能及时排出，逐渐积累，最终将使凝汽器的真空严重恶化，影响机组的安全、经济运行。通过抽真空系统的真空泵将不凝结气体抽到凝汽器系统外。使凝汽器中不可凝结气体的含量维持在尽可能少的水平上。当真空系统中产气量与抽气量相平衡后，系统中的真空维持在冷却介质温度所决定的水平上。综上所述，凝汽器中真空的维持，一是靠冷却介质不间断地将排汽的热量带走，使蒸汽的凝结过程能不间断地进行；二是靠真空泵将不凝结气体不间断地抽出，使不凝气体不至于在凝汽器中积累而造成真空的恶化[2]。

2 影响凝汽器真空的因素及分析

2.1 真空系统的严密性

由于空气不易凝结，且是热的不良导体，凝汽器漏入空气会使凝汽器换热效率降低，机组做功能力下降，从而影响机组的经济性。导致凝汽器漏入空气的根本原因：凝汽器内存在较大的负压，空气容易通过系统中密封性较差的环节漏入其中。而系统中密封性较薄弱的环节包括以下四个方面：①低压缸与凝汽器连接处不严密；②低压缸爆破膜泄漏；③凝汽器边界阀门密封不严或在线不正确。④汽机轴封系统（CET）运行异常。

其中，轴封系统运行异常的故障值得关注。轴封供汽压力过低，容易造成空气漏入，导致真空降低；供汽压力过高，蒸汽泄漏，可能导致低压缸爆破膜破裂，造成真空破坏。因此，维持汽机轴封系统适当的压力，对于凝汽器真空存在重要意义。

2.2 热力学原因导致的凝汽器真空恶化

2.2.1 循环冷却水的影响

循环水作为汽轮机低压缸排汽的冷却介质，其流量和温度对凝汽器真空的影响是举足轻重的。

作为换热系数的主导因素，冷却水流量对于凝汽器真空的影响是决定性的，在夏季高温期表现得尤为突出；要维持凝汽器真空处于理想的范围，首先必须保证足够的冷却水量。冷却水流量下降将导致凝汽器水温上升，真空降低。而循环水系统侧排气不充分、海水低潮位以及大浪天气、鼓形滤网运行故障及常规岛二次滤网故障、凝汽器内钛管堵塞都会造成其流量下降。

作为凝汽器中传热的边界条件之一，冷却水初始温度直接影响凝结水温度进而影响真空。在冷却水流量一定的情况下，随着冷却水初始温度升高，凝结水温度亦随之升高，凝汽器的真空相应降低，因此冷却水初温对凝汽器真空有较大影响。通过图1和图2的对比可以看出，在冬季和夏季不同的冷却水初始温度下，凝汽器真空表现出明显的差异。但由于秦山第二核电厂CRF系统设计为直接从海水吸水的方式供给冷却水，要调节冷却水初始温度比较困难，所以目前秦山第二核电四台机组的输出功率是季节性波动的。

图1 冬季凝汽器真空趋势

图2 夏季凝汽器真空趋势

为了能使凝汽器真空在不同季节时均能维持在最佳值附近，夏季时秦山第二核电厂一般采用两台真空泵同时运行，以提高冷却水流量的方式来维持真空。

2.2.2 闭式冷却水的影响

由于设计方面的不合理，秦二厂抽真空泵密封水冷却器的冷却来水是从SEN/SRI板式热交换器B与C之间的母管引出的，所以当只有板式热交换器C处于正冲的时候，经过了海水冷却的闭式冷却水未流经真空泵。

根据《秦二厂3/4号机组凝结水溶解氧周期性波动原因分析报告》，当只有板式热交换器C处于正冲时，CVI冷却水得不到充分冷却，温度升高汽化，真空泵抽气能力下降，凝汽器真空恶化，同时导致凝汽器内溶解氧异常上升。该问题在秦二厂四台机组中曾多次发生，在只有板式热交换器C正冲工况下应重点关注。

2.2.3 常规岛热力负荷的影响

当冷却水流量和清洁系数均为设计值，冷却水初温一定时，凝汽器热负荷的变化对真空的影响也较大，尤其是在冷却水初温比较高时更是如此。导致凝汽器热负荷变化的因素很多，如机组主汽门前、主调阀前疏水，低加疏水以及抽汽逆止阀等多处疏水，高压疏水扩容器均接入凝汽器，增加了凝汽器额外热负荷，影响了机组真空。所以机组稳定运行时必须尽量降低凝汽器所承受的额外热负荷。

2.2.4 凝汽器水位的影响

凝汽器水位过高，减小汽轮机低压缸排汽空间，减小换热面积，从而使低压缸排汽温度升高，凝汽器真空降低。另外，凝汽器水位过高，还会造成凝结水过冷，降低机组的经济性。凝汽器水位过低，会影响凝结水泵的安全运行，因此，凝汽器要保持一定的水位，过高或过低都是不行的[3]。

