凝汽器真空度低的原因及改善措施

張祜珍，商虎峰，田偉，田進，黨碩，柴悅

（中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710077）

凝汽器真空是衡量汽輪機工作安全性及經濟性的重要指標，一直以來，是設備設計人員和作業單位的關注重點。凝汽器真空過低不但會造成汽耗增加，汽輪機效率下降，使得整體機組的經濟性大幅降低，而且還會因排汽溫度過高而引起汽輪機軸承溫升，軸心發生位移，進而導致機組振動過大，影響汽輪機組運行穩定性。同時，當凝汽器真空檢測值未達到應達值時，為確保汽輪機組出力恒定，須提高蒸汽流量，推力軸承受到的軸向推力隨蒸汽流量的增加而增大，長時間過載極易造成設備事故。因此，分析引起凝汽器真空度低的原因并加以改善對于確保機組的安全運行、提高其經濟性具有重要意義。

1 工作原理及理論

汽輪機組是利用進汽與排汽兩側壓差，通過蒸汽流動對葉輪的推動來實現能量的轉換。凝汽器的作用則是將汽輪機組排出的蒸汽快速冷卻并凝結成水，從而在機組排汽側建立高度真空，以降低機組背壓，使兩側壓差增大，進而提高汽輪機組出力。凝汽器由真空抽氣系統及循環冷卻水系統兩部分組成。其中，循環冷卻水系統負責將排汽側蒸汽快速冷卻凝結成水，氣體體積縮小，從而形成低壓真空；真空抽氣系統則負責將混入的空氣及未凝結的蒸汽抽走，從而防止氣體累積，確保凝汽器內始終保持真空。在理想狀態下，假設凝汽器對蒸汽的冷卻能力無限大，傳熱端差為零，凝汽器內無空氣混入，蒸汽凝結溫度等于冷卻循環水溫度，則此時凝汽器內壓力為飽和蒸汽壓力。由于凝汽器內水與蒸汽同時存在，因此凝汽器內的實際壓力為汽液共存時的飽和壓力，蒸汽凝結溫度高于冷卻水溫度，故凝汽器壓力與溫度有關。根據凝汽器熱交換及熱平衡條件可知，飽和溫度計算公式：

則凝汽器壓力Pk約等于：

式中，ts—飽和蒸汽溫度；tw1—冷卻循環水的進水溫度；Δt—冷卻循環水進出口溫差；δt—凝汽器傳熱端差；Pk—凝汽器壓力。

由上述公式可以看出，凝汽器壓力與飽和蒸汽溫度有關，因此只要降低ts，便可降低凝汽器壓力Pk。然而在實際實踐過程中，凝汽器內還混入部分不凝結氣體，對凝汽器真空有著顯著影響，凝汽器壓力等于不凝結氣體壓力與蒸汽分壓之和。所以，在實踐過程中，分析和改善凝汽器真空需要從上述兩方面出發。

2 凝汽器真空度的主要影響因素

（1）膠球清洗裝置的影響。為確保凝汽器冷卻循環水管道清潔，設置有膠球清洗裝置。若在機組使用過程中，膠球清洗裝置無法正常投入使用，則極易造成凝汽器水垢聚集，影響熱交換效果，從而導致凝汽器端差變大，排汽溫度升高，進而造成凝汽器內真空度降低。所以，膠球清洗裝置運行的可靠性直接影響凝汽器的真空度。

（2）機組系統嚴密性的影響。機組系統嚴密性差是凝汽器真空度低常見的原因之一。凝汽器內的空氣量增加，造成凝汽器真空度降低，一般情況下存在兩種可能：①空氣隨蒸汽進入凝汽器，通常給水系統會經過多次除氧，因此該情況發生的概率較低；②由于汽輪機組真空系統嚴密性較差，有空氣漏進，從而影響凝汽器真空度?？梢?，在汽輪機組內部負壓狀態下，部分部件（如軸封套與低壓缸結合面、排汽缸膨脹節、高中壓汽加熱系統、汽缸軸封、凝汽器喉部排氣管道、凝汽器壁等）密封不嚴是造成凝汽器內混入空氣的主要原因。隨著混入凝汽器內空氣量不斷增大，使得真空抽氣系統過載。凝結水氧含量及過冷度升高會極大影響凝汽器真空，嚴重時可造成凝汽器失效。凝汽器的嚴密性經驗公式為：

