凝汽器抽真空系统研究

刘高+李斯亮+骆真荣

摘要：本文介绍了某核电机组凝汽器抽真空系统的组成和功能；根据机组启动工况中的若干现象，分析了启动工况中凝汽器背压与抽真空系统运行方式的转换需求；同时，结合真空形成原理，对启动工况中抽真空系统运行方式进行优化；最后针对一些异常工况，提供解决问题的思路。

关键词：抽真空；设备布置；启动工况；冷凝

0 引言

在启动工况中，凝汽器真空达到额定真空的时间与真空泵抽真空能力和密封水温度、循环水流量和温度、凝汽器体积和冷却面积等因素相关。凝汽器真空泵组的出力大小是凝汽器真空形成的主要因素，但是，若不能充分利用真空形成机制，将造成极大的人力和物力浪费。

1 系统描述

1.1 系统简介

凝汽器真空系统的作用是抽出凝汽器中随蒸汽带入的不凝结气体和由大气漏入的空气，建立和持凝汽器的真空，提高汽轮机组的经济性。核电站的凝汽器真空系统与常规火电厂的凝汽器真空系统功能相同，满足汽轮机在各种运行工况下抽真空的要求，并有效地将凝汽器内的不凝结气体排出[1]。

1.2 系统组成

该核电机组的汽轮机是一台单轴、三缸四排汽、单背压凝汽式汽轮机。凝汽器真空系统由三套并联的抽气系统和一个真空破坏系统组成。在每套抽气系统中，有一台两级液环式电动真空泵、一台密封水热交换器、一个气水分离器、一台密封水泵及真空测量系统等。

每台凝汽器有两个壳体，底部热井相连，每个壳体包含两个冷却钛管管束，每个钛管管束汽侧有一根抽气管。相间的管束组成A、B两列冷却回路，两列抽气管道经电动隔离阀后汇合于抽气母管，从抽气母管分别送至三台真空泵入口。自凝汽器汽侧抽出的不凝结气体和少量蒸汽混合物，分别被送往三套抽气装置中的一套、两套或三套，具体套数根据运行工况确定。由真空泵排出的不凝结气体，进入气水分离器，在分离器中进行气水分离。水经过冷却后回到真空泵，不凝结气体由分离器顶部排入大气或气体排放系统。

1.3 系统特点

凝汽器抽真空系统动力装置为水环式真空泵。该真空泵配备密封水泵，用来提供真空泵运行时所需工作液及轴承密封装置冷却。密封水泵将密封水打入冷却器，然后分两路进入真空泵：a.直接进入泵体；b.在泵吸入口喷淋入口的空气。由于冷却器由海水冷却，与凝汽器冷却水源相同，理论上，真空泵极限真空与凝汽器极限真空一样。

在凝汽器汽侧部分，凝汽器抽真空系统抽气管伸入至钛管管束中部的空冷区；正常情况下，钛管管束下端不与凝结水接触。由于存在以上布置特点，将导致在凝汽器接收蒸汽之前，凝结水与凝汽器冷卻水之间无法进行有效的热量交换，当凝结水泵运行时，凝结水温度将持续上升。

2 系统运行

2.1 系统运行条件

凝汽器抽真空系统的投运将给汽轮机引入冷源，抽吸效果会导致漏气部位温度降低。考虑到汽轮机轴承漏气，在凝汽器抽真空过程中会吸入较多脏空气，轴承齿可能磨损，因此，需将汽轮机盘车及轴封系统投入，保证汽轮机轴系受热均匀和密封。该机组在设计中，汽轮机轴封系统冷却器由凝结水系统冷却，因此，在汽轮机轴封系统投运前，必须启动凝结水泵。在凝结水系统运行期间，凝结水温度会不断上升，通过动态换水的方式，凝结水泵能够长期运行，凝结水温度约高出室温20℃。

