凝汽器液位高低的探討

大唐陽(yáng)城發(fā)電有限責(zé)任公司 宋 頡

1 凝汽器概述

1.1 凝汽器內(nèi)部蒸汽的凝結(jié)過(guò)程

蒸汽在凝汽器中的凝結(jié)是有序的，如圖1，內(nèi)部管束布置成楔形，汽輪機(jī)低壓排出的蒸汽進(jìn)入凝汽器后，一部分蒸汽在經(jīng)管束向下方流動(dòng)，凝結(jié)的水滴落到空冷區(qū)的擋板上后進(jìn)入管束迎流區(qū)，一部分蒸汽沿兩側(cè)直接從管束底部向上通過(guò)管束迎流區(qū)凝結(jié)同時(shí)加熱從上方流下的凝結(jié)水，一方面除氧、另一方面減少凝結(jié)水過(guò)冷度。真空泵的抽吸作用使空冷區(qū)形成較低的壓力，引導(dǎo)蒸汽向該區(qū)域流動(dòng)，最后管束中所有不凝結(jié)氣體流經(jīng)該區(qū)域后不斷被抽走。

圖1 凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.2 凝結(jié)水結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及回?zé)嵯到y(tǒng)

凝汽器剛性地座在水泥基礎(chǔ)上，売體板下部中心處設(shè)有固定死點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)以死點(diǎn)為中心向四周自由膨脹，凝汽器與后汽缸之間設(shè)有橡膠補(bǔ)償節(jié)，補(bǔ)償相互間的差。循環(huán)水連通管及后水室均設(shè)有支架支撐，并且允自由滑動(dòng)，以適應(yīng)凝汽器自身的膨脹。后水室處的管板與殼體間布置有波形補(bǔ)償節(jié)，用以補(bǔ)償殼體與冷卻管縱向熱膨脹的差值，同時(shí)也改善了冷卻管的振動(dòng)情況，并減少了凝汽器冷卻管與管板間的焊口處所承受的拉力或壓力。每個(gè)凝汽器下部均有四只小支撐座和四只大支撐座，呈對(duì)稱(chēng)布置，在每個(gè)支撐座下面布置有調(diào)整墊鐵。凝汽器下部正中央布置凝汽器的死點(diǎn)座。為避免高壓或高溫對(duì)管子及構(gòu)件的沖擊，裝設(shè)有導(dǎo)流板和分流板，其厚度不小于10mm，材料為不銹鋼。導(dǎo)流板和分流板還可防止蒸汽上升進(jìn)入汽輪機(jī)的排汽缸。凝汽器在管束間采用了合理的汽側(cè)通道設(shè)計(jì)，其目的是使凝汽器在各種條件下有較佳的汽流分配，同時(shí)降低汽阻損失和保證凝汽器出口凝結(jié)水過(guò)冷度。凝汽器進(jìn)口水室的入口接管安裝在離管板較遠(yuǎn)的部位，其目的是防止紊流的產(chǎn)生而造成入口管板處的冷卻管道侵蝕，同時(shí)還可保證所有冷卻管道通流流量的均勻分配。

大功率機(jī)組雙背壓凝汽器大都采用凝結(jié)水回?zé)嵫b置，以減小凝結(jié)水過(guò)冷，提高機(jī)組循環(huán)熱效率。在該凝汽的低壓側(cè)殼體內(nèi)設(shè)有集水板，從集水板下引出兩根凝結(jié)水回?zé)嶂鞴埽ㄟ^(guò)低壓側(cè)熱井引向高壓側(cè)熱井并與高壓側(cè)熱井中的回?zé)峁芟迪嘟?。高壓?cè)、低壓側(cè)熱井之間有凝結(jié)水連通管，回?zé)嶂鞴軓闹写┻^(guò)與淋水盤(pán)相連。

