中小汽輪機(jī)真空下降的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

屈云海，邵永秀

（昆明鋼鐵集團(tuán)動(dòng)力能源分公司,云南安寧 650302）

中小汽輪機(jī)真空下降的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

屈云海，邵永秀

（昆明鋼鐵集團(tuán)動(dòng)力能源分公司,云南安寧 650302）

分析了汽輪機(jī)凝汽器的作用，研究了導(dǎo)致中小汽輪機(jī)凝結(jié)器真空下降的主要原因，在此基礎(chǔ)上提出了提高汽輪機(jī)凝結(jié)器真空度的措施。

凝結(jié)器；真空；排汽溫度；傳熱端差

1 前言

保持汽輪機(jī)凝汽器在合理的真空下運(yùn)行，是提高汽輪機(jī)設(shè)備運(yùn)行的熱經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約燃料、降低發(fā)電成本的主要措施之一。當(dāng)汽輪機(jī)凝汽器真空下降時(shí)將使汽輪機(jī)效率降低，據(jù)統(tǒng)計(jì)凝結(jié)器真空每下降1%，汽輪機(jī)的效率則下降1%～2%。在安全性方面，一，當(dāng)凝汽器真空下降時(shí)，若依然保持汽輪機(jī)的負(fù)荷不變，將使汽輪機(jī)軸向推力增加，造成推力軸承溫度升高，嚴(yán)重情況下發(fā)生推力軸承燒瓦事故；二，汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽密度增加，末級(jí)蒸汽容積流量因之減少，造成動(dòng)葉片根部汽流脫離和頂部汽流渦流，使葉片顫振，汽輪機(jī)長(zhǎng)期在低真空狀況下運(yùn)行，將會(huì)造成末級(jí)動(dòng)葉片疲勞斷裂；三，汽輪機(jī)低壓缸因排汽溫度升高而變形，破壞聯(lián)軸器中心的對(duì)稱度，造成機(jī)組振動(dòng)；四，使凝結(jié)水中含氧量增加，加劇了低壓管道和低壓加熱器的氧腐蝕。

因此熱力發(fā)電廠對(duì)凝結(jié)器真空要求很高，一旦發(fā)生真空下降應(yīng)盡快查找原因采取措施加以解決，當(dāng)真空下降到一定值時(shí)連鎖保護(hù)動(dòng)作自動(dòng)停機(jī)。

昆鋼動(dòng)力能源分公司現(xiàn)有汽輪發(fā)電機(jī)組13臺(tái)，其中10臺(tái)為中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，其余3臺(tái)為燒結(jié)低溫余熱汽輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)排汽絕對(duì)壓力大部分為0.0049 MPa,汽輪機(jī)在額定負(fù)荷下凝結(jié)器正常真空值為負(fù)73～75 kPa之間，凝結(jié)器真空低于-72 kPa時(shí)應(yīng)查找原因并解決。

2 汽輪機(jī)凝結(jié)器的作用及導(dǎo)致汽輪機(jī)凝結(jié)器真空下降原因分析

汽輪機(jī)凝結(jié)器主要作用有二，一是使汽輪機(jī)的排汽部分形成并維持高度真空，使蒸汽盡可能地膨脹到很低的壓力，保證汽輪機(jī)的最佳理想焓降；二是使凝結(jié)水得以回收。當(dāng)汽輪機(jī)的排汽在凝結(jié)器中被冷卻水冷卻變成凝結(jié)水時(shí)，體積驟然縮小，因而凝結(jié)器內(nèi)就會(huì)形成高度真空，同時(shí)用抽氣器將漏入凝結(jié)器的空氣和少部分不凝結(jié)的蒸汽抽走，以維持較高的凝結(jié)器真空。

汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)器的真空與排汽溫度的關(guān)系是飽和蒸汽壓力和飽和蒸汽溫度（即排汽溫度）一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，排汽溫度低則凝結(jié)器真空高，反之也然。排汽溫度可用以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中：tp為排汽溫度，t1為冷卻水進(jìn)口溫度，Δt為冷卻水（又稱循環(huán)水）溫升，δt為凝結(jié)器傳熱端差（即排汽溫度與冷卻水出口溫度之差）。

