調峰運行方式下機組真空嚴密性評價方法的探討

安 欣，郭志海，劉麗春，楊 濤，崔光明

（1.西安熱工研究院有限責任公司，西安 710032；2.華能海南東方電廠，海南 東方 572600）

火電濕冷機組的真空嚴密性是指負壓系統即凝汽器汽側、真空泵抽空氣系統、其他負壓部位以及與負壓系統相連的各熱工測點以及管道閥門的嚴密程度，通常以停運真空泵后的凝汽器真空單位時間的下降速率來表征。機組真空嚴密程度反映了漏入凝汽器及真空系統的空氣流量大小，伴隨著大量空氣漏入凝汽器，凝結水過冷度和含氧量會急劇增加，凝結水至除氧器沿途管道的腐蝕也會加劇。凝結水過冷度每偏大1℃，對于一臺600MW機組在30年的機組壽命期內造成的損失可達上千萬元人民幣［1］；文獻［2］中提及當真空下降速率降低0.1kPa／min，其背壓降低約0.1 kPa。而背壓每降低1kPa，對于一臺600MW機組供電煤耗會降低約2g／kWh。因此，科學、準確地評價機組的真空嚴密性，對于火電濕冷機組的經濟性和安全性有著重大的意義。

1 真空嚴密性標準評價方法

汽輪機真空系統在實際運行中要達到完全嚴密是不現實的，但是可以實現一個動態的平衡，即真空系統內所出現的不凝結汽體均可以被抽氣裝置抽至系統外。從這個意義來講，可以允許凝汽器存在一定的漏量，因此真空嚴密性的評價準則就是要確定進入系統的空氣量。

1.1 用真空下降速率評價

當機組在某一個負荷點正常穩定運行時，此時可以認為進入凝汽器的蒸汽量和冷卻水溫度為恒值，即可以忽略凝汽器因換熱因素對真空產生的影響。當抽氣裝置切除后，真空下降速率與進入系統的空氣量呈現線性關系。這一點從某300MW國產機組的實際試驗中也得到了證實，如圖1所示。

圖1 漏入空氣量與真空下降率曲線

用真空下降速率評價真空系統的嚴密性，推薦由前蘇聯別兒曼提出的計算公式，應用的前提為機組帶80%以上額定負荷：

式中 ΔH——真空下降速率，Pa／min；dk——凝汽器的蒸汽負荷率，kg／m2·h；B——真空嚴密性的評價系數，優劣分別對應25、50或90（優對應25，劣對應90）；Dk——額定工況下凝汽器設計進氣量，t／h；Fk——額定工況下凝汽器冷卻面積，m2。

國內通用的評價方法為DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中提及的真空嚴密性試驗方法。該方法也為真空下降速率評價法，其主要依據式（1）及其邊界條件對國內機組進行了統計，最終確定出不同裝機容量機組的嚴密性要求，如表1所示。

表1 機組的真空嚴密性要求

1.2 用泄漏空氣量評價

真空嚴密性試驗的目的本質上表征的還是單位時間內空氣的泄漏量，由于各個機組的低壓缸結構和數量、凝汽器結構、真空閥不相同，因此全面精確地計算不同條件下漏空氣的量較為困難。漏空氣量的計算無論是前蘇聯的別兒曼估算公式還是美國傳熱學會推薦公式（式2），均是估算公式。前蘇聯的評價方法為先估算具體的漏空氣量，然后依據其《發電廠和電力網運行技術法規》標準中不同容量對應的漏空氣量進行評價優劣；美國傳熱學會雖未明確給出評價標準，但是在依據美國傳熱學會制訂的表面式凝汽器標準確定抽氣設備能力時考慮了漏空氣量的影響，確定抽氣設備（平衡狀態下抽氣等于漏氣）主要依據凝汽器進汽量、凝汽器殼體數和排汽口數目按照HEI標準查表確定。

