汽輪機(jī)真空問(wèn)題探討

門常山，李連強(qiáng)

（1.華電國(guó)際鄒縣發(fā)電廠，山東 鄒城 273522；2.河南煤化集團(tuán)鶴煤公司熱電廠，河南 鶴壁 458000）

0 引言

汽輪機(jī)真空系統(tǒng)是一個(gè)相當(dāng)重要的系統(tǒng)，它對(duì)于機(jī)組完成基本熱力循環(huán)起著關(guān)鍵作用，直接影響熱—功轉(zhuǎn)換的深度和效率。

一般來(lái)說(shuō)，汽輪機(jī)真空系統(tǒng)是指機(jī)組正常運(yùn)行中處于真空狀態(tài)下的熱力系統(tǒng)，主要包括低壓缸排汽部分、凝汽器汽側(cè)部分、抽真空系統(tǒng)、軸封系統(tǒng)、部分低壓加熱器系統(tǒng)等。如圖1所示，紅色箭頭為低壓缸排汽、蘭色箭頭為外界漏入凝汽器的空氣量。

圖1 汽輪機(jī)真空系統(tǒng)示意圖

對(duì)于汽輪機(jī)真空系統(tǒng)而言，可建立如下的真空動(dòng)態(tài)函數(shù)：

P=f1（Vcondensator，Qleakage，Qextract）× f2（Load，Tcoolingwater，Qcoolingwater）× f3（system）

式中：f1， f2，f3表示基本函數(shù)關(guān)系；Vcondensator表示凝汽器空間容積；Qleakage表示外界空氣向真空系統(tǒng)泄漏量；Qextract表示抽真空系統(tǒng)的抽氣量；Load表示機(jī)組負(fù)荷；Qcoolingwater表示循環(huán)水流量；Tcoolingwater表示循環(huán)水溫度；System表示真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造、安裝因素（設(shè)備因素）。

1 運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題及改造效果

1.1 1號(hào)機(jī)組凝汽器改造

凝汽器是汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)的核心設(shè)備，凝汽器壓力是冷端系統(tǒng)性能體現(xiàn)的最重要參數(shù)?，F(xiàn)代大型機(jī)組的凝汽器一般應(yīng)當(dāng)滿足以下技術(shù)要求：要有較高的傳熱系數(shù)和傳熱面積，凝汽器汽阻和凝結(jié)水過(guò)冷度要小，循環(huán)水水阻要小（決定于合理的冷卻水管管束布置型式）；冷卻水管要有良好的抗腐蝕性能、傳熱性能和一定的機(jī)械強(qiáng)度（決定于冷卻水管材質(zhì)）［1］。

1.1.1 機(jī)組運(yùn)行中凝汽器存在問(wèn)題

鄒縣發(fā)電廠1號(hào)機(jī)凝汽器（型號(hào)：N-15300-Ⅰ型）由上海電站輔機(jī)廠生產(chǎn)，于1985年投入運(yùn)行，換熱管（共21792根）由三種材料組成，頂部為不銹鋼，牌號(hào)為1Cr18Ni9Ti，空冷區(qū)為白銅管，牌號(hào)為B30，其余為黃銅管，牌號(hào)為HSn70-1。1號(hào)機(jī)組于2002年進(jìn)行了汽輪機(jī)通流部分改造，而作為汽輪機(jī)最大的輔助設(shè)備凝汽器沒(méi)有改造，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，凝汽器存在真空偏低、銅管泄漏等問(wèn)題。

1.1.2 改造方案

采用TP316L不銹鋼管代替銅管，解決凝汽器銅管腐蝕減薄泄漏問(wèn)題；采用新型并經(jīng)優(yōu)化的Tepee排管方式代替原排管方式，該方式下蒸汽流動(dòng)通道大而廣泛，汽流直而短，蒸汽在管束中流速低、汽阻小，從而顯著改善凝汽器性能；同時(shí)對(duì)管板、隔板、水室等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與改造。

凝汽器由單流程改為雙流程，凝汽器的前、后水室重新制作，全部更換。為減少水室渦流區(qū)、改善凝汽器水室布水的均衡性，更換凝汽器前、后水室為全新的園弧型水室，重新適配凝汽器進(jìn)、出循環(huán)水接口管道。