從（1）式看出，冷卻水進(jìn)口溫度t1、冷卻水溫升Δt、傳熱端差δt是影響排汽溫度或者說(shuō)影響凝結(jié)器真空的主要原因。下面分別闡述：

1）冷卻水（循環(huán)水）進(jìn)口溫度t1對(duì)凝結(jié)器真空的影響

若冷卻水進(jìn)口溫度t1升高，則排汽溫度升高，也即凝結(jié)器真空降低，反之，則真空高。實(shí)踐證明冷卻水進(jìn)口溫度每升高1℃，凝結(jié)器真空降低約0.3%。冷卻水進(jìn)口溫度，受季節(jié)影響大，夏季氣溫高冷卻水進(jìn)口溫度也高，冬季氣溫低冷卻水進(jìn)口溫度也低。對(duì)于采用冷卻塔的閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，冷卻水進(jìn)口溫度除受季節(jié)的影響外，還取決于冷卻塔的工作狀況，冷卻塔冷卻效果好，則冷卻水進(jìn)口溫度低，真空高，反之，真空低。

2）冷卻水溫升Δt對(duì)凝結(jié)器真空的影響

冷卻水溫升Δt升高則排汽溫度升高，也即凝結(jié)器真空降低，反之，則凝結(jié)器真空升高。根據(jù)凝結(jié)器排汽與冷卻水熱平衡可推導(dǎo)出冷卻水溫升Δt的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：hp、hn分別為排汽焓和凝結(jié)水焓。m為凝結(jié)器的冷卻倍率，m=排汽質(zhì)量流量÷冷卻水質(zhì)量流量，表示凝結(jié)器每凝結(jié)1 kg蒸汽所需要的冷卻水量。

從（1）、（2）式中看出，冷卻倍率m越大，Δt值就越小，則凝結(jié)器真空就越高，但因此而消耗的冷卻水量及循環(huán)水泵的功耗也越大，一般m值約在50～120之間，Δt值一般約在7.5～11℃之間，最佳的m值是通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定的。另外Δt隨汽輪機(jī)負(fù)荷的增加而升高，即凝結(jié)器真空隨汽輪機(jī)負(fù)荷的增加而降低，這是因?yàn)槠啓C(jī)負(fù)荷與排汽量成正比例關(guān)系，凝結(jié)器冷卻水所吸收的熱量必然隨汽輪機(jī)負(fù)荷的增加而增加，Δt因之增加，因此這不作為分析凝結(jié)器真空下降因素。

3）凝結(jié)器傳熱端差δt對(duì)凝結(jié)器真空的影響

凝結(jié)器傳熱端差δt與冷凝器冷卻面積、傳熱量及傳熱系數(shù)有關(guān)（傳熱系數(shù)又與冷卻管材料、冷卻管表面清潔度、排汽中空氣含量有關(guān)）。凝汽器冷卻面積越大則端差δt越小，真空就越高，但消耗的金屬就越多，現(xiàn)代汽輪機(jī)凝結(jié)器傳熱端差一般選擇在3～10℃之間。傳熱系數(shù)越大則傳熱端差δt越小，真空就越高，冷卻管材料的導(dǎo)熱性越好則傳熱端差δt越小，真空就越高，但導(dǎo)熱性好的材料，其價(jià)格也高，一般凝結(jié)器冷卻管為黃銅管（H68A）；冷卻管表面清潔度越高則傳熱端差δt越小，真空就越高。當(dāng)冷卻管水側(cè)表面結(jié)水垢后，由于水垢的傳熱系數(shù)為0.58 W/（m.K）不到黃銅70 W/（m.K）的百分之一左右，因而水垢的存在阻礙了冷卻水與排汽的熱交換，使得傳熱端差δt升高，真空降低，水垢越多，真空越低；由于真空系統(tǒng)不能絕對(duì)嚴(yán)密而從外界漏入空氣，以及蒸汽中所含的不凝結(jié)氣體在蒸汽凝結(jié)時(shí)被析出，空氣會(huì)使冷卻水管表面形成一層空氣膜，由于空氣的傳熱系數(shù)為0.026 W/（m.K）只有黃銅70 W/（m. K）的萬(wàn)分之四左右，降低了傳熱效果，凝結(jié)器中空氣含量越多則傳熱端差δt越大，真空就越低。