2 調峰機組嚴密性的評價

2.1 調峰機組評價現狀

DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中規定，真空嚴密性試驗的要求是負荷必須大于80%額定負荷，沿用了前蘇聯別兒曼提出的真空下降速率評價法，但是國內火電機組日常調峰范圍基本處于50%～80%，無法達到真空嚴密性試驗所要求的工況。以國內某著名發電集團在全國16個省市區域隨機抽取的93臺大型火電機組2014年第一個季度的平均負荷率為樣本，29臺機組平均負荷率處于60%～70%，53臺機組平均負荷率處于70%～80%，僅有11臺機組平均負荷率大于80%，可見88.2%的機組實際運行在標準要求的工況之下，負壓系統的真空嚴密性并無適用于該負荷范圍的評價方法。

2.2 影響調峰機組評價的因素

影響調峰機組評價的因素應從真空形成的原因以及調峰機組的運行特性兩方面來綜合考慮。

2.2.1 換熱的影響

機組在正常運行中，凝汽器真空的形成是由于汽輪機排汽在凝汽器內驟然凝結成水時其比容急劇縮小而形成的。蒸汽在絕對壓力4kPa時的體積比水的體積大3萬倍，當排汽凝結成水后，體積就大為縮小，使凝汽器內形成高度真空。影響凝汽器換熱的因素較多，如凝汽器的設計換熱面積、凝汽器的玷污系數、膠球系統的投運狀態、冷卻塔的設計冷卻幅高、循環水泵的設計容量等。換熱系統所帶來的影響大多在設計之初就已經決定了，凝汽器的玷污系數在正常運行過程中（未進行清掃或者更換換熱管束）也可以認為是較為穩定的因素，因此換熱帶來的影響對于調峰機組日常評價真空嚴密性的影響是一個變化量很小的因素，換熱因素通常用凝汽器端差來評價。

2.2.2 進入空氣的影響

負壓系統進入的空氣量不僅指局部漏入的空氣，也包含凝汽器排汽中所含的不凝結氣體，兩者均會對真空系統的嚴密性造成影響。當含有空氣的汽、氣混和物遇到低于蒸汽分壓力所對應的飽和溫度時，緊靠換熱管束壁面的蒸汽分子開始凝結，并在冷壁面形成一層液膜。由于這部分蒸汽的凝結，使得靠近冷壁面附近的蒸汽分壓力減少，并且越靠近壁面處，減少得越多。根據道爾頓分壓定律，壁面各處混合物的總壓力不變，則越靠近壁面處空氣分壓力越大。因此靠近壁面處空氣的濃度比較大，形成一層空氣膜，遠離壁面處的蒸汽只有穿過空氣膜才能達到液膜表面處凝結，因此與純凈飽和蒸汽凝結換熱相比，含空氣的蒸汽凝結換熱的熱阻，除包括凝結液熱阻和相間熱阻外，還包括一項氣膜熱阻，而且氣膜熱阻往往是含空氣的蒸汽凝結換熱的主要熱阻。

2.2.3 容積變化的影響

容積變化所帶來的影響可以分為兩部分，首先是真空系統在設計時系統容積的大小所帶來的影響，其次是調峰機組運行過程中負壓系統容積變化帶來的影響。我國現階段所執行的標準對裝機容量大于或者小于100MW的機組在負荷大于80%額定負荷工況下的真空嚴密性進行了規定。隨著電力建設的迅速發展，300、600MW，以及1 000MW等級的機組在現役機組中的比重越來越大，而這些大型機組與100MW機組相比其真空系統的容積變化較大，不同容積的負壓系統真空嚴密性的要求不同。此外，由于調峰機組中約89%的機組平均負荷率低于80%額定負荷，因此實際運行中尤其是夜間低負荷時段負壓系統的容積與試驗工況（大于80%額定負荷）相比有所增大，也會對評價的標準產生影響。

2.2.4 真空泵容量的影響

DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中規定，在進行真空嚴密性試驗時應停運抽氣設備，抽氣裝置的容量對于真空嚴密性沒有影響，試驗所考核的是負壓系統的漏入空氣流量加上排氣所含不凝結氣體流量之和（稱之為進入空氣總流量），此時的試驗只是在機組靜態階段，即只進不抽的工況下得到的考核結果。真空嚴密性試驗考核的對象是整個負壓系統的嚴密程度，目的是為了保證凝汽器換熱效果達到設計要求，即負壓達到設計要求，使得機組經濟性得到保證。

