淺析污垢對凝汽器及汽輪機組熱力性能的影響

張有瑞/北方聯合電力有限責任公司烏海熱電廠

淺析污垢對凝汽器及汽輪機組熱力性能的影響

張有瑞/北方聯合電力有限責任公司烏海熱電廠

污垢是一種非常普遍的現象，90%以上的電廠凝汽器都存在著不同程度的污垢問題。由于污垢的存在，導致了投資增加、能源消費和損失增大、凝汽器維護清洗費用增加以及汽輪機組效率降低。因此，研究污垢對凝汽器及汽輪機組熱力性能的影響是有必要的。

污垢；凝汽器；熱力性能

一、引言

電站凝汽器是火電廠汽輪機發電機組的重要組成部分，其工作性能的好壞對整個機組的運行安全性與經濟性有重大的影響。而大多數的凝汽器都存在著不同程度的污垢問題，污垢嚴重影響了凝汽器傳熱性能和汽輪機組功率，因此有必要詳細、定量地了解污垢對凝汽器換熱性能和汽輪機組性能的影響。

二、不同厚度污垢下凝汽器性能曲線

針對污垢厚度在0～0.2mm范圍內6種不同情況，本文計算了凝汽器出口壓力為3300～4300Pa的一系列的情況，對每一厚度污垢僅選取其中的5或6種工作壓力下的結算結果，將結果中相關數據提取繪制出凝汽器性能曲線圖，如下圖所示：

在同樣厚度污垢的情況下，以污垢厚度為0.12mm的情況為例。可以看出，凝汽器出口壓力越大其出口流量越小，而且變小的趨勢也逐漸變緩。同時，由于出口壓力增大，凝汽器殼側各處的壓力也隨之增大，蒸汽與冷卻水的換熱得到加強，蒸汽能夠更好的凝結。因此，隨著出口壓力的增加，凝汽器殼側的背壓、出口的空氣濃度逐漸增大，空氣占未凝結汽體的份額也越來越大，出口的未凝結汽體的流量逐漸減小。從圖中可以直觀看出，出口壓力為4000Pa時出口流量的減小已經趨于平緩。這是由于當出口壓力增大到一定程度后，蒸汽已經凝結了99.99%以上，即使殼側的壓力升高，蒸汽的凝結已經接近了最大程度，出口的空氣濃度也達到一個相對穩定的水平，所以出口的未凝結汽體的流量也趨于平穩。同時，隨著厚度有規律的增加，凝汽器出口的流量也呈現出一定規律的變大。對于同一出口壓力，污垢厚度增加，凝汽器總換熱系數降低，出口空氣濃度也隨之降低，出口流量增加，凝汽器的背壓逐漸增大。

三、凝汽器與抽氣器性能匹配

汽輪機在啟動沖轉前，需要在汽輪機的汽缸內和凝汽器中建立一定的真空度，在正常運行時也需要維持凝汽器中的真空度，使得機組具有較高的熱效率，所以大多數的汽輪機組都采用抽氣器，源源不斷的抽出凝汽器內不凝性氣體和少量的未凝結蒸汽，使凝汽器內壓力維持在較低的水平。不同型號的汽輪機組配備的抽氣器性型號也不盡相同，而抽氣器型號的確定，主要根據凝汽器和抽氣器性能的匹配。在實際工程中，我們關心的是凝汽器在不同運行情況下的傳熱端差、換熱系數、背壓等參數的分布。因此，首先應確定凝汽器在不同運行情況下的工作狀態點。為求得實際工作狀態點，將數值計算中抽氣口剩余混合物流量與抽氣器性能進行匹配，從真空泵和抽氣器性能曲線上得出凝汽器的工作狀態點。

本文計算選擇300MW汽輪機組，配備的抽氣器為2BE1-353-OEY4型水環真空泵。通過計算可知：抽出的空氣量越大，則吸入室壓力越高。因此，如果抽氣口剩余的汽氣混合物流量越大，將其全部抽走所需抽氣口壓力就越高；反之，若抽氣口剩余汽氣混合物流量越小，則抽氣口壓力就越低，凝汽器就可維持較高的真空，所以凝汽器入口工作壓力收抽氣口剩余混合物流量和抽氣器特性影響。

將凝汽器與抽氣器作性能匹配后，找到凝汽器在不同厚度污垢情況下的工作狀態點，經過計算得出，當冷卻管內的污垢0.08mm時，凝汽器的清潔系數僅為0.8左右。當污垢厚度繼續增加到0.2mm，此時凝汽器的清潔系數僅為0.6，嚴重影響了凝汽器的換熱效果。由于污垢的導熱系數比較小，在凝汽器換熱管內形成甚至很薄的污垢都對其換熱有著顯著影響，如果凝汽器你清洗系統運行不正常，換熱管內的污垢厚度達到0.1mm的情況是比較容易出現，這時凝汽器的清潔系數只有0.7左右，一般凝汽器按HEI標準設計的清潔系數選用0.85，污垢厚度達到0.1mm時的清潔系數遠低于HEI標準設計工況。凝汽器冷卻管表面污臟、結垢，將使冷卻水通流面積減小，水流阻力增大，冷卻水量減少，在一定的蒸汽負荷下，冷卻水溫升將超過正常值，致使傳熱端差增大。污垢厚度每增加0.04mm，傳熱端差增加0.75℃左右。污垢的存在會極大地增加凝汽器總的熱阻，導致凝汽器總的換熱系數降低以及蒸汽與冷卻水的換熱不良。同時，隨著污垢厚度每增加0.04mm，凝汽器的背壓增大200Pa左右。凝汽器背壓的不斷提高，壓降的不斷增大，換熱系數不斷降低，使循環冷卻水吸熱不良，減緩了蒸汽的凝結速度，導致凝汽器入口蒸汽壓力升高，蒸汽溫度隨之升高。而蒸汽溫度的升高又導致有更多的熱量需要冷卻水帶走，使循環冷卻水溫度升得很快。冷卻水溫度升高后又進一步惡化真空，影響機組出力，降低機組熱效率，形成惡性循環。