式中：Da—真空抽氣系統單位時間抽出的空氣量，kg/s；K1—嚴密性系數，嚴密性優、良和中分別對應1．0、2．0、3．5；Ds—汽輪機單位時間排汽量，kg/s。

（3）循環冷卻水系統的影響。循環冷卻水系統是凝汽器關鍵組成部分，循環水的流量、溫度及凝汽器的導熱效果等因素均會對其真空度具有很大影響。①循環冷卻水流量對真空度的影響。循環水流量降低后，表現為進水口與出水口溫差減小、溫度升高（進水口溫度因熱導效應而局部升高），使得凝汽器內飽和溫度升高，從而影響其真空度。循環水流量則與循環水泵、水源充足度及循環水管道等情況有關。②循環冷卻水進口溫度對凝汽器真空的影響。在汽輪機組運行過程中，當進入凝汽器的循環水溫度升高時，便會使凝汽器的冷凝效果下降，從而使得凝汽器內部冷凝溫度升高，導致排汽壓力升高，汽輪機內部蒸汽焓降相應降低，從而造成凝汽器內真空度下降。如圖1所示。

圖1 冷卻循環水進口溫度對凝汽器真空的影響

（4）低壓缸軸封供汽的影響。在汽輪機組運行過程中，使用人員為了防止低壓缸內油品被水污染，通常會調低供汽壓力，供汽壓力過低會造成密封失效。因此，低壓缸軸封蒸汽壓力過低甚至中斷會造成外部空氣因內外壓差進入機組內部，并混入凝汽器內，凝汽器內大量不凝結氣體累積會嚴重影響凝汽器的傳熱效果，從而使凝汽器真空度急劇降低。

（5）凝汽器水位高對真空度的影響。若凝汽器內汽側凝結水位過高，會將部分熱交換管道淹沒，使得凝汽器冷卻面積減少，冷凝效果降低，部分乏汽未能及時凝結成水，從而影響凝汽器真空度。如果凝結水位繼續升高至真空抽氣管口處，未完全凝結的蒸汽與不凝結氣體一同被真空抽氣系統抽出，并且抽氣管處可能有水冒出。導致凝汽器內凝結水水位高的主要原因包括：凝汽器熱交換管道破裂或與管板間的密封失效，導致冷卻循環水泄漏進入汽側；凝結水泵失效，抽水能力不足；凝結水備用泵出口單向閥失效，導致水通過備用通路倒灌進入凝汽器內；誤操作開大凝結水再循環閥門等。

（6）凝汽器端差對真空度的影響。在相同條件下，引起凝汽器端差增大的原因有兩方面：一是凝汽器汽側存在較多空氣，阻礙了傳熱管的熱水交換；二是凝汽器傳熱管內側表面臟污，造成熱交換性能差。要保證凝汽器內有良好的真空度，必須保持冷卻表面的清潔和保證蒸汽空間不積存空氣，才能確保汽輪機組安全、可靠、穩定運行。

3 凝汽器真空度低的改善措施

（1）提高機組的嚴密性。可利用機組檢修來對汽輪機組嚴密性進行檢測與處理，檢測方法可采用灌水查漏、氦質譜檢漏等。周期性更換系統密封件，如法蘭墊片、盤根等。對傳統的真空系統閥門進行改造，采用水封門，以改善閥門的密封可靠性。

（2）定期對冷卻面進行清洗。為減少冷卻面結垢，循環冷卻水應經過嚴格的預處理，可在循環水中適時加阻垢劑，同時循環水進入凝汽器之前加裝二次濾網，并定期沖洗。在機組停運時，對水室及管束進行沖洗。在機組運行過程中，投入膠球在線清洗系統清潔冷卻管。投入膠球清洗時，應采用揚程大的膠球泵，保證膠球的正常循環，收球網柵的間距應均勻，避免跑球，清洗過程中，注意膠球的密度、大小、質地，控制好膠球的數量、清洗持續時間等。

（3）提高真空泵的效率。降低工作介質的溫度是提高真空泵效率的重要措施。可將循環水改為溫度較低的機組工業用水，也可在抽氣系統中安裝制冷裝置，利用循環冷卻水對工作水進行冷卻，在凝汽器與抽氣器之間的抽氣管路上安裝一個混合式冷卻器，把抽出氣體中的水蒸汽凝結疏出，降低抽氣設備工作水溫度。

在真空泵前一級加裝大氣噴射器，利用真空泵負壓與大氣壓形成壓差而產生的空氣射流，在噴射器內獲得比真空泵更低的抽吸壓力，從而消除真空泵極限抽吸壓力對凝汽器壓力改善的限制因素。

4 結語

綜上所述，引起凝汽器真空度低的因素較多，特別是隨著設備的老化，在環境溫度較高的夏季，各種問題通常會集中暴露出來，使得汽輪機組負荷增加，甚至造成停機。因此，當凝汽器真空度下降后，要及時分析并找到原因，采取有效的應對措施。隨著國家對節能、環保的大力提倡，提高電廠發電效率、降低排放越來越被重視，故提高汽輪機組的真空度、確保凝汽器的高效安全運行是重要的工作內容。

參考文獻：

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