1.1.3 改造效果

1）管束布置。

新的排管方式采用經(jīng)優(yōu)化的Tepee排管方式，整體如為山峰型，如圖2所示。

圖2 凝汽器管束布置情況

正常運(yùn)行時(shí)，蒸汽由兩個(gè)低壓缸分別進(jìn)入凝汽器的喉部，然后均勻地分布到低壓側(cè)和高壓側(cè)殼體中冷卻水管的全長(zhǎng)上，通過(guò)管束各通道使蒸汽能夠全面進(jìn)入主管束區(qū)，在此處，側(cè)向通道的設(shè)置使管束各部分熱負(fù)荷比較均勻；絕大部分蒸汽在主凝結(jié)區(qū)被冷卻成凝結(jié)水，剩余部分混合物分別在各自的空氣冷卻區(qū)再次進(jìn)行熱量交換，空氣冷卻區(qū)的設(shè)置能夠有效地冷卻空氣和未凝結(jié)的蒸汽；管束和殼體間設(shè)擋汽板，以防止蒸汽不經(jīng)過(guò)主凝結(jié)區(qū)而直接進(jìn)入空氣冷卻區(qū)，以及防止空氣與蒸汽的混合物不經(jīng)過(guò)空氣冷卻區(qū)而直接進(jìn)入抽氣口；在管束間安裝凝結(jié)水集水板，以避免上排管束上的凝結(jié)水下落到下排管束上惡化傳熱效果；最好，少量未凝結(jié)的蒸汽和空氣的化混合物經(jīng)由各處的抽氣通道匯入抽氣連通管道，在凝汽器喉部有抽氣母管抽出。

若任由凝結(jié)水由高壓側(cè)自流至低壓側(cè)，則最終凝結(jié)水溫度將高于單壓凝汽器的凝結(jié)水溫度，從而出現(xiàn)過(guò)冷，降低其經(jīng)濟(jì)效益。為此，本次改造中低壓側(cè)凝結(jié)水經(jīng)過(guò)殼體部分蒸汽回?zé)岷蟊灰肽Y(jié)水回?zé)釁^(qū)，并經(jīng)過(guò)凝結(jié)水連通管流入高壓側(cè)熱水井，與高壓凝汽器中的凝結(jié)水匯合，高壓側(cè)的部分蒸汽經(jīng)由冷卻管束中的一些通道進(jìn)入高壓側(cè)熱水井對(duì)凝結(jié)水進(jìn)行回?zé)?，以消除過(guò)冷度，起到除氧作用。最后，被回?zé)岬哪Y(jié)水則被凝結(jié)水泵送入凝結(jié)水系統(tǒng)。

2）管排安裝。

圖3為凝汽器管板安裝圖，直劃線為凝汽器前后管板管孔中心線，彎實(shí)線為冷卻水管中心線。由于凝汽器冷卻管子都比較細(xì)長(zhǎng)，為了避免管子發(fā)生危害性的振動(dòng)并減小管子的撓度，一般均在凝汽器前后管板之間裝設(shè)一組中間隔板，在安裝時(shí)應(yīng)當(dāng)確保中間管板的中心孔比前后管板高出一定的高度，如圖3示，中間管板的空心線要形成一條向上彎曲的弧線，其中弧線最高處與前后管板中心線相差5～10 mm。這樣做的好處主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖3 凝汽器管板安裝

①可以確保冷卻管子和中間隔板、前后管板緊密接觸，改善了管子的振動(dòng)特性，確保管系處于一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境中。

②由于管子向上彎曲，減小了熱膨脹時(shí)所帶來(lái)的彎曲應(yīng)力，減小了管子的綜合受力程度。

③由于管子向上彎曲，能夠使凝結(jié)水沿管子的彎曲線向兩端流下，從而減薄了冷卻管子上的水膜的厚度，提高了傳熱系數(shù)，起到了強(qiáng)化傳熱的作用。

3）雙背壓、雙流程凝汽器。

改造后的凝汽器為雙背壓式，即沿循環(huán)水流向，上游凝汽器的真空要比下游凝汽器高0.5 kPa左右，如圖4所示。雙壓凝汽器的工作原理如圖5所示，一般雙壓凝汽器的排汽溫度要低于單壓凝汽器，其差值為

圖4 雙壓凝汽器

當(dāng)循環(huán)水進(jìn)口溫度超過(guò)某一臨界溫度時(shí)，排汽溫度差為正值，且循環(huán)水進(jìn)口溫度越高，排汽溫度差越大。此外，排汽溫度差還與循環(huán)水溫升有關(guān)，而循環(huán)水溫升等于525/m，m越小，排汽溫度差越大（m為凝汽器的冷卻倍率，是冷卻水量和排汽量的比值）。另?yè)?jù)研究表明：多壓凝汽器的數(shù)目越多，冷卻倍率越小，采用多壓凝汽器的效益越大。所以在缺少冷卻水和氣溫較高的地區(qū)采用多壓凝汽器是比較有利的，一般可提高裝置效率0.15%～0.25%。

圖5 雙背壓凝汽器工作

4）實(shí)際效果。

改造后的凝汽器性能試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，在凝汽器改造前后機(jī)組運(yùn)行真空發(fā)生了很大變化，首先機(jī)組真空水平得到顯著提高；其次真空曲線比治理前變的陡峭，斜率增大，之所以出現(xiàn)這種變化，主要因?yàn)樵谀鞅倔w改造期間，同時(shí)進(jìn)行了真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性治理，治理前凝汽器嚴(yán)密性較差，大量漏入的空氣嚴(yán)重影響了凝汽器的換熱效率，因此，循環(huán)水冷卻因素的作用相對(duì)減弱，漏入空氣的影響因素相對(duì)加強(qiáng)，因此治理前曲線平緩，治理后陡峭。

