中小汽轮机真空下降的原因分析及应对措施

屈云海，邵永秀

（昆明钢铁集团动力能源分公司,云南安宁 650302）

中小汽轮机真空下降的原因分析及应对措施

屈云海，邵永秀

（昆明钢铁集团动力能源分公司,云南安宁 650302）

分析了汽轮机凝汽器的作用，研究了导致中小汽轮机凝结器真空下降的主要原因，在此基础上提出了提高汽轮机凝结器真空度的措施。

凝结器；真空；排汽温度；传热端差

1 前言

保持汽轮机凝汽器在合理的真空下运行，是提高汽轮机设备运行的热经济性、节约燃料、降低发电成本的主要措施之一。当汽轮机凝汽器真空下降时将使汽轮机效率降低，据统计凝结器真空每下降1%，汽轮机的效率则下降1%～2%。在安全性方面，一，当凝汽器真空下降时，若依然保持汽轮机的负荷不变，将使汽轮机轴向推力增加，造成推力轴承温度升高，严重情况下发生推力轴承烧瓦事故；二，汽轮机末级蒸汽密度增加，末级蒸汽容积流量因之减少，造成动叶片根部汽流脱离和顶部汽流涡流，使叶片颤振，汽轮机长期在低真空状况下运行，将会造成末级动叶片疲劳断裂；三，汽轮机低压缸因排汽温度升高而变形，破坏联轴器中心的对称度，造成机组振动；四，使凝结水中含氧量增加，加剧了低压管道和低压加热器的氧腐蚀。

因此热力发电厂对凝结器真空要求很高，一旦发生真空下降应尽快查找原因采取措施加以解决，当真空下降到一定值时连锁保护动作自动停机。

昆钢动力能源分公司现有汽轮发电机组13台，其中10台为中温中压汽轮发电机组，其余3台为烧结低温余热汽轮发电机组。机组汽轮机设计排汽绝对压力大部分为0.0049 MPa,汽轮机在额定负荷下凝结器正常真空值为负73～75 kPa之间，凝结器真空低于-72 kPa时应查找原因并解决。

2 汽轮机凝结器的作用及导致汽轮机凝结器真空下降原因分析

汽轮机凝结器主要作用有二，一是使汽轮机的排汽部分形成并维持高度真空，使蒸汽尽可能地膨胀到很低的压力，保证汽轮机的最佳理想焓降；二是使凝结水得以回收。当汽轮机的排汽在凝结器中被冷却水冷却变成凝结水时，体积骤然缩小，因而凝结器内就会形成高度真空，同时用抽气器将漏入凝结器的空气和少部分不凝结的蒸汽抽走，以维持较高的凝结器真空。

汽轮机正常运行时，凝结器的真空与排汽温度的关系是饱和蒸汽压力和饱和蒸汽温度（即排汽温度）一一对应的关系，排汽温度低则凝结器真空高，反之也然。排汽温度可用以下数学表达式：

式中：tp为排汽温度，t1为冷却水进口温度，Δt为冷却水（又称循环水）温升，δt为凝结器传热端差（即排汽温度与冷却水出口温度之差）。

从（1）式看出，冷却水进口温度t1、冷却水温升Δt、传热端差δt是影响排汽温度或者说影响凝结器真空的主要原因。下面分别阐述：

1）冷却水（循环水）进口温度t1对凝结器真空的影响

若冷却水进口温度t1升高，则排汽温度升高，也即凝结器真空降低，反之，则真空高。实践证明冷却水进口温度每升高1℃，凝结器真空降低约0.3%。冷却水进口温度，受季节影响大，夏季气温高冷却水进口温度也高，冬季气温低冷却水进口温度也低。对于采用冷却塔的闭式循环供水系统，冷却水进口温度除受季节的影响外，还取决于冷却塔的工作状况，冷却塔冷却效果好，则冷却水进口温度低，真空高，反之，真空低。

2）冷却水温升Δt对凝结器真空的影响

冷却水温升Δt升高则排汽温度升高，也即凝结器真空降低，反之，则凝结器真空升高。根据凝结器排汽与冷却水热平衡可推导出冷却水温升Δt的数学表达式为：

式中：hp、hn分别为排汽焓和凝结水焓。m为凝结器的冷却倍率，m=排汽质量流量÷冷却水质量流量，表示凝结器每凝结1 kg蒸汽所需要的冷却水量。

从（1）、（2）式中看出，冷却倍率m越大，Δt值就越小，则凝结器真空就越高，但因此而消耗的冷却水量及循环水泵的功耗也越大，一般m值约在50～120之间，Δt值一般约在7.5～11℃之间，最佳的m值是通过技术经济比较确定的。另外Δt随汽轮机负荷的增加而升高，即凝结器真空随汽轮机负荷的增加而降低，这是因为汽轮机负荷与排汽量成正比例关系，凝结器冷却水所吸收的热量必然随汽轮机负荷的增加而增加，Δt因之增加，因此这不作为分析凝结器真空下降因素。

