凝汽器內(nèi)不凝氣體對真空影響的分析

張國洋

（杭州汽輪輔機有限公司，浙江 杭州）

0 概 述

在凝汽式汽輪機組的熱力循環(huán)中，凝汽器將汽輪機的排汽凝結(jié)成水，并形成一定真空度，真空度越大，蒸汽的焓降越大，汽輪機做功也就越多。許多凝汽系統(tǒng)的氣密性差，凝汽器長期在真空度低于設(shè)計值的情況下運行。凝汽系統(tǒng)的性能不佳，嚴(yán)重影響整個機組的熱經(jīng)濟(jì)性，使煤耗率增加。例如在300 MW等級機組中，當(dāng)凝汽器真空度每降低l kPa，機組熱耗率約上升0.8%，煤耗率增約2.5g／kW·h。凝汽系統(tǒng)真空度不佳的原因有很多，如冷卻水進(jìn)口的水溫偏高、換熱管表面存有污垢、冷卻水的供水中斷或水量不足、真空系統(tǒng)的氣密性差、抽氣器的工作失常，還有因凝汽器水位升高使部分換熱管淹沒而減少了傳熱面積等。凝汽器存在超標(biāo)不凝氣體，也將對真空度產(chǎn)生影響，且難于查找。現(xiàn)僅從凝汽器內(nèi)存在不凝氣體著手，分析不凝氣體對真空度的影響，并對計算和測量方法進(jìn)行了優(yōu)化和總結(jié)。

1 不凝氣體的來源及影響

不凝氣體主要由三種形式進(jìn)入凝汽器。（1）隨汽輪機排汽和外界疏水進(jìn)入。（2）通過真空系統(tǒng)的設(shè)備和管道閥門進(jìn)入。（3）在加熱器的熱交換過程中釋放出的不凝結(jié)氣體。鍋爐的給水和補水水質(zhì)都有嚴(yán)格要求，因此，隨汽輪機排汽、補水、疏水而帶人的不凝氣量很少，主要來源是從真空系統(tǒng)的不嚴(yán)密處滲入。

滲入凝汽器的不凝氣是影響真空度的一個重要因素。機組正常運行時，進(jìn)入凝汽器的不凝氣量不到蒸汽量的萬分之一，雖然量很少，但危害極大。首先，真空系統(tǒng)嚴(yán)密性被破壞，意味著滲入真空系統(tǒng)的不凝氣量增加，不凝氣阻礙凝汽器內(nèi)的蒸汽放熱，使傳熱系數(shù)減小，端差增大，從而使真空度下降。滲入情況嚴(yán)重時，真空度被破壞，最終將導(dǎo)致停機。此外，滲入凝汽器的不凝氣增多，將使凝結(jié)水的過冷度和含氧量增加，對機組熱經(jīng)濟(jì)性和安全性都帶來不利影響。

1.1 不凝氣濃度對凝汽器內(nèi)傳熱及壓力的影響

不凝氣對蒸汽凝結(jié)放熱的影響，可從汽、氣混合物的凝結(jié)機理進(jìn)行定性說明。當(dāng)含有不凝氣的汽、氣混合物遇到低于蒸汽分壓力所對應(yīng)的飽和溫度時，緊靠壁面的蒸汽分子開始凝結(jié)，并在冷壁面形成一層凝結(jié)液膜。由于這部分蒸汽的凝結(jié)，使得靠近冷壁附近的蒸汽分壓力減少，并且越靠近壁面處減少得越多。根據(jù)道爾頓分壓定律，壁面各處混合物的總壓力不變，則越靠近壁面處不凝氣分壓力越大。所以靠近壁面處不凝氣的濃度比較大，形成一層氣膜，遠(yuǎn)離壁面處的蒸汽只有穿過這一氣膜才能達(dá)到液膜表面處凝結(jié)，因此與純凈飽和蒸汽凝結(jié)換熱相比，含不凝氣的蒸汽凝結(jié)換熱的熱阻，除包括凝結(jié)液熱阻和相間熱阻外，還多包括一項氣膜熱阻，而且氣膜熱阻往往是含不凝氣的蒸汽凝結(jié)換熱的主要熱阻。隨著不凝氣濃度的增加，氣膜熱阻占蒸汽側(cè)總熱阻的比例也越大，使得凝結(jié)率和蒸汽側(cè)換熱系數(shù)都明顯下降，最終使蒸汽凝結(jié)溫度升高，對應(yīng)的蒸汽飽和壓力隨之升高。汽、氣混合物的冷凝狀態(tài)，如圖1所示。