2 凝汽器液位高低對(duì)運(yùn)行中的探討

液位計(jì)說(shuō)明：開(kāi)關(guān)量為浮球式液位計(jì)、模擬量為電容式液位計(jì)。

2.1 凝汽器液位運(yùn)行中的連鎖關(guān)系

圖2 凝汽器液位計(jì)的布置

表1 凝結(jié)水系統(tǒng)的報(bào)警值

高壓凝汽器水位＞1120mm，自動(dòng)開(kāi)凝結(jié)水再循環(huán)旁路閥（LCA33AA003）；高壓和低壓凝汽器水位都≥710mm，自動(dòng)關(guān)閉凝汽器補(bǔ)水調(diào)閥（LCP30AA101）；高壓和低壓凝汽器水位都≤710mm，延時(shí)10s，自動(dòng)關(guān)閉凝結(jié)水再循環(huán)旁路閥（LCA33AA003）；高壓和低壓凝汽器水位都≥250mm，延時(shí)5s，凝汽器補(bǔ)水旁路閥（LCP30AA003）自動(dòng)關(guān)閉；高壓凝汽器水位＜100mm，自動(dòng)開(kāi)凝汽器補(bǔ)水旁路閥（LCP30AA003）；高壓凝汽器水位與凝汽器水位設(shè)定值偏差≥300mm，且凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)門(mén)投自動(dòng)，凝結(jié)水再循環(huán)調(diào)門(mén)（LCA33AA101）自動(dòng)開(kāi)啟，該調(diào)閥開(kāi)度超過(guò)2%發(fā)“W”報(bào)警。

2.2 凝汽器液位高低的危害

凝汽器液位高的危害：液位高至淹沒(méi)部分凝汽器換熱面，汽輪機(jī)汽側(cè)凝結(jié)的空間降低，換熱面積減小，排汽溫度上升，背壓上升，機(jī)組的效率下降；凝結(jié)水過(guò)冷度增加，鍋爐燃燒量增強(qiáng)，還會(huì)由于凝汽器換熱面積降低、單位面積熱負(fù)荷增加，致上端差增大；凝結(jié)水溫變低，引起除氧器工作惡化，致使除氧器含氧量高、汽水兩相振動(dòng)；給水含氧量變大，鍋爐受熱面腐蝕加劇，凝結(jié)水泵耗電率增加；若液位繼續(xù)上升高過(guò)抽空氣管口時(shí)，會(huì)引起真空泵運(yùn)行惡化，背壓急劇上升，造成低壓缸末級(jí)水沖擊，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。

凝汽器液位低的危害：液位過(guò)低，凝結(jié)水泵耗電率降低，嚴(yán)重則會(huì)使水泵產(chǎn)生汽蝕，運(yùn)行時(shí)使水泵產(chǎn)生振動(dòng)及電流擺動(dòng)的現(xiàn)象；液位過(guò)低引起凝結(jié)水泵不通過(guò)軸封冷卻器、軸封加熱器運(yùn)行異常，軸封風(fēng)機(jī)電流升高；液位過(guò)低凝結(jié)水泵出力降低，使凝結(jié)水各用戶工作異常，影響整個(gè)機(jī)組的安全。

2.3 凝汽器液位高的探討

2.3.1 液位高的情況

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中：凝結(jié)水未回收；凝結(jié)水回收后調(diào)整除氧器液位過(guò)程中。

正常運(yùn)行中：凝結(jié)水泵故障停泵；低頻率使凝結(jié)水泵出力不足；凝結(jié)水泵進(jìn)口濾網(wǎng)有雜物，堵塞入口管道；運(yùn)行中負(fù)荷增加過(guò)快、凝補(bǔ)水量增加過(guò)快等原因，使凝結(jié)水泵出力不足致使凝結(jié)水不能及時(shí)排出；凝結(jié)水泵出口不暢，如上水閥誤關(guān)、除氧器噴嘴部分堵塞等；凝結(jié)水小流量循環(huán)閥誤開(kāi)；凝汽器泄漏（銅管）。