2.3 设备原因导致的真空恶化

2.3.1 真空泵故障的影响

水环式真空泵作为CVI系统的主要设备，其运行性能的好坏直接影响凝汽器真空。根据近两年的运行经验，真空泵出现过以下故障：

（1）汽水分离器液位异常。由于补水电磁阀故障会导致汽水分离器液位过高或过低。过高会使真空泵过负荷跳泵。过低则无法形成水环，真空泵将无法正常工作，从而导致机组真空下降，影响机组的稳定运行。

（2）叶轮汽蚀。当真空泵水环中的水温高于其入口压力下的饱和温度时，水环内的低压区容易汽化，造成真空泵叶轮汽蚀。叶轮的汽蚀降低了真空泵的机械性能，造成真空降低。

2.3.2 凝汽器清洁度的影响

冷却管水侧的脏污是凝汽器真空恶化的一个重要原因。凝汽器的清洁系数大小直接反映了凝汽器钛管的脏污程度和水侧传热性能，清洁系数减小，会使凝汽器的传热系数变小，加大了冷却水与水管的温差，传热端差增大，凝结水温度升高，真空降低。运行时水质差或水中污垢等引起钛管内表面积垢或脏污，会导致凝汽器清洁系数下降。如果冷却水管及其管板被水中杂物堵塞，还会造成凝汽器冷却水量不足，其表现为冷却水温度的升高，增加端差，影响真空。

此外，凝汽器钛管的脏污会加剧管道腐蚀，甚至穿孔。当凝汽器钛管发生穿孔时，需要将破坏的钛管封堵，减小了冷却水流量，降低凝汽器真空。

3 真空变化的应对措施

3.1 真空降低

真空降低会导致汽机排汽压力、温度升高，蒸汽在机内的可用焓降减少，机组效率下降，机组出力减少；要维持负荷不变，调门开大，蒸汽流量增加，会导致汽轮机轴向推力增大，温度的变化还会使汽缸及轴承座等部件受热膨胀引起机组中心偏移，危及汽机安全。

3.1.1 真空降低的现象

主要有以下几种现象：

（1）凝汽器真空下降，排汽温度升高。

（2）机组负荷降低或带同样负荷时主蒸汽流量增大。

（3）凝汽器水位升高。

（4）循环水泵、凝结水泵、抽气设备、循环水冷却设备等工作出现异常。

3.1.2 真空降低时应对办法

视凝汽器真空是急剧下降还是缓慢下降，根据造成的原因不同而采取不同的处理方法，要根据凝汽器真空值的下降数，依照运行规程的规定降低机组负荷。减负荷过程中，若故障暂时无法处理，凝汽器真空值降到允许最低值时仍继续下降，则需停机处理。常规方法如下：

（1）发现真空下降时，应迅速核对真空表指示，核对凝汽器排汽温度，只有在真空下降同时，排汽温度相应上升的情况下，才属于真空真正下降；

（2）真空下降时，运行人员应迅速查明原因，检查备用真空泵自启动，否则手动启动；

（3）因循环水系统引起真空下降时应按如下处理：①循环水压力是否正常，若循环水压力低，应检查循环水管线是否有泄漏堵塞；②检查凝汽器水位是否正常，若凝结水温度下降，真空下降，则为水位升高，此时应设法恢复水位；③检查循泵运行是否正常，若循泵跳闸引起真空下降，则立即降低发电机有功到450MW，确保凝汽器真空正常，若两台循泵跳闸立即打闸汽机，按循环水中断处理。

（4）检查轴封系统：①轴封母管压力是否正常，若压力低应检查主汽、辅汽到轴封汽源是否正常，溢流阀是否正常，因某种原因造成轴封供汽中断，凝汽器真空急速下降，应立即打闸汽机，如真空下降缓慢，设法恢复轴封供汽，否则减负荷停机，轴封供汽失去时应注意监视汽机差胀，不得超过规定限值，否则应立即停机。②若轴加风机故障，启动备用风机，检查轴加U型水封是否失去，若两台轴加风机均故障且短时间内不能恢复，应打闸汽机。检查真空泵运行状况是否正常，运行泵跳闸后，确认备用泵自启动，否则手动启动。

（5）检查真空破坏阀是否误开，若是则立即关闭。具体检查办法：用手放到真空破坏阀的阀口处，感觉在吸气，说明阀门有漏，说明一点，电动真空破坏阀未全关时会触发主控的CVI001AA。

（6）在真空下降过程中，密切监视低压缸排汽温度，当低压缸排汽温度上升到80℃时，开启低压缸喷淋装置，若低压缸排汽温度升到120℃，则手动停机。

（7）CVI备用泵启动定值的修改建议：

按照原有设计，CVI备用泵的启动定值为泵入口真空低14Kpa（031SP、041SP、051SP）和凝汽器本体真空低18Kpa（003SP/013SP/023SP）。根据近两年三四号机组夏季凝汽器真空度趋势可知（夏季是一年当中真空的最低点），凝汽器真空最低值为8Kpa左右，且持续时间极短；一般情况下均能维持在5Kpa左右。但是，目前3、4号机组的三个压力开关031SP、041SP、051SP频繁动作，导致备用真空泵自动启动（以四号机为例，1次/8小时）。经维修分析，原因为3个压力开关取压口过于靠近真空泵入口逆止阀，一旦逆止阀有少许泄露，即会导致压力开关动作，所以通过技改将三个压力开关移至每台抽真空泵的手动阀之前（如下图四，技改现场还没有实施）。