已安裝使用的凝結(jié)器其冷凝器冷卻面積和冷卻管材料已不可改變，因此凝結(jié)器傳熱端差δt或者說(shuō)真空的高低主要與冷卻管表面清潔度、排汽中空氣含量有關(guān)。

3 凝結(jié)器真空下降原因判斷及應(yīng)對(duì)措施

影響凝結(jié)器真空的環(huán)節(jié)和因素很多，凝結(jié)器的真空是凝汽設(shè)備各部分運(yùn)行狀況的集中反映，只要凝汽設(shè)備的任意一部分失常，都會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)器真空的降低，這就決定了查找凝結(jié)器真空降低的具體原因不是一件容易的工作。但從前面理論分析得出冷卻水進(jìn)口溫度t1、冷卻水溫升Δt、凝結(jié)器傳熱端差δt是影響凝結(jié)器真空的根本原因，只要這三個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)升高就會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)器真空下降。因此，只要根據(jù)這三個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律結(jié)合查找影響凝結(jié)器真空的具體環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的切實(shí)可行的措施，從而達(dá)到汽輪機(jī)長(zhǎng)期在高真空狀況下運(yùn)行的目的。而凝結(jié)器真空下降速度有緩慢下降和快速下降兩種情況，處理的原則是，首先在確保汽輪機(jī)安全運(yùn)行且盡量不停機(jī)的前提下根據(jù)真空下降速度適時(shí)降低汽輪機(jī)負(fù)荷，然后再查找并處理真空下降的問(wèn)題。

3.1 冷卻水進(jìn)口溫度t1高導(dǎo)致的真空下降

夏季時(shí)，冷卻水進(jìn)口溫度t1高，而冷卻水溫升Δt、凝結(jié)器傳熱端差δt這兩個(gè)參數(shù)正常，這是自然規(guī)律，屬正?，F(xiàn)象。

但是，若冷卻水溫升Δt、凝結(jié)器傳熱端差δt這兩個(gè)參數(shù)正常，而冷卻水進(jìn)口溫度t1比往年同期高，則屬不正?，F(xiàn)象。對(duì)于采用冷卻塔的閉式循環(huán)供水系統(tǒng)，主要是冷卻水塔的工作狀況不良造成，如冷卻塔噴嘴堵塞、破損，以及上冷卻塔的循環(huán)水壓力下降等會(huì)使噴嘴霧化效果減弱，降低了水珠與上升空氣的對(duì)流換熱。例如本部25 MW汽輪發(fā)電機(jī)組冷卻塔噴嘴直徑較小只有9 mm，經(jīng)常被清洗凝結(jié)器的直徑為20 mm的漏網(wǎng)膠球堵塞造成真空下降；對(duì)于像本部18 MW干熄焦汽輪發(fā)電機(jī)組所采用的旋轉(zhuǎn)噴嘴帶動(dòng)抽風(fēng)機(jī)的冷卻塔，會(huì)經(jīng)常因抽風(fēng)機(jī)減磨片損壞使其轉(zhuǎn)速降低或不旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在冷卻塔中與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換的冷空氣量減少，降低了水珠與上升空氣的對(duì)流換熱；又如三燒、四燒低溫發(fā)電機(jī)組采用的是機(jī)力通風(fēng)冷卻塔，當(dāng)通風(fēng)機(jī)因故障而停運(yùn)后，導(dǎo)致在冷卻塔中與冷卻循環(huán)水進(jìn)行熱交換的冷空氣量減少，降低了水珠與上升空氣的對(duì)流換熱。

處理措施：疏通被堵塞的噴嘴；更換破損的噴嘴；更換損壞的抽風(fēng)機(jī)減磨片；盡快使故障停運(yùn)的通風(fēng)機(jī)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 冷卻水溫升Δt高導(dǎo)致的真空下降