2.2 典型凝汽器抽真空过程

按照HEI标准，在启动工况下30分钟内将凝汽器的真空提高到33.86kPa.a；在正常运行时用一台泵保持凝汽器真空在5.1kPa.a。

在启动工况下，开启抽气管线A、B两列电动隔离阀，连续启动三台真空泵，凝汽器真空在两个小时内迅速降低。在凝汽器真空达到8kPa.a后，停运两台真空泵，保留一台真空泵运行。凝汽器真空根据当时循环水温度，缓慢降低，最后维持在5-7kPa.a运行。

3 异常工况分析

在凝汽器抽真空过程中，当凝汽器压力达到凝结水饱和蒸汽压时，凝结水温度会逐渐降低，最终温度约比循环冷却水温度高10℃。起初分析认为这是由于真空泵抽吸作用，凝结水不断汽化，起到降温的作用。抽出的凝结水蒸汽在真空泵内凝结，并随真空泵工作液流至真空泵分离罐；该部分凝结水补充真空泵密封冷却水，同时，使分离罐液位保持高位运行（正常液位为180-250mm，实际稳定在溢流液位——300mm，保护高液位为330mm）。由于真空泵密封水提供泵轴承冷却，密封水存在损耗，真空泵分离罐液位的变化说明被汽化的凝结水量较大。

在机组热态功能试验过程中，凝汽器真空系统处于两台真空泵、A列循环冷却水泵运行状态，并保持凝汽器在4.9kPa.a压力下运行；根据试验安排，启动B列循环冷却水泵后，凝汽器真空迅速降低至3.1kPa.a，主控室立即停运一台真空泵，最终凝汽器压力稳定在5.3kPa.a。

在机组正常启动期间，A列循环冷却水泵运行，凝汽器抽真空后，将抽气管线电动隔离阀置于自动控制。按照自动逻辑，B列抽气管线电动隔离阀关闭。在随后的一个小时，凝结水温度由41℃降至38℃，凝汽器真空由7kPa.a降至5.5kPa.a；同时，分离罐水位降低，并开始进行间断补水，说明真空泵抽出的蒸汽变少。结合凝汽器抽真空系统设备布置来看，B列抽气管线电动隔离阀关闭后，蒸汽在流向A列抽气管线电动隔离阀时，在A列循环冷却水的钛管区域被冷却。蒸汽被冷却的量加大，冷却效果变好。

凝汽器抽真空的原理是利用真空泵抽出凝汽器内的不凝气体，使凝结水在饱和蒸汽压下，保持良好的真空度。当凝汽器压力下降到一定范围内后，由于凝结水汽化，水蒸气占用真空泵抽气能力，导致真空无法下降。当汽化后的水蒸汽大量凝结后，真空泵入口吸入气体中空气份额增加，使真空不断降低，直至达到真空泵极限能力；同时，凝结后的水蒸气区域，能够形成与冷却水钛管温度相当的真空，并能在提供冷却水时，长期保持。

4 结语

结合以上实例，可以得出结论——由于凝结水并未与循环冷却水钛管接触，冷却只能通过蒸汽与钛管的接触；凝结水汽化后，冷却回流，热量被冷却水带走。因此，对于凝汽器抽真空提出几点建议：1.凝汽器降压初期，应保证抽气管道通畅，开启所有抽气管线隔离阀，使不凝气体能够及时排除；2.凝汽器压力接近额定压力时，应控制凝结水蒸汽走向，使其经过冷却区域，冷凝回流，降低凝结水温度；3.尽可能多的投入循环冷却水，以增加冷却面积。

参考文献：

[1]陈济东.大亚湾核电站系统及运行[M].北京原子能出版社，1998.

作者简介：

刘高（1989—），男，湖北，助理工程师，大学本科，水利水电工程，主要从事核电厂常规岛及BOP系统调试工作。

李斯亮（1990—），男，重庆，助理工程师，大学本科，核工程与核技术，主要从事核电厂常规岛及BOP系统调试工作。

骆真荣（1989—），男，广西，助理工程师，大学本科，热能与动力工程，主要从事核电厂生产准备及运行工作。