对比秦山二期一二号机组相关参数，021SP、031SP、041SP最初的设计定值为11Kpa，因为当时一二号机组真空在夏季工况运行时维持在9Kpa左右，与备用泵启动定值非常接近，真空泵运行时稍稍波动就可导致备用真空泵自动启动。对于这种情况，在主控操纵员会采用手动停运备用真空泵并再次将其置备用位置的方式予以干预。但由于压力开关回差为3Kpa左右，暂时不会复位，且备用真空泵的自动启动是依靠脉冲触发的，因此，在上述干预下，备用真空泵失去真空低自动启动功能。为了规避上述缺陷，一二号机组将其定值修改为14Kpa，一定程度上解决了该问题，但降低了对于凝汽器真空度的要求，这也是三四号机组备用泵启动定值的来源。

由于三四号机组的凝汽器真空度大大优于一二号机组，完全符合一二号机组备用泵定值初始设计的要求，所以在此建议，待技改结束后可参照以前的设计资料，将真空泵入口压力低定值重新修改为11Kpa。定值降低为11Kpa存在以下两个优点：①及早报警，及早发现异常。②及早启动备用泵，争取了故障处理时间，可以提高机组可用性

目前，凝汽器故障、凝汽器真空低3触发汽轮机跳机两路信号均采用凝汽器真空低于22.5Kpa作为整定值。但由于凝汽器本体真空低启动备用泵的定值（真空低于18Kpa）与22.5Kpa过于接近，极易触发汽轮机跳机。为此，将凝汽器本体真空低启动备用泵的定值（18Kpa）适当提高，以便在凝汽器真空恶化的情况下及时启动备用泵，提高凝汽器真空，避免汽轮机因真空过低导致的停机。

（8）因真空系统管道或设备损坏而造成真空下降，除按正常处理外，应立即隔离故障部分设备，隔离无效，但能维持汽机一定真空时，应汇报有关领导后处理，真空不能维持应按故障停机处理。

3.1.3 真空降低的预防措施

（1）提高凝汽器严密性，凝汽器漏入空气的点很多，首先我们应该判断机组当前的状态，如果是机组刚刚启动，则应重新检查系统在线，是否有真空系统的疏水阀没有关闭；检查时，以下地方应该着重检查：阀门阀杆、法兰连接处、水位计接头以及密封性较差的连接部件；如果是在机组长期稳定运行中发现真空异常下降，则应检查近期机组有关操作是否会影响真空系统的严密性；机组的瞬态等原因造成波动较大也会令真空系统的一些薄弱环节（如焊接部位）产生裂缝，不易发现。此外加强日常监控，定期检查相关设备的状态，做到防患于未然才是最重要的。

（2）对于秦二厂SRI系统，夏季尽量不安排板式热交换器C正冲运行或技改送往CVI系统的SRI冷却水母管移位，降低真空泵密封水温度，防止真空泵密封水汽化和叶片汽蚀。

（3）提高循环水泵效率，在夏季高温期间可以考虑循环水泵的高速运行，我厂的循环水泵具有低速和高速两种运行模式，但考虑能耗、设备稳定性等方面原因，我厂一年四季均采用低速运行方式；

（4）保证抽汽系统、轴封系统稳定运行。

3.2 真空过高

真空过高会使汽轮机排气损失增大，使末级叶片过负荷和湿度增大，加速叶片水蚀。

真空过高时的应对办法：

（1）选取GPV110/113/213/313VK打开部分小开度，让其抽入空气，相当于破坏真空，由于对汽轮机末级叶片影响不明，保守决策这个方法我们机组只是在2012年冬季用过，据了解，秦山三期两台机组每年冬季时都会采用这个方法来适当的降低真空度，但这个办法应谨慎使用，防止真空突变，现操应明确开启阀门的位置，待真空出现异常时可准确及时干预；

（2）对运行的抽真空泵的SRI水进行截流，减少抽真空泵的SRI水流量，就能降低其效率（相当于冷却水升温），相应的也能降低真空度。

（3）将运行中的抽真空泵入口手动隔离阀开度关小，减少其抽气量，但是该方法在实际运行中并没有前两种方法效果好，其对真空的影响力有限，所以很少使用该方法。

4 结语

影响凝汽器真空度因素较多，汽轮机凝汽器真空高低关系着汽轮发电机组安全稳定运行，因此功率运行期间运行人员必须加强对真空度的监视，了解影响真空的因素和原理，掌握设备和系统特性，保证凝汽器真空系统的稳定运行，使凝汽器在最佳真空状态下运行。

本文根据电厂工作实践，分析了影响凝汽器真空因素，针对性提出对应解决措施。各个因素相互影响，处理真空异常必须根据现场的实际情况，综合判断，采取相应的措施，不断总结，解决生产实际问题。