淺談汽輪機抽真空系統加裝蒸汽噴射器

楊濤

摘要：通過對汽輪機抽真空系統的探討和其加裝蒸汽噴射器的淺析，可以進一步了解汽輪機 抽真空系統加裝蒸汽噴射器減少汽輪機的機械效率損失，提高熱循環效率的原理。

關鍵詞：汽輪機;抽真空系統;蒸汽噴射器;熱循環;效率

前言

汽輪機主要作為熱力發電廠帶動發電機的原動機使用，是將蒸汽的熱能轉換成機械能的蝸輪式機械。而為了保證汽輪機正常工作，吸收乏汽在凝汽器放出的凝結熱并保護較低的凝結溫度，就必須將凝汽器殼側的空氣抽出，減少蒸汽對汽輪機做的有用功，控制乏汽在空氣中凝結放熱的惡化，提高熱循環效率。

1汽輪機簡述

汽輪機主要由轉動部分（轉子）和固定部分（靜體或靜子）組成。轉動部分包括葉柵、葉輪或轉子、主軸和聯軸器及緊固件等旋轉部件。固定部件包括氣缸、蒸汽室、噴嘴室、隔板、隔板套（或靜葉持環）、汽封、軸承、軸承座、機座、滑銷系統以及有關緊固零件。

汽輪機是將蒸汽的熱能轉換成機械能的蝸輪式機械。在汽輪機中，蒸汽在噴嘴中發生膨脹，壓力降低，速度增加，熱能轉變為動能。高速汽流流經動葉片時，由于汽流方向改變，產生了對葉片的沖動力，推動葉輪旋轉做功，將蒸汽的動能變成軸旋轉的機械能。

2乏汽的產生

來自蒸汽發生器的高溫高壓蒸汽經主汽閥、調節閥進入汽輪機。由于汽輪機排汽口的壓力大大低于進汽壓力，蒸汽在這個壓差作用下向排汽口流動，其壓力和溫度逐漸降低，部分熱能轉換為汽輪機轉子旋轉的機械能。做完功的蒸汽稱為乏汽，從排汽口排入凝汽器，在較低的溫度下凝結成水，此凝結水由凝結水泵抽出送經蒸汽發生器構成封閉的熱力循環。為了吸收乏汽在凝汽器放出的凝結熱，并保護較低的凝結溫度，必須用循環水泵不斷地向凝汽器供應冷卻水。由于汽輪機的尾部和凝汽器不能絕對密封，其內部壓力又低于外界大氣壓，因而會有空氣漏入，最終進入凝汽器的殼側。若任空氣在凝汽器內積累，凝汽器內壓力必然會升高，導致乏汽壓力升高，減少蒸汽對汽輪機做的有用功，同時積累的空氣還會帶來乏汽凝結放熱的惡化，這兩者都會導致熱循環效率的下降，因而必須將凝汽器殼側的空氣抽出。

3抽真空系統

對于凝氣式汽輪組，由于需要在汽輪機的氣缸內和凝氣器中建立一定的真空，正常運行時也需要不斷地將不同途徑漏入的不凝結氣體從凝汽器內抽出。真空系統就是用來建立和維持汽輪機組低背壓和凝汽器的真空。低壓部分的軸封和低壓加熱器也依靠真空抽氣系統正常工作才能建立相應的負壓或真空。

抽真空系統的作用有二點：（1）在機組啟動初期建立凝汽器真空;（2）在機組正常運行中保持凝汽器真空，確保機組的安全經濟運行。凝汽器的抽真空設備主要有抽氣器和真空泵。抽氣器抽真空系統，由于其系統簡單、工作可靠，所以被廣泛地應用于國產大、中型機組上。真空泵抽真空系統具有以下優點：（1）運行經濟。在啟動工況下，低真空的抽吸能力遠遠大于射水抽氣器在同樣吸人壓力的抽吸能力，大大縮短了機組的啟動時間。（2）汽水損失較小。（3）泵組運行自動化程度高，操作安全、簡便。另外，還有噪聲小，結構緊湊等。其缺點是一次性投資大。但由于其明顯的優越性，真空泵的抽真空系統被普遍應用于引進型機組。

但是使用一般的真空泵，運行中真空泵會出現出力低、葉輪裂紋、汽蝕等問題。即使增加了工作液制冷機，解決了夏季冷卻水溫偏高，真空泵因工作液溫度高而抽吸能力嚴重不足的問題，但冬季運行中，真空泵的極限真空不高，仍出現低壓側抽吸能力不足，不能維持較高真空的情況。

為避免出現低背壓凝汽器真空低的情況，在低壓側凝汽器抽真空母管上，增加一套可單獨運行的多級蒸汽噴射器抽真空系統，確保低壓側凝汽器保持高真空狀態。

現代發電廠中，應用最為廣泛的是噴射式抽氣器，它具有布置緊湊、結構簡單、維護方便、工作可靠，以及能在短時間內建立所需真空等優點。噴射式抽氣器根據工作介質不同可分成射汽式抽氣器和射水式抽氣器。這兩種抽氣器的原理基本相同，區別只是工作介質不同。射汽抽氣器的工作介質是壓力蒸汽，射水抽氣器的工作介質是壓力水。小容量機組多采用射汽式。

4 經濟效益

以某電廠600MW機組為例，夏季在工作水溫為30℃時，真空泵內工作液溫度達到40℃，運行中該真空泵出現出力低、汽蝕等問題嚴重，冬季出現低壓側抽吸能力不足，不能維持較高真空的情況。現在低壓側凝汽器抽真空母管上，增加一套可單獨運行的多級蒸汽噴射器抽真空系統，確保低壓側凝汽器保持高真空狀態。多級蒸汽噴射器真空系統的極限抽氣能力是液環真空泵的2～3倍，且不受外部冷卻水溫的影響，能保持不同工況下凝汽器的最佳設計背壓狀態，使到機組得以最經濟的運行。

加裝蒸汽噴射器抽真空系統后，當機組真空嚴密性大于120Pa/min時，夏季在真空泵工作水溫度為30℃以上時，機組真空平均提高0.3 kPa，冬季真空凝汽器冷卻水溫低于15°C，預計凝汽器低壓側真空能夠提高0.3 kPa以上。600MW機組真空每提高1kPa節約煤耗2.36 g/（KW.H），機組真空提高后煤耗下降0.708g/kW.h。蒸汽噴射裝置需消耗動力蒸汽，由于每消耗1噸0.4MPa的動力蒸汽影響煤耗增加0.17g/kW.h，消耗0.9t/h的動力蒸汽將會影響機組煤耗增加0.153g/kW.h。蒸汽噴射裝置改造后綜合煤耗下降0.555 g/kW.h。

由此可見，蒸汽噴射器雖然結構簡單，但其設備內部氣體的超音速混合過程非常復雜，存在著激波、邊界層、剪切層的交互作用，混合機理尚不清楚。現有的設計理論大都采用半經驗半理論的辦法，誤差較大。在工程實踐中，蒸汽噴射器仍存在著運行不穩定、動態調節性能差、設計性能與實際性能不一致等問題。因而，對蒸汽噴射器的理論機理進行深入研究，完善噴射器一維設計理論，從而為操作條件及結構參數的優化設計提供理論依據，實現噴射系數、壓縮比、膨脹比、（火用）效率、性能系數、投資費用的最佳匹配，具有重要的學術價值及工程意義。

總結

汽輪機抽真空系統加裝蒸汽噴射裝置完善與提高了汽輪機組的工作性能，減少汽輪機的機械效率損失，提高熱循環效率，具有一定的先進性，是真空冷凝設備的一種革新。

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