提升汽輪機(jī)凝汽器的真空及確定最佳真空的研究

李三軍

（廣州發(fā)電廠有限公司，廣東廣州510160）

1 汽輪機(jī)凝汽器真空的建立及其形成理論研究

汽輪機(jī)凝汽器真空的建立及其形成主要分為兩個(gè)階段：①機(jī)組啟動階段；②機(jī)組正常運(yùn)行階段。在機(jī)組啟動階段，凝汽器真空的建立主要通過抽氣器把凝汽器中的空氣抽出，真空建立的快慢與高低主要由抽氣器的容量、性能及真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性來決定。在機(jī)組正常運(yùn)行階段，若有汽體排入凝汽器中，排汽受到冷介質(zhì)的冷卻而凝結(jié)成水，其體積大大縮小，原來由蒸汽充滿的凝汽器內(nèi)就形成高度的真空。

圖1是蒸汽在凝汽器中受冷卻從而形成高度真空的全過程。

其中：ts=tw1+Δt+δt

ts——與凝汽氣壓力Pc相對應(yīng)的飽和蒸汽溫度，℃

tw1——冷卻水進(jìn)口溫度，℃

tw2——冷卻水出口溫度，℃

Δt——冷卻水溫升，Δt=tw2-tw1,℃

δt——凝汽器端差，δt=ts-tw2℃

AC——凝汽器總傳熱面積

圖1 凝汽器中蒸汽和冷卻水溫度沿冷卻表面分布圖

圖1表示凝汽器中蒸汽和冷卻水的換熱過程，其中曲線1表示凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度ts的變化（tss在主凝結(jié)區(qū)基本不變但在在空冷區(qū)卻下降較多）；曲線2表示冷卻水由進(jìn)口處溫度tw1逐漸吸熱上升至出口處溫度tw2，冷卻水溫升Δt=tw2-tw1。冷卻水的進(jìn)水溫度較低，與蒸汽的傳熱溫差較大，因而使冷卻水溫上升較快。

冷卻水在凝汽器中溫度升高，可根據(jù)凝汽器熱平衡方程式得到：

Dc(hc-hc′)=Dw(hw2-hw1)

其中：Dc、Dw為進(jìn)入凝汽器的蒸汽量與冷卻水量（t/h）；hc、hc′為凝汽器中的蒸汽比焓和凝結(jié)水比焓（kJ/kg）；hw2、hw1為冷卻水流出和進(jìn)入凝汽器的比焓（kJ/kg）。上式中，M＝Dw/Dc即為凝汽器冷卻倍率，它表示冷卻水量是被凝結(jié)蒸汽量的多少倍。M越大，Δt越小則真空越高。所以在機(jī)組運(yùn)行中，若其他參數(shù)不變，增加冷卻水量則可有效提升機(jī)組真空。

真空不但與機(jī)組冷卻水量有關(guān)，還受凝汽器傳熱的端差δt影響，其中δt可由傳熱方程式等公式推導(dǎo)求得：

Q＝K×Ac×Δtm

其中：K為凝汽器的總傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·K）；Δtm為蒸汽和冷卻水之間的對數(shù)平均傳熱溫差（℃）。

δt＝Δt/（eμ－1），μ＝Ac×K/（4187×Dw）

其中：K越大，δt越小，ts越小，真空則越高，可見，當(dāng)機(jī)組工況和凝汽器內(nèi)冷卻水流量一定時(shí)，傳熱系數(shù)K是影響真空的主要原因，提升凝汽器真空的主要方法就是增加凝汽器內(nèi)的傳熱系數(shù)。

2 實(shí)際運(yùn)行過程中增加凝汽器內(nèi)傳熱系數(shù)的主要方法

(1)蒸汽和冷卻介質(zhì)在凝汽器內(nèi)進(jìn)行換交熱時(shí)，若蒸汽中含有氧氣等不可凝結(jié)氣體則會極大降低換熱效果，因而運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)督和檢查，設(shè)法提高水質(zhì)以減少蒸汽中不可凝結(jié)的氣體量。