不凝氣的存在 除了改變傳熱狀態(tài)外，本身分壓力也將直接導(dǎo)致凝汽器壓力升高。當(dāng)不凝氣在凝汽器內(nèi)大量積聚時，不凝氣分壓力將不能被忽略，凝汽器壓力不能再視為蒸汽凝結(jié)溫度所對應(yīng)的飽和壓力，而是蒸汽分壓力與不凝氣分壓力之和。汽輪機真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性失?；虺闅馄鞒槲芰ο陆担鶗?dǎo)致不凝氣在凝汽器內(nèi)的積聚或濃度的增加，進(jìn)而使凝汽器的真空度下降，最終將影響機組的熱經(jīng)濟(jì)性。

圖1 汽、氣混合物冷凝示意圖

1.2 不凝氣含量對傳熱系數(shù)的影響

根據(jù)相關(guān)模型的試驗資料，當(dāng)熱負(fù)荷分別為2 kW、2.5kW、3kW 時，根據(jù)滲入的不同空氣量εa，測得傳熱系數(shù)K的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)凝汽器熱負(fù)荷對傳熱系數(shù)變化所對應(yīng)的臨界空氣含量影響不大，即凝汽器在不同熱負(fù)荷下，各臨界空氣相對含量的變化不大。傳熱系數(shù)隨漏空氣量的變化曲線，如圖2所示。

圖2 傳熱系數(shù)隨漏空氣量的變化

從圖2可知，曲線上有2個臨界點，不凝氣相對含量分別為：

εa＝0.7%、1.35%。當(dāng)不凝氣含量為0.7%時，傳熱系數(shù)下降7%，當(dāng)不凝氣含量為1.35%時，傳熱系數(shù)下降50% 。

在空氣含量的不同階段，傳熱系數(shù)均成線性變化，但各條直線的斜率都不同，據(jù)此模型可進(jìn)行類推，對高負(fù)荷機組做相關(guān)的定性分析。

2 凝汽系統(tǒng)氣密性評定

一般可以從質(zhì)和量兩個方面確定汽輪機組的嚴(yán)密性。嚴(yán)密性在質(zhì)方面的特性，可在切除抽氣設(shè)備后，用真空度的下降速率來體現(xiàn)。汽輪機組的運行狀態(tài)表明，當(dāng)進(jìn)入凝汽器的蒸汽流量和冷卻水溫度為常數(shù)時，真空度的下降速率與漏入的不凝氣量成線性關(guān)系。對于大型汽輪機組，若真空度每分鐘下降0.13～0.26kPa，則認(rèn)為系統(tǒng)的嚴(yán)密性良好，若真空度每分鐘下降0.39～0.52kPa，則認(rèn)為系統(tǒng)的嚴(yán)密性為合格，若真空度每分鐘下降大于0.52kPa，則認(rèn)為系統(tǒng)的嚴(yán)密性為不合格。

對凝汽設(shè)備嚴(yán)密性的評定，可按經(jīng)驗公式進(jìn)行估算：

式（1）中：（Da）ej—由抽氣器出口測出的被抽除不凝氣量，kg／h；

K1—嚴(yán)密性的修正系數(shù)，按真空系統(tǒng)嚴(yán)密性的優(yōu)秀、良好和中等而相應(yīng)取為1.0、2.0和3.5。

設(shè)計凝汽器時，根據(jù)式（1），可估算漏入不凝氣量的設(shè)計值，為使設(shè)計更加可靠，常取K1＝5。

3 不凝氣量的計算方法

凝汽器中不凝氣的滲入，主要是汽輪機裝置在處于真空狀態(tài)下時從不嚴(yán)密處漏入，也有小部分是由新蒸汽進(jìn)入汽輪機時夾帶來的。漏入不凝氣量的大小與凝汽器設(shè)備尺寸、結(jié)構(gòu)完善程度、安裝質(zhì)量和運行情況等因素有關(guān)。漏氣量也隨機組負(fù)荷減少而增大，如汽輪機空轉(zhuǎn)時，真空會一直延伸到汽輪機缸體內(nèi)部，真空范圍的擴(kuò)大，使漏入的不凝氣量大增。

