调峰运行方式下机组真空严密性评价方法的探讨

安 欣，郭志海，刘丽春，杨 涛，崔光明

（1.西安热工研究院有限责任公司，西安 710032；2.华能海南东方电厂，海南 东方 572600）

火电湿冷机组的真空严密性是指负压系统即凝汽器汽侧、真空泵抽空气系统、其他负压部位以及与负压系统相连的各热工测点以及管道阀门的严密程度，通常以停运真空泵后的凝汽器真空单位时间的下降速率来表征。机组真空严密程度反映了漏入凝汽器及真空系统的空气流量大小，伴随着大量空气漏入凝汽器，凝结水过冷度和含氧量会急剧增加，凝结水至除氧器沿途管道的腐蚀也会加剧。凝结水过冷度每偏大1℃，对于一台600MW机组在30年的机组寿命期内造成的损失可达上千万元人民币［1］；文献［2］中提及当真空下降速率降低0.1kPa／min，其背压降低约0.1 kPa。而背压每降低1kPa，对于一台600MW机组供电煤耗会降低约2g／kWh。因此，科学、准确地评价机组的真空严密性，对于火电湿冷机组的经济性和安全性有着重大的意义。

1 真空严密性标准评价方法

汽轮机真空系统在实际运行中要达到完全严密是不现实的，但是可以实现一个动态的平衡，即真空系统内所出现的不凝结汽体均可以被抽气装置抽至系统外。从这个意义来讲，可以允许凝汽器存在一定的漏量，因此真空严密性的评价准则就是要确定进入系统的空气量。

1.1 用真空下降速率评价

当机组在某一个负荷点正常稳定运行时，此时可以认为进入凝汽器的蒸汽量和冷却水温度为恒值，即可以忽略凝汽器因换热因素对真空产生的影响。当抽气装置切除后，真空下降速率与进入系统的空气量呈现线性关系。这一点从某300MW国产机组的实际试验中也得到了证实，如图1所示。

图1 漏入空气量与真空下降率曲线

用真空下降速率评价真空系统的严密性，推荐由前苏联别儿曼提出的计算公式，应用的前提为机组带80%以上额定负荷：

式中 ΔH——真空下降速率，Pa／min；dk——凝汽器的蒸汽负荷率，kg／m2·h；B——真空严密性的评价系数，优劣分别对应25、50或90（优对应25，劣对应90）；Dk——额定工况下凝汽器设计进气量，t／h；Fk——额定工况下凝汽器冷却面积，m2。

国内通用的评价方法为DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统运行维护导则》中提及的真空严密性试验方法。该方法也为真空下降速率评价法，其主要依据式（1）及其边界条件对国内机组进行了统计，最终确定出不同装机容量机组的严密性要求，如表1所示。

表1 机组的真空严密性要求

1.2 用泄漏空气量评价

真空严密性试验的目的本质上表征的还是单位时间内空气的泄漏量，由于各个机组的低压缸结构和数量、凝汽器结构、真空阀不相同，因此全面精确地计算不同条件下漏空气的量较为困难。漏空气量的计算无论是前苏联的别儿曼估算公式还是美国传热学会推荐公式（式2），均是估算公式。前苏联的评价方法为先估算具体的漏空气量，然后依据其《发电厂和电力网运行技术法规》标准中不同容量对应的漏空气量进行评价优劣；美国传热学会虽未明确给出评价标准，但是在依据美国传热学会制订的表面式凝汽器标准确定抽气设备能力时考虑了漏空气量的影响，确定抽气设备（平衡状态下抽气等于漏气）主要依据凝汽器进汽量、凝汽器壳体数和排汽口数目按照HEI标准查表确定。