2.3.2 不同工況下水位高的分析

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中：凝結(jié)水未回收工況。啟動(dòng)初期，凝結(jié)水水質(zhì)不合格，需要沖洗，沖洗又分為管道沖洗和低加沖洗兩步進(jìn)行，先沖管道及低加旁路，待出水合格后再?zèng)_洗低加系統(tǒng)，沖洗水放至雨水井，當(dāng)沖洗合格后除氧器才能上水。而沖洗一般采用大流量沖洗，因此需集聚一定量的水。啟動(dòng)中雖然有凝補(bǔ)水，但為節(jié)約用水一般設(shè)定凝汽器液位為600mm，剩余的水量主要來(lái)至主再熱蒸汽管道疏水、軸封溢流、及高低旁的回收水，因此凝汽器水位的集聚是不確定的，這也是容易使凝汽器液位高的原因。

凝結(jié)水回收后調(diào)整除氧器的液位過(guò)程中（一般主要在沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)前后）：這個(gè)階段主要是調(diào)節(jié)除氧器水位而忽視凝汽器液位高，此時(shí)由于鍋爐的蒸發(fā)量低（特別是并網(wǎng)前屏過(guò)壁溫高是二期機(jī)組啟動(dòng)控制的難點(diǎn)，尤其在第二臺(tái)磨啟動(dòng)后要時(shí)刻監(jiān)視屏過(guò)壁溫，緩慢增加磨得出力，由于受壁溫所限鍋爐燃料量只能在一個(gè)較低的范圍），因此除氧器水位下降緩慢，最終導(dǎo)致的就是凝汽器液位高。

綜上所述，在啟動(dòng)過(guò)程中凝汽器液位高是最容易出現(xiàn)的。

2.3.3 正常運(yùn)行中

非事故情況下：機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷與除氧器水位、凝汽器熱井水位的關(guān)聯(lián)如下：機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷增加時(shí)，首先為低壓缸蒸汽流量增加，凝汽器熱井水位的升高，接著就會(huì)反映到汽包水位降低而增加給水泵的出力，除氧器水位降低。然后凝結(jié)水上水閥開(kāi)度增加，穩(wěn)定除氧器水位，凝汽器液位降低。最后凝汽器補(bǔ)水門(mén)開(kāi)度增加，保持熱井水位穩(wěn)定；機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷降低時(shí)，首先為低壓缸蒸汽流量降低，凝汽器熱井水位的降低，接著反映到汽包水位上升，使給水泵的出力降低，減少汽包給水，除氧器水位升高，凝結(jié)水上水閥開(kāi)度減小，穩(wěn)定除氧器液位，最后凝汽器補(bǔ)水門(mén)減小開(kāi)度，保持熱井水位穩(wěn)定。

以上說(shuō)明機(jī)組升負(fù)荷的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)水位的暫時(shí)升高，但這只是暫時(shí)的，負(fù)荷穩(wěn)定后會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間內(nèi)。由于冬天供熱的需要，其回水會(huì)有一部分回至凝汽器，同時(shí)由于輔汽一二期相連（一期主機(jī)有高壓比保護(hù)，一期輔汽設(shè)定壓力高，因此二期輔汽供氣量相對(duì)較少），再加上凝補(bǔ)水供凝汽器調(diào)門(mén)存在內(nèi)漏。因此，實(shí)際運(yùn)行中凝汽器的液位較設(shè)定值高，有時(shí)高壓側(cè)凝汽器液位會(huì)超過(guò)高一值710mm。特別是夏天高負(fù)荷背壓高，高壓側(cè)凝汽器液位會(huì)達(dá)到高二值1120mm。

