300MW汽輪機出現真空低現象的分析與對策

四川廣安發電有限責任公司 黃遠東

我廠二期機組汽輪機型號為N300－16.7/537/537-8，為亞的臨界中間再熱，單軸雙缸雙排汽冷凝式機組。機組已安全運行17年。汽輪機作為火電廠的關鍵組成部分，亦是三大主機的構成，在火電廠運轉中以及運行中的經濟性和環保性均起到了一定作用。但汽輪機真空低現象已經普遍發生的情況，對汽缸、凝結水系統和運行功率均造成了一定程度的干擾，因此在實際工作中，應當對相關因素進行排查，制定針對性措施，保證汽輪機組的正常運行，保障火電廠的穩定。

若要加強蒸汽輪機的真空度，就應先明確建立和形成的過程。在經過啟動后設備可以順利運轉，從而創建凝汽器真空，在該階段中真空泵將會攝取凝汽器內的空氣。需明確的是，真空的啟動速度是由真空泵的性能、容積或密封性決定的。當汽輪機啟動后，因冷卻介質的熱交換，通過排汽冷卻形成水，體積大幅縮小，在蒸汽的位置將會形成過真空。在正常運行情況下，凝汽器排汽壓力和排汽溫度間具有密切聯系。飽和壓力由泄露到凝汽器中的空氣分壓和蒸汽排除的分壓組成。蒸汽排出蒸汽的分壓是由飽和蒸汽溫度決定的，凝汽器排汽溫度則是經過溫度的變化、終點差以及冷卻水的溫度來決定的。由此可知，冷凝蒸汽輪機真空度的影響原因包括了凝汽器循環水的入口溫度、凝汽器的密封是否良好、凝汽器熱交換的區別和凝汽器的工作效能。

1 汽輪機真空低情況的因素

凝汽器真空密封性較差。正常情況下真空系統多數存在密封性較差的情況，主要是由于真空系統的內壓力較之外壓明顯較低，若蒸汽輪機的封閉度無法保證其平衡時，將會存在空氣傳遞至冷凝式蒸汽輪機當中。如空氣經過凝汽器壁，與凝汽器的排汽管進行連接低壓缸和軸外殼的結合面，高壓與中壓蒸汽加熱系統等進入凝汽器。因空氣難以冷凝，當大量空氣滲透至凝汽器中時會影響真空度，促使其逐漸降低，空氣混合蒸汽一同傳遞至凝汽器，真空泵不能及時抽出時真空下降。

凝汽器端差過大。在水中的微生物與污泥及碳酸鹽共同發生沉淀時，其將附著于凝汽器銅管的側端，長此以往逐漸形成水垢。又因為水垢的熱阻極高，當同量的熱量傳遞過程中熱量傳遞終點差更為明顯，提升了凝汽器排汽溫度，最終引發真空度降低的情況。

循環冷卻水入口溫度過高。在操作過程中，若冷卻塔的異常操作使水塔溫度變化時，真空度也會隨之變化。且因空氣濕度上升或環境溫度增加時，冷卻塔內循環水溫度開始下降，從而導致凝汽器循環水的入口溫度顯著上升，最終引發真空情況。同時循環冷卻水的缺乏也會對真空度造成影響。循環冷卻水量小于設置極限時排汽壓力將會上升，隨之變化的還有凝汽器排汽溫度，大大影響了汽輪機的真空度。若凝汽器雙側的水流分布失衡時也會影響真空度的變化[1]。總體來說，影響凝汽器真空度變化的因素繁多，需結合實際情況進行評估，需深入明確導致真空度降低的原因方可針對性制定對策。