1.2 5號(hào)機(jī)組真空泵工作水加裝冷卻裝置

抽氣設(shè)備是汽輪機(jī)真空系統(tǒng)的重要組成部分，其任務(wù)是在汽輪機(jī)組啟動(dòng)時(shí)建立真空以及在機(jī)組正常運(yùn)行中抽除從真空系統(tǒng)不嚴(yán)密處漏入和隨新蒸汽進(jìn)入的空氣和不凝結(jié)氣體，以維持凝汽器的真空，其工作性能的好壞直接決定了機(jī)組啟動(dòng)的快慢和正常運(yùn)行時(shí)維持高真空和高經(jīng)濟(jì)性的能力，因此研究抽氣設(shè)備及系統(tǒng)的特性具有重要的意義。

水環(huán)式真空泵為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，在泵殼內(nèi)設(shè)置偏心葉輪，泵殼內(nèi)充有一定量的工作水，但不充滿。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力的作用下，工作水沿泵殼內(nèi)壁形成水環(huán)，同時(shí)在各葉片間形成由水密封的空氣小室，這些空氣小室的容積隨著泵的旋轉(zhuǎn)作周期性的變化，這樣就在泵殼內(nèi)煙旋轉(zhuǎn)方向形成了膨脹、壓縮過(guò)程，從而將空氣不斷地抽出［2］。

由于工作水與凝汽器來(lái)的混合物要直接接觸混合，熱量不斷積聚，因此一般設(shè)置專門的冷卻裝置，對(duì)工作水不斷的換熱冷卻。

根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，在有可蒸發(fā)工作介質(zhì)的封閉容器內(nèi)，可能建立的極限真空與介質(zhì)的飽和壓力直接相關(guān)，而工作介質(zhì)的飽和壓力又與工作介質(zhì)的當(dāng)?shù)販囟扔兄苯拥穆?lián)系，因此，結(jié)合水環(huán)式真空泵的工作原理可知，水環(huán)式真空泵存在極限真空。

1.2.1 機(jī)組運(yùn)行中真空泵系統(tǒng)存在的問(wèn)題

機(jī)組真空泵采用凝結(jié)水作為工作用水，工作水的冷卻水為開(kāi)式循環(huán)水，然而，由于夏、秋季開(kāi)式循環(huán)水溫度較高，通過(guò)冷卻器冷卻后的真空泵工作水進(jìn)水溫度多高于33℃，甚至達(dá)到38℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)溫度，造成了真空泵抽吸能力大幅下降，性能惡化，影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

1.2.2 改造方案

為改善夏、秋季真空泵抽吸能力不足的問(wèn)題，對(duì)5號(hào)機(jī)組真空泵工作水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，在真空泵工作水系統(tǒng)上增加一套智能制冷裝置，對(duì)工作水進(jìn)行降溫，通過(guò)降低真空泵工作水溫以提高真空泵的出力，進(jìn)而提高凝汽器真空和機(jī)組效率。

1.2.3 改造效果

真空泵系統(tǒng)改造完成后在不同時(shí)段做了3次測(cè)試。每次試驗(yàn)時(shí)，在同一負(fù)荷下，分別記錄旁路系統(tǒng)開(kāi)通、真空泵工作水降溫系統(tǒng)停運(yùn)與旁路系統(tǒng)閉合、真空泵工作水降溫系統(tǒng)開(kāi)通這兩種情況下的有關(guān)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行兩種情況的對(duì)比，每次試驗(yàn)至少運(yùn)行10 min后記錄，確保了工況穩(wěn)定。

試驗(yàn)表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)凝汽器A側(cè)真空提高0.62～0.97 kPa，A、B 兩側(cè)平均提高在 0.32～0.51 kPa，表1所示。

從表1可以看出，系統(tǒng)的投入使A側(cè)真空提高在0.62～0.97 kPa，對(duì)B側(cè)影響較小，兩側(cè)平均提高在0.32～0.51 kPa，原因?yàn)锳側(cè)凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度低、真空高、背壓低，分離出的不凝結(jié)氣體多，容易積存，該系統(tǒng)使真空泵出力提高后，抽出了不凝結(jié)氣體，提高了凝汽器真空；B側(cè)凝汽器循環(huán)水進(jìn)水溫度高，真空低、背壓高，不凝結(jié)氣體不容易積存，產(chǎn)生的不凝結(jié)氣體在未改造前即可全部被抽走，因此，控制系統(tǒng)提高真空泵的出力對(duì)B側(cè)凝汽器基本沒(méi)有作用。

表1 項(xiàng)目性能測(cè)試匯總

2 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)真空是一個(gè)變量，受眾多因素的綜合影響，本文以真空系統(tǒng)的兩個(gè)改造項(xiàng)目為載體，重點(diǎn)闡述了凝汽器本體、抽氣系統(tǒng)對(duì)機(jī)組真空的影響，并結(jié)合理論對(duì)改造中所采取的主要措施進(jìn)行了分析，改造提高了機(jī)組的真空，取得了預(yù)期目標(biāo)。