(1)當(dāng)凝結(jié)器冷卻水管管板臟污、出口水室存有空氣，使冷卻水量減少。

現(xiàn)象：冷卻水溫升Δt超過(guò)正常值，而凝結(jié)器的負(fù)荷和冷卻水的進(jìn)口水溫不變，水阻增加，冷卻水進(jìn)口壓力增加，端差δt在正常范圍內(nèi)或有少許升高。

處理措施是：停機(jī)后清掃凝結(jié)器管板臟物；汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)啟出口水室排氣管閥門放出積于出口水室的空氣。

(2)冷卻水出口水管閥門未全開(kāi)、冷卻塔噴嘴堵塞，膠球回收網(wǎng)堵塞（本部25 MW、18 MW專用），使冷卻水量減少。

現(xiàn)象：冷卻水溫升Δt超過(guò)正常值，凝結(jié)器負(fù)荷和冷卻水進(jìn)口水溫不變，冷卻水進(jìn)口壓力增加，凝結(jié)器水阻降低，端差δt變化不大。

處理措施：開(kāi)大冷卻水出口管閥門；疏通冷卻塔噴嘴；停機(jī)后疏通膠球回收網(wǎng)。

(3)冷卻水出口管上部虹吸破壞，致使冷卻水量減小。

現(xiàn)象：冷卻水溫升Δt超過(guò)正常值，凝結(jié)器負(fù)荷和冷卻水入口水溫不變，冷卻水出口管負(fù)壓減小，凝結(jié)器水阻減小，端差δt變化不大。

處理措施是：?jiǎn)?dòng)虹吸抽氣器措施恢復(fù)虹吸作用。

(4)循環(huán)水泵故障（如水泵入口管濾網(wǎng)堵塞、水泵葉輪氣蝕嚴(yán)重、入口閥卡澀處于半開(kāi)狀態(tài)等）或吸入空氣或故障停運(yùn)，使冷卻水量減少。

現(xiàn)象：冷卻水溫升Δt超過(guò)正常值，冷卻水壓力降低，凝結(jié)器負(fù)荷和冷卻水入口水溫不變。

措施：消除循環(huán)水泵缺陷造成的故障；打開(kāi)循環(huán)水泵排氣閥，排除水泵空氣；恢復(fù)循環(huán)水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 凝結(jié)器傳熱端差δt高導(dǎo)致的真空下降

(1)凝汽器冷卻管水側(cè)臟污、結(jié)垢。

現(xiàn)象：凝結(jié)器在不同負(fù)荷下凝結(jié)水溫度都比以前高，傳熱端差δt增大，冷卻水進(jìn)口水溫不變，冷卻水溫升Δt稍有增大，凝結(jié)器真空嚴(yán)密性試驗(yàn)證明沒(méi)有過(guò)量空氣漏入。

處理措施：停機(jī)后用高壓清洗機(jī)清洗冷卻管；汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)冷卻管進(jìn)行化學(xué)在線清洗；汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下定期啟動(dòng)膠球清洗系統(tǒng)用膠球清洗冷卻管，但是本部25 MW發(fā)電機(jī)組在用膠球清洗時(shí)，要采取防止膠球從膠球回收網(wǎng)遺漏到冷卻塔堵塞噴嘴進(jìn)而降低冷卻效果的措施，為徹底解決這一問(wèn)題，已于2012年9月將本部25 MW發(fā)電機(jī)組的膠球回收網(wǎng)更換成膠球回收率達(dá)100%的回收網(wǎng)。

(2)空氣漏入凝結(jié)器，如軸封供汽壓力低從低壓軸封處漏空氣，真空系統(tǒng)管道法蘭、閥門盤根處漏空氣，真空系統(tǒng)的密封水中斷使空氣漏入，凝結(jié)水泵吸入側(cè)盤根不嚴(yán)密漏入空氣等。

現(xiàn)象：汽輪機(jī)排汽溫度上升，傳熱端差δt增加，冷卻水出口水溫不變，凝結(jié)水溫度降低，過(guò)冷度增加，真空嚴(yán)密性試驗(yàn)證明有空氣漏入凝汽器。