2 调峰机组严密性的评价

2.1 调峰机组评价现状

DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统运行维护导则》中规定，真空严密性试验的要求是负荷必须大于80%额定负荷，沿用了前苏联别儿曼提出的真空下降速率评价法，但是国内火电机组日常调峰范围基本处于50%～80%，无法达到真空严密性试验所要求的工况。以国内某著名发电集团在全国16个省市区域随机抽取的93台大型火电机组2014年第一个季度的平均负荷率为样本，29台机组平均负荷率处于60%～70%，53台机组平均负荷率处于70%～80%，仅有11台机组平均负荷率大于80%，可见88.2%的机组实际运行在标准要求的工况之下，负压系统的真空严密性并无适用于该负荷范围的评价方法。

2.2 影响调峰机组评价的因素

影响调峰机组评价的因素应从真空形成的原因以及调峰机组的运行特性两方面来综合考虑。

2.2.1 换热的影响

机组在正常运行中，凝汽器真空的形成是由于汽轮机排汽在凝汽器内骤然凝结成水时其比容急剧缩小而形成的。蒸汽在绝对压力4kPa时的体积比水的体积大3万倍，当排汽凝结成水后，体积就大为缩小，使凝汽器内形成高度真空。影响凝汽器换热的因素较多，如凝汽器的设计换热面积、凝汽器的玷污系数、胶球系统的投运状态、冷却塔的设计冷却幅高、循环水泵的设计容量等。换热系统所带来的影响大多在设计之初就已经决定了，凝汽器的玷污系数在正常运行过程中（未进行清扫或者更换换热管束）也可以认为是较为稳定的因素，因此换热带来的影响对于调峰机组日常评价真空严密性的影响是一个变化量很小的因素，换热因素通常用凝汽器端差来评价。

2.2.2 进入空气的影响

负压系统进入的空气量不仅指局部漏入的空气，也包含凝汽器排汽中所含的不凝结气体，两者均会对真空系统的严密性造成影响。当含有空气的汽、气混和物遇到低于蒸汽分压力所对应的饱和温度时，紧靠换热管束壁面的蒸汽分子开始凝结，并在冷壁面形成一层液膜。由于这部分蒸汽的凝结，使得靠近冷壁面附近的蒸汽分压力减少，并且越靠近壁面处，减少得越多。根据道尔顿分压定律，壁面各处混合物的总压力不变，则越靠近壁面处空气分压力越大。因此靠近壁面处空气的浓度比较大，形成一层空气膜，远离壁面处的蒸汽只有穿过空气膜才能达到液膜表面处凝结，因此与纯净饱和蒸汽凝结换热相比，含空气的蒸汽凝结换热的热阻，除包括凝结液热阻和相间热阻外，还包括一项气膜热阻，而且气膜热阻往往是含空气的蒸汽凝结换热的主要热阻。

2.2.3 容积变化的影响

容积变化所带来的影响可以分为两部分，首先是真空系统在设计时系统容积的大小所带来的影响，其次是调峰机组运行过程中负压系统容积变化带来的影响。我国现阶段所执行的标准对装机容量大于或者小于100MW的机组在负荷大于80%额定负荷工况下的真空严密性进行了规定。随着电力建设的迅速发展，300、600MW，以及1 000MW等级的机组在现役机组中的比重越来越大，而这些大型机组与100MW机组相比其真空系统的容积变化较大，不同容积的负压系统真空严密性的要求不同。此外，由于调峰机组中约89%的机组平均负荷率低于80%额定负荷，因此实际运行中尤其是夜间低负荷时段负压系统的容积与试验工况（大于80%额定负荷）相比有所增大，也会对评价的标准产生影响。

2.2.4 真空泵容量的影响

DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统运行维护导则》中规定，在进行真空严密性试验时应停运抽气设备，抽气装置的容量对于真空严密性没有影响，试验所考核的是负压系统的漏入空气流量加上排气所含不凝结气体流量之和（称之为进入空气总流量），此时的试验只是在机组静态阶段，即只进不抽的工况下得到的考核结果。真空严密性试验考核的对象是整个负压系统的严密程度，目的是为了保证凝汽器换热效果达到设计要求，即负压达到设计要求，使得机组经济性得到保证。