(2)為不使汽缸外的空氣進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)，在汽輪機(jī)汽缸的外層都裝有汽封，運(yùn)行人員應(yīng)適當(dāng)調(diào)整機(jī)組軸封壓力，避免被冷空氣帶入凝汽器而降低換熱系數(shù)，影響機(jī)組真空。

(3)對運(yùn)行年限較長的機(jī)組，機(jī)組真空嚴(yán)密性大多不好，在汽輪機(jī)的低壓側(cè)或是凝汽器會出現(xiàn)一些漏點(diǎn)，這樣，就會有一些空氣漏入凝汽器中從而影響換熱。運(yùn)行人員應(yīng)積極配合檢修查找和消除漏點(diǎn)，提高機(jī)組真空嚴(yán)密性，增大凝汽器內(nèi)換熱系數(shù)。

(4)當(dāng)機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，凝汽器冷卻水中的一部分雜物與泥漿逐漸沉淀下來，附著在銅管內(nèi)壁而增大冷卻水阻力，且影響凝汽器熱交換，使汽輪機(jī)真空下降、冷卻水中微生物的繁衍還會加速這一過程。為保證汽輪機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，日常工作中我們經(jīng)常會采用反沖洗法、熱烘干法和高壓沖洗法等方法來祛除銅管內(nèi)附著污泥等雜物，保證凝汽器內(nèi)良好的換熱效果從而提高凝汽器真空。

3 最佳真空的確定

由以上汽輪機(jī)的原理可知，降低汽輪機(jī)的背壓可以提高汽輪機(jī)的出力。當(dāng)背壓降低至一定程度后，若繼續(xù)降低汽輪機(jī)背壓，汽輪機(jī)功率不再增加，反而由于背壓降低，凝結(jié)水溫度下降，回?zé)崴玫蛪杭壋槠吭龃?，使汽輪機(jī)末級功率減小。我們將蒸汽在末級動葉斜切部分膨脹達(dá)到極限時(shí)的背壓，成為極限背壓，此時(shí)對應(yīng)的真空即為極限真空。雖然提升真空可使汽輪機(jī)的理想比焓降增大，功率增大，提高發(fā)電效率，但無論是從設(shè)計(jì)角度還是從運(yùn)行角度來看，都不是真空越高越好。

運(yùn)行機(jī)組真空的提高主要靠增大循環(huán)水量來提高，然而循環(huán)水泵是電廠用電大戶，其耗電量占發(fā)電量的5%左右，過分增大循環(huán)水量，可能使汽輪機(jī)真空提高而多發(fā)的電量反而小于循環(huán)水泵多耗的電量，得不償失。此時(shí)，應(yīng)減少機(jī)組冷卻水量，使凝汽器內(nèi)的真空接近極限真空。

圖2 極限真空與經(jīng)濟(jì)真空的確定

圖2中：Dw為冷卻水流量（t/h）；Pc為凝汽器的排汽壓力（Pa）；ΔPT為增加冷卻水量Dw，提升凝汽器真空，使汽輪機(jī)組的功率增量（KW）；ΔPp為增加冷卻水量Dw，循環(huán)水泵的功率消耗量（kW）。

P經(jīng)濟(jì)＝（ΔPT－ΔPp）max

在蒸汽負(fù)荷Dc和冷卻水進(jìn)口溫度tw1一定的條件下，增加冷卻水流量Dw，可提升凝汽器真空從而使汽輪機(jī)出力增大，同時(shí)循環(huán)水泵的功率消耗也相應(yīng)增大。

令f（x）＝ΔPT－ΔPp

其中：f（x）為機(jī)組的凈功率收益。

由上式可知：只有當(dāng)ΔPT－ΔPp取最大值時(shí)，即f（x）＝f（x）max時(shí)，機(jī)組增加功率最大，此時(shí)對應(yīng)的真空即為經(jīng)濟(jì)真空，對應(yīng)的冷卻流量即為經(jīng)濟(jì)冷卻水流量。

4 結(jié)論

導(dǎo)致凝汽器真空低的原因是一個(gè)復(fù)雜的綜合性問題，它與運(yùn)行維護(hù)及檢修質(zhì)量密切相關(guān)。提高凝汽器的真空度關(guān)系著機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，且對提高整個(gè)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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