估算漏入不凝氣量最大值的經(jīng)驗公式為：

式（2）中：DC—為凝汽器設(shè)計進(jìn)汽量，kg／h。

此估值較一般運行時數(shù)值大好幾倍，且沒有考慮真空系統(tǒng)中設(shè)備的尺寸、結(jié)構(gòu)等因素的影響，只能作為設(shè)計抽氣器時估計最大漏入不凝氣量。

在實際運行中漏入機組真空系統(tǒng)的不凝氣量，應(yīng)不超過表1中的數(shù)值（漏氣量的測定，應(yīng)在凝汽器蒸汽負(fù)荷為40%～100%時進(jìn)行）。

表1 真空系統(tǒng)漏氣量限制值

美國傳熱學(xué)會HEI《表面式蒸汽冷凝器標(biāo)準(zhǔn)》里推薦的不凝汽計算方法，既考慮了真空系統(tǒng)嚴(yán)密性的影響，又考慮了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸等。所以，在我國的工程設(shè)計中，均按HEI標(biāo)準(zhǔn)確定漏入的不凝氣量。

4 不凝氣量的測量方法分析

4.1 直接測量法

傳統(tǒng)的空氣流量測量方法是在抽氣設(shè)備吸入管道或排出管道上，直接對空氣流量進(jìn)行測量，測得的空氣流量就是漏入凝汽器及真空系統(tǒng)的空氣流量。因此，傳統(tǒng)的空氣流量測量方法也稱直接測量法。直接測量方法在實際運用中，存在許多缺點。

（1）實際測量中得到的氣體流量是空氣和蒸汽的混合物，不能直接得到抽出的空氣流量，且測量數(shù)值受氣體狀態(tài)參數(shù)的影響。

（2）在抽氣設(shè)備的吸入管路上加裝流量測量裝置后，增加了吸入管路的系統(tǒng)阻力，使抽氣設(shè)備的工作性能點偏離實際工作點，抽吸能力發(fā)生了變化。

（3）在相同吸入口壓力下，測量裝置抬高了凝汽器抽空氣口的壓力，導(dǎo)致凝汽器的壓力升高。

（4）在抽氣設(shè)備的出口管路上進(jìn)行測量，適用于射汽抽氣器和真空泵。由于射汽抽氣器排出的是蒸汽和空氣的混合物，將水蒸氣分離后，才能得到空氣流量，在實際操作中存在一定難度。在采用水環(huán)真空泵時，空氣從水中逸出速度較慢，真空泵排空氣管的管徑較大，因此，空氣流速過小，測量精度很低。

4.2 間接測量法

在凝汽器熱負(fù)荷和冷卻水進(jìn)口溫度及流量不變條件下，停運抽氣設(shè)備后，真空度下降速率與放入汽輪機真空系統(tǒng)的空氣流量成正比關(guān)系。凝汽器的放氣系統(tǒng)，如圖3所示。當(dāng)汽輪機處于穩(wěn)定工況下，假定漏入真空系統(tǒng)的空氣流量為G0，對應(yīng)停運抽氣設(shè)備后的真空度下降率的測量值為VH0，在保證機組運行參數(shù)穩(wěn)定的前提下，通過凝汽器放空氣管放入不同空氣流量（用質(zhì)量流量計進(jìn)行測量）ΔG1、ΔG2、ΔG3、… 、ΔGj，對機組的嚴(yán)密性進(jìn)行測量，對應(yīng)于每個放入空氣流量下機組的真空下降率為VH1、VH2、VH3、…、VHj。以放入空氣流量為橫坐標(biāo)，真空度的下降率為縱坐標(biāo)，將各交點相連，便得到放入空氣流量與真空度下降率的線性關(guān)系，如圖4所示。直線與縱坐標(biāo)交點的真空度下降率為VH0，其對應(yīng)的放氣量為零；直線與橫坐標(biāo)交點的真空度下降率為零，其對應(yīng)的放氣量為ΔG－1＝－G0（“－”號表示凝汽器向外抽空氣）。

圖3 凝汽器放空氣系統(tǒng)