机组在正常运行过程中，负压系统中的空气含量有增加（进入空气总流量）同时也有减少（抽气装置的抽吸流量），是一个动态平衡的过程。将真空系统看做密闭的容器，假设所有的漏点都只从一个特定的漏点漏入，如果系统的进入空气总流量低于真空泵的抽吸能力，那么可认为抽气器可以将进入真空系统的空气全部及时抽出，传热系数和凝汽器压力基本保持不变，当抽气器出力不足以将其全部抽出则引起凝汽器内空气浓度的增加。从这个意义来说，某台特定机组所配置真空泵在某工况点的实际出力决定了该系统在不影响经济性的前提下，所允许的进入空气总流量也即真空下降速率。

3 调峰机组评价方法的修正

调峰机组真空严密性考核标准的修正实际上是对不同工况下允许的进入空气量进行修正，DL／T 1052—2007《节能技术监督导则》中对湿冷机组仅规定大于100MW机组其真空严密性试验结果应不大于270Pa／min。考虑到我国电力建设现状，以国产300MW两缸两排气亚临界机组在标准规定工况下真空严密性试验合格所对应的进入空气总量为基准值，对某台350MW两缸两排气的超临界机组在60%额定负荷工况下的严密性合格标准进行修正。

3.1 定量修正

定量的修正即以不影响机组经济性为前提，依据换热的影响、不同设计容积、负荷变化（真空容积变化以及不凝结气体变化）以及真空泵出力情况进行分析并进行修正。

3.1.1 换热的影响

大部分机组的平均负荷率为60%～80%，当从80%以上额定负荷逐渐降负荷至调峰区域的过程中，循泵运行方式基本不变，即意味着冷却水量维持不变并且热负荷逐渐降低。根据大量工程实践的经验可知，在这个过程中通常真空会向好的方向变化，图2为某电厂热负荷、冷却水以及真空的试验数据曲线，当冷却水流量一定时，若热负荷降低则真空变好。在降负荷的过程中，换热对真空形成有益，即对真空的消失不利，此处讨论的是变工况过程中允许进入的空气量，因此有益的影响因素可以忽略。

图2 换热对真空的影响曲线

3.1.2 设计容积修正

由文献［4］试验得到，当国产300MW 两缸两排汽机组真空严密性试验结果为270Pa／min时，漏空气量约为27.0kg／h，则350MW机组按照标准要求允许漏入的空气量也为27.0kg／h。根据美国传热学会推荐的式（2）可知，漏空气量与真空系统的设备容积和真空下降速率有关，当漏空气量一定时，假定已知漏空气量的300MW机组真空系统容积为V0，真空下降速率为ΔP0／Δt，而350MW机组的真空系统容积为V1=1 130m3，真空下降速率为ΔP1／Δt，则：

因此可得到，350MW机组在额定负荷时，标准要求的进入空气总量对应的真空严密性结果（即ΔP1／Δt）为189Pa／min。

3.1.3 真空容积变化修正

机组在调峰过程中，负荷的变化会引起真空系统容积的变化，而随着负荷的逐渐降低，部分低压加热器（主要为5号、6号）的对应抽汽管道、低加以及正常疏水管段均会逐渐由正压变为负压区域。以350MW为例，若60%额定负荷工况下加上正负压转变容积后的真空系统总容积为V2=1 200m3，则有