機組在正常運行過程中，負壓系統中的空氣含量有增加（進入空氣總流量）同時也有減少（抽氣裝置的抽吸流量），是一個動態平衡的過程。將真空系統看做密閉的容器，假設所有的漏點都只從一個特定的漏點漏入，如果系統的進入空氣總流量低于真空泵的抽吸能力，那么可認為抽氣器可以將進入真空系統的空氣全部及時抽出，傳熱系數和凝汽器壓力基本保持不變，當抽氣器出力不足以將其全部抽出則引起凝汽器內空氣濃度的增加。從這個意義來說，某臺特定機組所配置真空泵在某工況點的實際出力決定了該系統在不影響經濟性的前提下，所允許的進入空氣總流量也即真空下降速率。

3 調峰機組評價方法的修正

調峰機組真空嚴密性考核標準的修正實際上是對不同工況下允許的進入空氣量進行修正，DL／T 1052—2007《節能技術監督導則》中對濕冷機組僅規定大于100MW機組其真空嚴密性試驗結果應不大于270Pa／min。考慮到我國電力建設現狀，以國產300MW兩缸兩排氣亞臨界機組在標準規定工況下真空嚴密性試驗合格所對應的進入空氣總量為基準值，對某臺350MW兩缸兩排氣的超臨界機組在60%額定負荷工況下的嚴密性合格標準進行修正。

3.1 定量修正

定量的修正即以不影響機組經濟性為前提，依據換熱的影響、不同設計容積、負荷變化（真空容積變化以及不凝結氣體變化）以及真空泵出力情況進行分析并進行修正。

3.1.1 換熱的影響

大部分機組的平均負荷率為60%～80%，當從80%以上額定負荷逐漸降負荷至調峰區域的過程中，循泵運行方式基本不變，即意味著冷卻水量維持不變并且熱負荷逐漸降低。根據大量工程實踐的經驗可知，在這個過程中通常真空會向好的方向變化，圖2為某電廠熱負荷、冷卻水以及真空的試驗數據曲線，當冷卻水流量一定時，若熱負荷降低則真空變好。在降負荷的過程中，換熱對真空形成有益，即對真空的消失不利，此處討論的是變工況過程中允許進入的空氣量，因此有益的影響因素可以忽略。

圖2 換熱對真空的影響曲線

3.1.2 設計容積修正

由文獻［4］試驗得到，當國產300MW 兩缸兩排汽機組真空嚴密性試驗結果為270Pa／min時，漏空氣量約為27.0kg／h，則350MW機組按照標準要求允許漏入的空氣量也為27.0kg／h。根據美國傳熱學會推薦的式（2）可知，漏空氣量與真空系統的設備容積和真空下降速率有關，當漏空氣量一定時，假定已知漏空氣量的300MW機組真空系統容積為V0，真空下降速率為ΔP0／Δt，而350MW機組的真空系統容積為V1=1 130m3，真空下降速率為ΔP1／Δt，則：

因此可得到，350MW機組在額定負荷時，標準要求的進入空氣總量對應的真空嚴密性結果（即ΔP1／Δt）為189Pa／min。

3.1.3 真空容積變化修正

機組在調峰過程中，負荷的變化會引起真空系統容積的變化，而隨著負荷的逐漸降低，部分低壓加熱器（主要為5號、6號）的對應抽汽管道、低加以及正常疏水管段均會逐漸由正壓變為負壓區域。以350MW為例，若60%額定負荷工況下加上正負壓轉變容積后的真空系統總容積為V2=1 200m3，則有