3）凝结器传热端差δt对凝结器真空的影响

凝结器传热端差δt与冷凝器冷却面积、传热量及传热系数有关（传热系数又与冷却管材料、冷却管表面清洁度、排汽中空气含量有关）。凝汽器冷却面积越大则端差δt越小，真空就越高，但消耗的金属就越多，现代汽轮机凝结器传热端差一般选择在3～10℃之间。传热系数越大则传热端差δt越小，真空就越高，冷却管材料的导热性越好则传热端差δt越小，真空就越高，但导热性好的材料，其价格也高，一般凝结器冷却管为黄铜管（H68A）；冷却管表面清洁度越高则传热端差δt越小，真空就越高。当冷却管水侧表面结水垢后，由于水垢的传热系数为0.58 W/（m.K）不到黄铜70 W/（m.K）的百分之一左右，因而水垢的存在阻碍了冷却水与排汽的热交换，使得传热端差δt升高，真空降低，水垢越多，真空越低；由于真空系统不能绝对严密而从外界漏入空气，以及蒸汽中所含的不凝结气体在蒸汽凝结时被析出，空气会使冷却水管表面形成一层空气膜，由于空气的传热系数为0.026 W/（m.K）只有黄铜70 W/（m. K）的万分之四左右，降低了传热效果，凝结器中空气含量越多则传热端差δt越大，真空就越低。

已安装使用的凝结器其冷凝器冷却面积和冷却管材料已不可改变，因此凝结器传热端差δt或者说真空的高低主要与冷却管表面清洁度、排汽中空气含量有关。

3 凝结器真空下降原因判断及应对措施

影响凝结器真空的环节和因素很多，凝结器的真空是凝汽设备各部分运行状况的集中反映，只要凝汽设备的任意一部分失常，都会导致凝结器真空的降低，这就决定了查找凝结器真空降低的具体原因不是一件容易的工作。但从前面理论分析得出冷却水进口温度t1、冷却水温升Δt、凝结器传热端差δt是影响凝结器真空的根本原因，只要这三个参数中的任意一个升高就会导致凝结器真空下降。因此，只要根据这三个参数的变化规律结合查找影响凝结器真空的具体环节，并采取相应的切实可行的措施，从而达到汽轮机长期在高真空状况下运行的目的。而凝结器真空下降速度有缓慢下降和快速下降两种情况，处理的原则是，首先在确保汽轮机安全运行且尽量不停机的前提下根据真空下降速度适时降低汽轮机负荷，然后再查找并处理真空下降的问题。

3.1 冷却水进口温度t1高导致的真空下降

夏季时，冷却水进口温度t1高，而冷却水温升Δt、凝结器传热端差δt这两个参数正常，这是自然规律，属正常现象。

但是，若冷却水温升Δt、凝结器传热端差δt这两个参数正常，而冷却水进口温度t1比往年同期高，则属不正常现象。对于采用冷却塔的闭式循环供水系统，主要是冷却水塔的工作状况不良造成，如冷却塔喷嘴堵塞、破损，以及上冷却塔的循环水压力下降等会使喷嘴雾化效果减弱，降低了水珠与上升空气的对流换热。例如本部25 MW汽轮发电机组冷却塔喷嘴直径较小只有9 mm，经常被清洗凝结器的直径为20 mm的漏网胶球堵塞造成真空下降；对于像本部18 MW干熄焦汽轮发电机组所采用的旋转喷嘴带动抽风机的冷却塔，会经常因抽风机减磨片损坏使其转速降低或不旋转，导致在冷却塔中与冷却循环水进行热交换的冷空气量减少，降低了水珠与上升空气的对流换热；又如三烧、四烧低温发电机组采用的是机力通风冷却塔，当通风机因故障而停运后，导致在冷却塔中与冷却循环水进行热交换的冷空气量减少，降低了水珠与上升空气的对流换热。