估算正负压转变的容积并代入式（4），可得该工况下同样的进入空气总量对应的真空下降速率（即ΔP2／Δt）为173.2Pa／min。

3.1.4 不凝结气体修正

如要得到不凝结气体的影响则需要将漏空气对系统的作用排除掉。根据机组的热力特性可知，负荷在80%以上时负压系统的容积不变即漏点不变，当主再热蒸汽及真空均在设计值时，在80%额定负荷与100%额定负荷分别进行真空严密性试验（见表2），对应的进入空气总量之差应包括两部分：首先应为排汽中不凝结气体的变化量；其次则为因真空变化引起的漏空气量的不同。为了保证修正后数值更严格，此处的修正将进入空气总量差值全部视为排气不凝结气体的变化量，对应即为真空下降速率之差96-84=12（Pa／min）。当机组为纯凝工况时，汽轮机排汽中不凝结气体与蒸汽流量（机组负荷）为线性关系，由此可得60%额定负荷时对应不凝结气体的减少量将使得真空严密性合格标准降低24Pa／min，即ΔP3／Δt=（ΔP2／Δt）-24Pa／min=149.3（Pa／min）。

表2 真空严密性试验相关数据

3.1.5 真空泵容量修正

350MW机组真空泵的配置为2×100%容量，设计工况下干空气的抽吸能力为51kg／h，计算可得60%额定负荷工况下，机组全年的凝汽器平均真空为-92kPa，工作液平均温度为30.8℃时抽吸能力（G4）为55kg／h。当负荷不变且换热不变时，依据2.1处提及的试验结果，可认为机组稳定在60%额定负荷时进入空气总量G2和真空下降速率同样满足线性关系，可通过式（5）得到允许的最大真空下降速率（ΔP4／Δt）为304Pa／min。

式中G3，G4——DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统

运行维护导则》允许的进入空气总量（即27.0kg／h）及60%额定负荷时真空泵干空气抽吸能力；ΔP3／Δt，ΔP4／Δt——行 标 允 许 的 真 空 下 降 速 率（即ΔP3／Δt）及60%额定负荷时允许的最大真空下降速率。

经过上述几个环节的分别修正，在不影响机组经济性的前提下，最后得到了350MW机组在60%额定负荷下对应的真空严密性的合格标准为304Pa／min。

3.2 定性的修正

定性的修正即不考虑机组的具体工况，也不考虑影响真空严密性的具体因素，只依据当前真空系统的进入空气总量是否对经济性产生影响来判断当前真空严密性是否合格。将真空系统看做一个大容器，该容器进入一定量的不凝结气体，同时抽吸设备也会将一定量的不凝结气体抽出。当系统的进入空气总量超过了抽吸设备的当前抽吸能力时，增加抽吸设备的出力（开启另外一台真空泵）必然会引起机组真空的变化，具体变化的大小则取决于系统的进入空气总量超过抽吸能力的量。换言之，当系统进入空气总量低于抽吸设备的抽吸能力时，增加抽吸出力则对真空不会有明显影响。

对350MW机组在60%、80%额定负荷分别进行多次试验，由此可以得到，机组开启第二台真空泵时若真空数值变化≤0.1kPa，则对应真空严密性试验结果≤200Pa／min；若真空数值变化≥0.3kPa，则对应真空严密性试验结果≥300Pa／min。

表3 负荷一定时不同抽吸能力时真空变化

4 结论

（1）针对我国火电机组的运行现状，以满足DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统运行维护导则》标准要求的300MW机组进入空气总量为基准，给出了切合每台机组实际工况的真空系统严密性评价方法。

（2）目前国内现行的标准对于负荷率低于80%的调峰机组的真空严密性并未做出明确的要求和规定，因此本文中提及的定量修正方法对于评价机组在调峰区域真空系统的严密性有着一定的参考意义。

（3）部分机组长期运行在80%额定负荷之下，没有条件进行真空严密性试验对机组的真空系统进行评价。文中提及的定性修正方法简单实用，对于评价真空系统在低负荷工况的严密性提出了一种新思路。

（4）国内机组在进行真空系统查漏时所依据的标准仍为DL／T 932—2005《凝汽器与真空系统运行维护导则》中的规定，未考虑到自身配置真空泵容量的影响，在判断机组真空系统时应将实际工况下修正后的真空泵抽吸能力纳入评价范围。

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