2 火電廠汽輪機低真空運行的危害及因素

對汽缸膨脹的影響。汽輪機組在低真空狀態下運動將會提升排汽溫度，從而提高了汽缸膨脹量，該情況的發生將會對動靜間隙的通流位置造成影響。多數體現在若是靜子膨脹與轉子的拉伸，溫度變化不明顯時，間隙改變所引起的摩擦或震動是可以控制的，若排汽溫度繼續變化，動靜間隙發生變形促使結合面螺栓發生松動，會進一步加重機組的振動，嚴重者將會損害結合面的壓密性。凝汽器發生膨脹時將會促使軸承升高，影響機組的軸向中心，軸承方面會承受更大的壓力。

對凝結水系統的影響。在低真空下運行會增加排汽溫度與凝汽器的膨脹量，同時結合管束和管板接口膨脹量，將會對密封性造成嚴重程度不一的影響，大大限制了凝汽器的工作效率，增加了汽輪機后軸承及提高振動頻率，大大降低機組的整體穩定性。

對功率的影響。低真空狀態下運動將會提升背壓，是因為對中間各級的級前壓力及復速級級后壓力提升，此級的焓降受到影響從而降低功率。也會降低機組末級和次末級的焓降，從而發生負值，加快蒸汽流速的降低頻率，會出現對轉子旋轉的阻力，限制了發電機的功率。并且低真空狀態下運行蒸汽難以膨脹，降低了內效率的同時降低運行功率。

凝汽器真空壓密性缺乏。因為汽輪機運行環境不理想，一般情況下凝汽器的真空系統多數存在壓密性缺乏的情況，主要因素是因真空系統內壓力和大氣壓存在明顯差異，將會發生外部空氣進入內部時發生液化等情況，該現象發生會進一步對真空狀態進行影響，在凝汽器的運動過程中少量空氣滲透至蒸汽內的凝汽器，從而引發真空降低的情況。

凝汽器的端差較大。因循環水中具有多樣微生物、碳酸鹽及其他雜質，附著于單側管壁從而凝成水垢，提高了管道的熱阻力，在熱量傳遞的過程中發生傳熱端差明顯的情況，提高了凝汽器的排汽溫度，從而大大降低了真空度。

循環冷卻水進水溫度過高。汽輪機在運行過程中，冷卻塔發生障礙時存在排放水溫過高的情況，對真空狀態造成不利影響。并會改變空氣中的濕度和溫度，在進入凝汽器中對真空狀態進行影響。若循環冷卻水的水量降低依舊會影響真空度。通水量失衡也會影響真空度，因此需根據實際要求把控循環水的水量。

收球網收球率較低。在收球區域中，需保證網的上沿和循環水管壁進行貼合，且上沿和下方箱的間隙應當把控好，避免跑球或卡球的情況。同時，水垢發生與否和收球網的工作效率具有密切聯系。這就需要利用大收球網和小圓鋼焊合并的工作模式來改善工作效率，及時清理小收球網上的異物，保證工作的正常運行[2]。我廠原來的膠球清洗裝置收球效率低，每投入1000個膠球，循環幾次后只能回收一半回來。于是2018年投入巨資更換為全新的國外進口全自動膠球回收裝置，3年多來運行良好。

3 提高真空性的方法以及對策

3.1 提高真空泵的抽吸能力

我廠凝汽器的抽汽系統使用的是兩套水環式真空泵。水環式真空泵是帶有多葉片的轉子偏心裝在泵殼內。當它旋轉時把水拋向泵殼并形成與泵殼同心的水環，水環同轉子葉片形成了容積周期變化的旋轉變容真空泵。其形成的真空受工作水溫的限制（真空不會高于工作水溫對應的凝汽器真空）。故廠里前幾年通過技改增加真空提升裝置，其原理是利用除氧器余熱制冷冷卻真空泵的工作水，使其溫度下降10℃以上，真空泵的極限真空上升約1kPa，在夏季運行時取得較好經濟效益。冬天因環境溫度低該裝置一般不投。