处理措施：疏通被堵塞的喷嘴；更换破损的喷嘴；更换损坏的抽风机减磨片；尽快使故障停运的通风机恢复正常运转。

3.2 冷却水温升Δt高导致的真空下降

(1)当凝结器冷却水管管板脏污、出口水室存有空气，使冷却水量减少。

现象：冷却水温升Δt超过正常值，而凝结器的负荷和冷却水的进口水温不变，水阻增加，冷却水进口压力增加，端差δt在正常范围内或有少许升高。

处理措施是：停机后清扫凝结器管板脏物；汽轮机运行状态下开启出口水室排气管阀门放出积于出口水室的空气。

(2)冷却水出口水管阀门未全开、冷却塔喷嘴堵塞，胶球回收网堵塞（本部25 MW、18 MW专用），使冷却水量减少。

现象：冷却水温升Δt超过正常值，凝结器负荷和冷却水进口水温不变，冷却水进口压力增加，凝结器水阻降低，端差δt变化不大。

处理措施：开大冷却水出口管阀门；疏通冷却塔喷嘴；停机后疏通胶球回收网。

(3)冷却水出口管上部虹吸破坏，致使冷却水量减小。

现象：冷却水温升Δt超过正常值，凝结器负荷和冷却水入口水温不变，冷却水出口管负压减小，凝结器水阻减小，端差δt变化不大。

处理措施是：启动虹吸抽气器措施恢复虹吸作用。

(4)循环水泵故障（如水泵入口管滤网堵塞、水泵叶轮气蚀严重、入口阀卡涩处于半开状态等）或吸入空气或故障停运，使冷却水量减少。

现象：冷却水温升Δt超过正常值，冷却水压力降低，凝结器负荷和冷却水入口水温不变。

措施：消除循环水泵缺陷造成的故障；打开循环水泵排气阀，排除水泵空气；恢复循环水泵正常运转。

3.3 凝结器传热端差δt高导致的真空下降

(1)凝汽器冷却管水侧脏污、结垢。

现象：凝结器在不同负荷下凝结水温度都比以前高，传热端差δt增大，冷却水进口水温不变，冷却水温升Δt稍有增大，凝结器真空严密性试验证明没有过量空气漏入。

处理措施：停机后用高压清洗机清洗冷却管；汽轮机运行状态下对冷却管进行化学在线清洗；汽轮机运行状态下定期启动胶球清洗系统用胶球清洗冷却管，但是本部25 MW发电机组在用胶球清洗时，要采取防止胶球从胶球回收网遗漏到冷却塔堵塞喷嘴进而降低冷却效果的措施，为彻底解决这一问题，已于2012年9月将本部25 MW发电机组的胶球回收网更换成胶球回收率达100%的回收网。

(2)空气漏入凝结器，如轴封供汽压力低从低压轴封处漏空气，真空系统管道法兰、阀门盘根处漏空气，真空系统的密封水中断使空气漏入，凝结水泵吸入侧盘根不严密漏入空气等。

现象：汽轮机排汽温度上升，传热端差δt增加，冷却水出口水温不变，凝结水温度降低，过冷度增加，真空严密性试验证明有空气漏入凝汽器。

处理措施：调整轴封供汽压力使其正常；用烛焰或专用的检漏仪检漏仔细地找出泄漏处，并及时消除。机组大、中修后应对真空系统灌水找漏，消除泄漏点，确保在运行中真空系统严密；保持足够的真空系统密封水；拧紧或更换凝结水泵入口侧盘根。

(3)射水抽气器工作不正常，如喷嘴结垢或损坏或堵塞、逆止阀阀芯脱落堵塞喷嘴、射水箱水温高、射水泵故障或射水管破裂使抽气器工作水的压力低或中断等。

现象：同（2），但试验证明无过量空气漏入凝汽器。

处理措施：如果有备用抽气器，则待启动备用抽气器运行正常后，停止故障抽气器进行检修；若因射水泵故障而引起的抽气器工作水的压力低或中断，则启动备用泵正常后，停止故障射水泵进行检修；焊补破裂的射水管；若射水箱水温高，则向射水箱补充新水以降低射水温度。

(4)凝结器满水，如凝结水泵真空部位漏空气打不出水，凝结水泵故障，造成凝结水不能从凝结器中排出，水位过高；凝结器冷却管破裂，冷却水漏入凝结水中。

现象：凝汽器水位升高到空气管管口，冷却水出口水温不变，端差δt增大，凝结水温度降低、过冷度增大，如果是冷却管破裂则 有凝结水硬度增大的现象发生。

处理措施：凝结水泵故障不能消除时，应立即启动备用泵，恢复凝汽器的正常工作，然后查找漏空气部位或其它缺陷加以消除；检查和化验凝结水硬度，证实凝汽器铜管破裂或胀口漏水，可在运行中停止半面凝汽器或在停机后堵漏。

4 结束语

总之，造成汽轮机凝结器真空下降的具体原因很多，须从冷却水进口温度t1、冷却水温升Δt、凝结器传热端差δt等三个参数的变化规律入手，结合影响凝结器真空的每一个系统和环节，查找具体原因，视凝结器真空下降的缓慢程度，根据造成的具体原因不同而采取不同的处理方法。并根据凝结器真空值的下降数，依照运行规程的规定降低机组负荷采取措施给以解决。减负荷过程中，若故障一时处理不了，凝结器真空值降到允许最低值时仍继续下降，则需停机处理。

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，毕业于云南工学院电厂热能动力工程专业，热能高级工程师，现从事热能技术管理工作。