估算正負壓轉變的容積并代入式（4），可得該工況下同樣的進入空氣總量對應的真空下降速率（即ΔP2／Δt）為173.2Pa／min。

3.1.4 不凝結氣體修正

如要得到不凝結氣體的影響則需要將漏空氣對系統的作用排除掉。根據機組的熱力特性可知，負荷在80%以上時負壓系統的容積不變即漏點不變，當主再熱蒸汽及真空均在設計值時，在80%額定負荷與100%額定負荷分別進行真空嚴密性試驗（見表2），對應的進入空氣總量之差應包括兩部分：首先應為排汽中不凝結氣體的變化量；其次則為因真空變化引起的漏空氣量的不同。為了保證修正后數值更嚴格，此處的修正將進入空氣總量差值全部視為排氣不凝結氣體的變化量，對應即為真空下降速率之差96-84=12（Pa／min）。當機組為純凝工況時，汽輪機排汽中不凝結氣體與蒸汽流量（機組負荷）為線性關系，由此可得60%額定負荷時對應不凝結氣體的減少量將使得真空嚴密性合格標準降低24Pa／min，即ΔP3／Δt=（ΔP2／Δt）-24Pa／min=149.3（Pa／min）。

表2 真空嚴密性試驗相關數據

3.1.5 真空泵容量修正

350MW機組真空泵的配置為2×100%容量，設計工況下干空氣的抽吸能力為51kg／h，計算可得60%額定負荷工況下，機組全年的凝汽器平均真空為-92kPa，工作液平均溫度為30.8℃時抽吸能力（G4）為55kg／h。當負荷不變且換熱不變時，依據2.1處提及的試驗結果，可認為機組穩定在60%額定負荷時進入空氣總量G2和真空下降速率同樣滿足線性關系，可通過式（5）得到允許的最大真空下降速率（ΔP4／Δt）為304Pa／min。

式中G3，G4——DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統

運行維護導則》允許的進入空氣總量（即27.0kg／h）及60%額定負荷時真空泵干空氣抽吸能力；ΔP3／Δt，ΔP4／Δt——行 標 允 許 的 真 空 下 降 速 率（即ΔP3／Δt）及60%額定負荷時允許的最大真空下降速率。

經過上述幾個環節的分別修正，在不影響機組經濟性的前提下，最后得到了350MW機組在60%額定負荷下對應的真空嚴密性的合格標準為304Pa／min。

3.2 定性的修正

定性的修正即不考慮機組的具體工況，也不考慮影響真空嚴密性的具體因素，只依據當前真空系統的進入空氣總量是否對經濟性產生影響來判斷當前真空嚴密性是否合格。將真空系統看做一個大容器，該容器進入一定量的不凝結氣體，同時抽吸設備也會將一定量的不凝結氣體抽出。當系統的進入空氣總量超過了抽吸設備的當前抽吸能力時，增加抽吸設備的出力（開啟另外一臺真空泵）必然會引起機組真空的變化，具體變化的大小則取決于系統的進入空氣總量超過抽吸能力的量。換言之，當系統進入空氣總量低于抽吸設備的抽吸能力時，增加抽吸出力則對真空不會有明顯影響。

對350MW機組在60%、80%額定負荷分別進行多次試驗，由此可以得到，機組開啟第二臺真空泵時若真空數值變化≤0.1kPa，則對應真空嚴密性試驗結果≤200Pa／min；若真空數值變化≥0.3kPa，則對應真空嚴密性試驗結果≥300Pa／min。

表3 負荷一定時不同抽吸能力時真空變化

4 結論

（1）針對我國火電機組的運行現狀，以滿足DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》標準要求的300MW機組進入空氣總量為基準，給出了切合每臺機組實際工況的真空系統嚴密性評價方法。

（2）目前國內現行的標準對于負荷率低于80%的調峰機組的真空嚴密性并未做出明確的要求和規定，因此本文中提及的定量修正方法對于評價機組在調峰區域真空系統的嚴密性有著一定的參考意義。

（3）部分機組長期運行在80%額定負荷之下，沒有條件進行真空嚴密性試驗對機組的真空系統進行評價。文中提及的定性修正方法簡單實用，對于評價真空系統在低負荷工況的嚴密性提出了一種新思路。

（4）國內機組在進行真空系統查漏時所依據的標準仍為DL／T 932—2005《凝汽器與真空系統運行維護導則》中的規定，未考慮到自身配置真空泵容量的影響，在判斷機組真空系統時應將實際工況下修正后的真空泵抽吸能力納入評價范圍。

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