處理措施：調(diào)整軸封供汽壓力使其正常；用燭焰或?qū)Ｓ玫臋z漏儀檢漏仔細(xì)地找出泄漏處，并及時(shí)消除。機(jī)組大、中修后應(yīng)對(duì)真空系統(tǒng)灌水找漏，消除泄漏點(diǎn)，確保在運(yùn)行中真空系統(tǒng)嚴(yán)密；保持足夠的真空系統(tǒng)密封水；擰緊或更換凝結(jié)水泵入口側(cè)盤根。

(3)射水抽氣器工作不正常，如噴嘴結(jié)垢或損壞或堵塞、逆止閥閥芯脫落堵塞噴嘴、射水箱水溫高、射水泵故障或射水管破裂使抽氣器工作水的壓力低或中斷等。

現(xiàn)象：同（2），但試驗(yàn)證明無(wú)過(guò)量空氣漏入凝汽器。

處理措施：如果有備用抽氣器，則待啟動(dòng)備用抽氣器運(yùn)行正常后，停止故障抽氣器進(jìn)行檢修；若因射水泵故障而引起的抽氣器工作水的壓力低或中斷，則啟動(dòng)備用泵正常后，停止故障射水泵進(jìn)行檢修；焊補(bǔ)破裂的射水管；若射水箱水溫高，則向射水箱補(bǔ)充新水以降低射水溫度。

(4)凝結(jié)器滿水，如凝結(jié)水泵真空部位漏空氣打不出水，凝結(jié)水泵故障，造成凝結(jié)水不能從凝結(jié)器中排出，水位過(guò)高；凝結(jié)器冷卻管破裂，冷卻水漏入凝結(jié)水中。

現(xiàn)象：凝汽器水位升高到空氣管管口，冷卻水出口水溫不變，端差δt增大，凝結(jié)水溫度降低、過(guò)冷度增大，如果是冷卻管破裂則 有凝結(jié)水硬度增大的現(xiàn)象發(fā)生。

處理措施：凝結(jié)水泵故障不能消除時(shí)，應(yīng)立即啟動(dòng)備用泵，恢復(fù)凝汽器的正常工作，然后查找漏空氣部位或其它缺陷加以消除；檢查和化驗(yàn)?zāi)Y(jié)水硬度，證實(shí)凝汽器銅管破裂或脹口漏水，可在運(yùn)行中停止半面凝汽器或在停機(jī)后堵漏。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，造成汽輪機(jī)凝結(jié)器真空下降的具體原因很多，須從冷卻水進(jìn)口溫度t1、冷卻水溫升Δt、凝結(jié)器傳熱端差δt等三個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律入手，結(jié)合影響凝結(jié)器真空的每一個(gè)系統(tǒng)和環(huán)節(jié)，查找具體原因，視凝結(jié)器真空下降的緩慢程度，根據(jù)造成的具體原因不同而采取不同的處理方法。并根據(jù)凝結(jié)器真空值的下降數(shù)，依照運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定降低機(jī)組負(fù)荷采取措施給以解決。減負(fù)荷過(guò)程中，若故障一時(shí)處理不了，凝結(jié)器真空值降到允許最低值時(shí)仍繼續(xù)下降，則需停機(jī)處理。

Causes of Vacuum Reduction in Medium and Small Steam Turbines and Countermeasures

QU Yunhai,SHAO Yongxiu
（The Power and Energy Co.of Kunming Iron and Steel Group,Anning,Yunnan 650302,China）

The function of the condenser of steam turbine was analyzed,and the main causes of vacuum reduction in the condenser of medium and small steam turbines were investigated and based on this measures to increase the vacuum degree of the condenser of steam turbine were put forward.

condenser;vacuum;temperature of discharged steam;end difference of heat transfer

TK264.1

B

1006-6764（2014）03-0047-04

2013-10-23

屈云海（1965-），男，畢業(yè)于云南工學(xué)院電廠熱能動(dòng)力工程專業(yè)，熱能高級(jí)工程師，現(xiàn)從事熱能技術(shù)管理工作。