四、污垢對汽輪機組熱力性能影響

由于冷卻管結垢會導致凝汽器背壓的變化，而凝汽器背壓的變化會影響汽輪機的輸出功率變化，即冷卻管水側結垢會影響汽輪機的運行性能。

1.汽機背壓變化的影響因素。汽輪機在設計工況下運行效率最高。但是，在實際運行過程中，由于各種因素的影響，從鍋爐來的蒸汽參數、外界符合和機組轉速等會偏離設計值，此時汽輪機的進汽流量或級組通過的蒸汽流量發生變動，機組的各抽汽參數和熱系統的有關參數發生變化，汽輪機背壓也會隨之發生變化。當排汽缸和凝汽器喉部的阻力損失可以忽略時，可認為凝汽器壓力等于汽輪機背壓。因此，在實際運行中，可認為由凝汽器壓力改變對汽輪機組功率的影響等同于汽輪機背壓改變對汽輪機組功率的影響。

對于同一臺機組，當蒸汽流量、冷卻水流量、空氣濃度等參數一定時，冷卻管水側污垢厚度不斷增加，使得凝汽器換熱系數不斷減小，減緩了蒸汽的凝結速度，導致凝汽器入口蒸汽壓力升高。污垢作為影響凝汽器背壓變化的重要因素之一，也間接的影響了汽輪機排汽壓力，使其偏離其額定值。

2.汽輪機背壓對機組微增出力的影響。汽輪機排汽壓力變化引起機組功率的變化，主要與汽輪機末級的工況有關。在流量不變的情況下，汽輪機的背壓升高，整個機組的理想比焓降減小，末級的余速損失發生變化，汽輪機組的最后幾級內效率改變，導致汽輪機組微增出力改變。同時，汽輪機背壓的升高會引起凝結水溫度的相應升高，從而使末級回熱抽汽量也發生改變，同樣會引起汽輪機組的內功率發生變化。汽輪機輸出功率與排汽壓力間的關系，可以由下式描述：Pf=f（p0,t0,D0,Pk），式中p0為主蒸汽壓力；t0為主蒸汽溫度；D0為主蒸汽流量；Pk為汽輪機的排氣壓力。

目前，汽輪機組功率增量的計算可以通過四種方法得到：一是通過對汽輪機末級進行變工況計算，得到背壓變化和功率變化之間的關系；二是通過運用已被實驗證實的弗留格爾公式對機組進行逐級變工況計算，從而得到背壓變化和功率變化之間的關系；三是通過現場試驗，得到汽輪機低壓缸不同排汽壓力對汽輪機出力影響的特性曲線；四是根據汽輪機制造廠繪制的低壓缸排汽壓力對功率修正曲線，通過曲線擬合得到。

3.污垢對機組微增出力的影響。由于汽輪機排汽壓力的變化對機組的功率及熱經濟性影響很大，而冷卻管結垢會又會導致汽輪機排氣壓力的變化。因此，研究冷卻管在不同厚度污垢時對機組微增功率的影響是一項重要的工作。在上述的求解汽輪機背壓對機組微增出力的影響的四種方法中，方法三所得曲線最為符合機組實際情況；方法二在理論上有較高精確度，但所需供貨商提供設計參數較多，且計算較復雜；方法一由于假設蒸汽為理想氣體，誤差較大，但在工程允許范圍內，要使誤差減小，可使用方法二擬合出來的修正系數進行修正；方法四計算方法同方法二。對于大型凝汽式汽輪機，汽輪機的供貨商出于對知識產權的保護，所提供技術文件往往缺乏末級葉片的出汽面積及出汽角度數據，因此無法進行末級熱力工況校核計算。但對于通流部分未進行改造的機組，可以根據供貨商繪制的低壓缸排汽壓力對功率修正曲線來確定背壓變化對機組功率的影響。

通過相關數據表明，污垢厚度每增加0.04mm，凝汽器背壓增加200Pa左右，而汽輪機功率降低150K W～200K W左右。冷卻管水側污垢對汽輪機功率影響還是比較大的，因此利用定期清洗等一系列的防垢、抑垢和除垢措施，減輕污垢的影響，從而提高凝汽器和汽輪機的工作性能是很有必要的。

[1]江寧、曹祖慶：影響汽輪機凝汽器真空主要因素作用分析[J]，熱力透平，2007.

[2]劉金平、劉雪峰等：凝汽器冷卻水污垢熱阻的研究[J]，中國電機工程學報，2005.