事故情況下可歸納為兩種：主要為凝泵故障，聯(lián)啟不正常、入口濾網(wǎng)堵塞、上水調(diào)閥故障等，發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象，首要的就是快降負(fù)荷，消除故障，否則停機(jī)處理；凝汽器泄漏（銅管）會(huì)影響到凝結(jié)水水質(zhì)，迅速打閘停機(jī)，降低循環(huán)水的壓力。

2.4 凝汽器液位高保護(hù)是否應(yīng)該投入

查閱規(guī)程的參數(shù)如下：低壓缸排汽流量（T/h）在50%、75%、100%額定出力工況下分別為716.19/991.57/1326.17，在額定出力工況下凝結(jié)水的過(guò)冷度為0.5℃。

圖3 凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

查閱汽機(jī)培訓(xùn)教材：汽器殼體下部有較大的存水空間，可存儲(chǔ)5分鐘的凝結(jié)水量。凝結(jié)水集水箱為矩形，位于凝汽器下部殼體的底部，其上部裝有凝結(jié)水出水管及排水管，排水管上裝有真空隔離門(mén)，該隔離門(mén)能在1小時(shí)內(nèi)排出正常水位下的全部凝結(jié)水；熱井水位控制不低于既可保證正常的回?zé)嵝Ч?、又可保證在汽輪機(jī)突然關(guān)閉主汽閥后3分鐘的凝結(jié)水量時(shí)的水位。

由凝汽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖紙可知：最低排冷卻管中心標(biāo)高為0.874米，也就是說(shuō)凝汽器液位超過(guò)874mm凝結(jié)水就會(huì)淹沒(méi)部分管束，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，因此啟動(dòng)中、運(yùn)行中都不應(yīng)超過(guò)874mm，同時(shí)日常運(yùn)行中還應(yīng)監(jiān)視過(guò)冷度不超過(guò)0.5℃，但實(shí)際運(yùn)行中凝汽器液位高于710mm就會(huì)引起過(guò)冷度大于0.5℃；水位計(jì)的零點(diǎn)為凝汽器底板，最大測(cè)量量程為2000mm，（查閱凝汽器圖紙）凝汽器真空吸入腔室最低點(diǎn)距離凝汽器底板3500mm，即真空泵吸入口距離凝汽器可視最高水位高約1500mm，考慮芯管影響，核算水量增加約40噸（估算）就能淹沒(méi)真空泵的吸入口。

由規(guī)程的參數(shù)和機(jī)培訓(xùn)教材中查閱的數(shù)據(jù)可算出，凝結(jié)水集水箱額定工況下可存儲(chǔ)5min的凝結(jié)水量為110.5t，從而可推算出75%額定出力工況下約7min集滿集水箱、50%額定出力工況下約9.2min集滿集水箱。

綜上，日常運(yùn)行中凝汽器水位的調(diào)整不僅只在于液位的監(jiān)視，還有過(guò)冷度、端差，以及液位超量程后水量增加的量是否威脅機(jī)組的安全。凝汽器水位開(kāi)關(guān)量信號(hào)取自熱井，凝汽器水位高可能是熱力回?zé)嵯到y(tǒng)回水或凝結(jié)水補(bǔ)水造成，不會(huì)造成凝結(jié)水水質(zhì)超標(biāo)，且由于凝汽器有足夠大的水容積、液位不會(huì)立即升高，因此有充足的時(shí)間去解決。若是汽輪機(jī)高位布置向下排汽，凝汽器布置在下方的，即使水位上升到淹沒(méi)凝汽器冷卻管，首先受影響的也是凝汽器真空，當(dāng)真空不能維持時(shí)，真空保護(hù)也會(huì)動(dòng)作跳閘汽輪機(jī)。若是由于循環(huán)冷卻水換熱管道大量泄漏造成液位高，可利用在線水質(zhì)分析儀及化學(xué)取樣及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可根據(jù)不同情況采取不同的措施，如必須停機(jī)處理手動(dòng)打閘也來(lái)得及，因而可退出凝汽器水位高跳閘保護(hù)信號(hào)。