圖4 真空放氣流量和真空下降率的關(guān)系曲線

間接測量法解決了凝汽器及真空系統(tǒng)漏入空氣流量的現(xiàn)場測量問題，同時，也解決了抽氣設(shè)備抽吸空氣流量的測量問題，為研究空氣對凝汽器與抽氣設(shè)備之間的影響關(guān)系奠定了基礎(chǔ)，也為抽氣設(shè)備的現(xiàn)場性能試驗，提供了一種新的思路。

5 真空系統(tǒng)的檢漏方式

由于汽輪機組的真空系統(tǒng)較為龐大，漏點的隱蔽性較大，凡是與真空系統(tǒng)相連的負(fù)壓系統(tǒng)都有可能造成泄漏，從而影響機組的嚴(yán)密性。對于真空系統(tǒng)有許多檢測漏方法。

5.1 灌水試驗。

汽輪機停運時，將水灌滿凝汽器的蒸汽空間，直至低壓缸汽封處，并使處于真空狀態(tài)下的設(shè)備和管道充滿水，檢查有否有水滲漏的地點，以確定系統(tǒng)的嚴(yán)密性。

5.2 氦質(zhì)譜檢漏

在機組運行時，使用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行真空檢漏。首先將氦質(zhì)譜檢漏儀的傳感器（即吸槍）置于真空泵汽水分離器的排氣口，將儀器調(diào)整到所需要的檢漏模式，在疑似的泄漏部位用噴槍噴吹極少量的氦氣。由于凝汽器存在內(nèi)、外壓差，氦氣將通過漏孔進(jìn)入凝汽器內(nèi)，隨后將被真空泵抽出并排至大氣。通過氦質(zhì)譜檢漏儀的吸槍及前級泵的抽吸作用，氦氣將進(jìn)入檢漏儀的質(zhì)譜室，在質(zhì)譜室內(nèi)的氣體分子被電離，由于不同的荷質(zhì)比而分離出來。質(zhì)量數(shù)為4的氦離子被收集下來，離子收集板的電流正比于收集到的氦離子數(shù)，經(jīng)放大后，以漏率值顯示在儀器上。漏率值的大小，直接反映了泄漏點的泄漏情況。

雖然氦質(zhì)譜檢漏儀可靠、靈敏度高，但是也有其局限性。在管道、閥門均有保溫層和閥門套時，需拆除閥門套及保溫層，工作量很大，有時也難于取得預(yù)期的檢測效果。

5.3 鹵素檢漏法

用含有鹵素（氟、氯、溴、碘）的氣體作為示漏氣體進(jìn)行檢漏，金屬鉑在800～900℃溫度下會發(fā)生正離子發(fā)射，當(dāng)遇到鹵素氣體時，這種發(fā)射會急劇增加。這就是所謂的“鹵素效應(yīng)”。

鹵素測試法與氦質(zhì)譜檢漏儀的測試原理相類似，但鹵素檢漏儀的指示值與鹵素氣體的濃度有關(guān)。一般情況下，低濃度的鹵素指示值是線性的，中等濃度的鹵素指示值是非線性的，而當(dāng)濃度很高時，儀器將出現(xiàn)飽和或中毒現(xiàn)象。所以，在進(jìn)行性能測試或檢漏時，進(jìn)入傳感器的鹵素氣體的濃度不宜高于百萬分之一。

5.4 超聲波檢漏法

任何氣體通過泄漏孔時都會產(chǎn)生渦流，會有超聲波的波段部份，使用超聲波檢測儀進(jìn)行檢測時，該檢測系統(tǒng)能夠感應(yīng)任何種類的氣體泄漏。用超聲波檢測儀對泄漏處進(jìn)行掃瞄，可從耳機聽到泄漏聲或看到數(shù)字顯示信號的變動。越接近泄漏點，越明顯。但現(xiàn)場嘈雜的噪音對檢測結(jié)果的影響很大。

此外，其他泄漏檢測法還有渦流法、火燭法、泡沫法等。

6 結(jié) 語

對凝汽器真空系統(tǒng)的不凝氣進(jìn)行了深入研究，從理論上分析了不凝氣對真空度的影響。通過研究模型數(shù)據(jù)，得到了不同負(fù)荷、漏氣量與傳熱系數(shù)的定量關(guān)系。對漏氣量進(jìn)行了定量計算，真空系統(tǒng)的檢漏可采用多種方法，也為凝汽器排除不凝氣對性能的影響及抽氣設(shè)備的設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。