3.2 降低冷卻水水溫

冷卻水的溫度越低冷卻水量從凝汽器中帶走的熱量越多，可顯著加強凝汽器的真空。冷卻塔的工作情況決定了冷卻水的溫度。正常情況下冬天的冷卻水溫度低于夏天，凝汽器的真空越高。且冷卻塔的工作情況大大影響了冷卻水的溫度變化，因此在對冷卻塔設計過程中，應滿足凝汽器對冷卻水量的要求，若冷卻水量高于冷卻塔的處理水量，其淋水密度將會上升，降低了風量，經過冷卻處理的水溫降低高于冷卻塔的設計參數，最終降低真空。

同時冷卻塔的日常維護十分關鍵，在運行狀態下應明確塔中的布水管是否存在雜物或水垢、噴水頭噴水是否正常、填料層中是否有污垢等。因水和空氣的換熱均在填料中進行，故填料的工作直接影響了冷卻的冷卻質量，所以重點應檢查填料是否存在阻塞情況，避免因阻塞導致的風阻上升，降低了冷卻風量，影響冷卻質量。單機運行時我廠一般要求開啟兩臺機組的循環水回水門和涼水塔水池聯絡門，投入停運機組的涼水塔，讓其與運行機組并列運行，冷卻效果大幅提高，可顯著降低冷卻水溫度。

3.3 增加冷卻水量

更改冷卻水量能改變吸熱量，隨著水量的變化真空隨之提升，同時也提高了水泵的耗電量，凝汽器真空的提升增加了汽輪機的功率，因此在保證經濟的前提下保證真空是重點，所以應先確定經濟水量。需注意的是，機組在運行過程中，調大或調小冷卻水閥門來調節水量并不是最佳選擇，在調低閥門后供水量降低，但循環水泵的功率變化較小。總體來說，提升冷卻水量增加凝汽器的真空，需結合冷卻塔的處理能力及循環水泵的耗電量。據測算，我廠規定若兩臺循環水泵運行時，循環水進出口溫升大于11℃，必須運行3臺循環水泵。

3.4 加強真空系統的密封性

加強真空系統的密封性可從多角度入手，其中選擇機組停運的情況下對喉部以下位置的凝汽器和真空系統實施灌水檢查，消除管道接口、水位計聯通接頭等位置的漏氣點；在運行過程中，結合負荷的變化情況對汽輪機軸封供汽壓力進行調整，確保低壓缸軸封的密封性；綜合調整軸封加熱器的水位，防止無水運行。查機組真空嚴密性時對軸封加熱器后的U型水封應重視，防止其積滯空氣造成密封失效。可通過注入除鹽水來檢驗，若注水后真空上升說明U型水封密封不良，需采取措施處理。

有一次，機組除鹽水箱水位異常降低，空氣沿除鹽水箱到凝汽器的補水管進入凝汽器，造成真空較快下降，幸好發現及時迅速關閉補水門阻斷空氣漏入，沒有造成真空低跳機事故。

3.5 確保換熱面的整潔

整潔的換熱面對凝汽器的真空十分關鍵，若換熱管出現污垢將會影響熱能傳遞，因此需足夠重視。在運行過程中按時對凝汽器換熱管實施清洗，保證換熱管的整潔。因水中雜物過多，可在凝汽器冷卻水進口管上應用濾網預防阻塞。循環冷卻水的使用應當是選擇經過綜合處理過的水，確保冷卻水的水質過關[3]。并設置清洗周期，前期的水垢清潔難度不高，可若凝汽器銅管上的水垢難以清理，真空已經顯著下降且無法正常運行時需實施酸洗。最近我廠對一臺機組凝汽器進行了酸洗，對比洗前凝汽器端差減小，真空變化明顯。

4 結語

真空低運行會影響汽缸膨脹、凝結水系統以及機組運行功率等問題，從而造成安全隱患。因此在實際工作當中應著重分析原因所在，積極更換零部件，處理淤泥及各種雜質。機組運行中，針對真空低的不同原因采取相應措施。