1、浅析凝汽器与真空 发布时间：2005-12-7 文章来源：张云祥【摘 要】 凝汽器真空是汽轮机运行所监视的重要参数，其真空的高低直接关系到整个电厂的安全性和经济性。西方通过对凝汽的传热情况、真空系统严密性、冷却水温度、流量等多方面分析，提出对提高真空的有效途径及解决方法。【关键词】 凝汽器 真空 过冷度 气阻 冷却水 凝结水1 前言凝汽器是汽轮机组的一个重要组成部分，其作用是将进入凝汽器的蒸汽凝结成水，放出的汽化潜热被冷却水带走，在凝汽器内形成高度真空，使进入汽轮机内的蒸汽能膨胀到低于大气压力，多做功，其运行工况的是否稳定，直接影响到整个机组安全和经济运行，因此保持凝汽器良好的运行工况，保证凝
2、汽器的最有利真空，是每个发电厂节能的重要内容。而凝汽器内所形成的真空受凝汽器传热情况、真空系统严密性状况、冷却水的温度、流量、机组的排汽量及抽气器的工作状况等因素制约。2 凝汽器的传热（1）由于凝汽式汽轮机的排汽处于饱和状态，因此，蒸汽器内蒸汽的饱和压力和饱和温度是相对应的，为使凝汽器内获得较高真空，就要使凝汽器内蒸汽的饱和温度尽量接近冷却水温度。如果冷却水量和冷却面积无穷大，蒸汽和冷却水之间的温差趋近于零，但是实际上冷却水量和冷却面积是有限的，所以当蒸汽凝结放出的汽化潜热通过管壁传给冷却水时必然存在传热温差，为了能够在凝汽器内形成较高的真空，减小凝汽器的传热端差，所以凝汽器的冷却水管一般都采
3、用传热系数较高的的铜材制作，这样能使进入凝汽器内的排汽与冷却水之间形成较好的传热效果。（2）凝汽器内存在着三种换热即：蒸汽在冷却水管外壁的凝结换热；冷却水管内、外壁之间的导热换热；冷却水管内的对流换热，并且假定它们的换热系数分别为 a1、a2、a3，则它们之间存在着以下三个互相串联的换热方式：则由上述过程中可推出凝汽器换热系数为：其中：1/a1+1/a2+1/a3 分别为三个换热的热阻，从这上面这个公式不难看出凝汽器的换热系统的构成，即它等于各传热过程热阻之和的倒数，根据理论计算 1/a11/a11/a3,即依次增大，传热系数表明了传热过程的强烈程度，传热系数越大，传热过程越强，热阻越小，由此
4、可知，凝汽器内的传热性越好，凝汽器的真空也会相应提高。4 凝汽器的过冷度与气阻凝汽器里水平排列着很多根铜管，当在上部铜管凝聚水珠下落时，大部分水珠要落在下落时，大部分水珠要落在下面铜管上，又被冷却水冷却，因此，凝结水温度比凝汽器喉部压力下饱和温度要低，其温差为过冷度，一般过冷度为 0.51，过冷度大说明被冷却水额外带走的热量多，这一部分损失要靠锅炉的燃烧燃料来弥补，而且过冷度越大，凝结水中的含氧量也越多，从而加速了设备和管道的腐蚀速度，同时，冷却水所带走的排汽的汽化潜热就会相应的减小，使凝汽器的真空降低，这也大大影响了凝汽器的热经济性。此外凝汽器的过冷度受凝汽器内汽阻影响，凝汽器抽气口处压力最
5、低，蒸汽、空气混合物从凝汽器喉部流向抽气口中，在经过管束有流动阻力，从喉部到抽气口之间的压力降称之为汽阻，汽阻一般为 260400Pa，运行过程中要求汽阻要小一些，因为当抽气口压力一定时，汽阻越大，汽轮机的背压越高，而且当汽阻增加时，过冷度也会阻之增大，从而影响凝汽器内的真空。4 凝汽器与真空系统的严密性在实际运行中，由于种种原因，空气和循环水总是或多或少漏进凝汽器为主的真空系统内，这种漏泄要影响机组的经济性和安全性，漏泄严重时要被迫停机，当空气漏入凝汽器后，凝汽器内的真空降低，换热效果降低，凝结水里含氧量增加，设备腐蚀速度加快，蒸汽分压力相对降低，其凝结水温度低于凝汽器内总压力，所对应的饱和
6、温度、过冷度增加，因此，要对真空系统的严密性通过真空严密性试验或真空系统检测仪等手段进行仔细检查，消除真空系统严密性不良的因素。5 凝汽器铜管脏污、结垢、泄漏等对真空的影响当凝汽器内铜管脏污、结垢时，影响凝汽器的热交换，使凝汽器端差增大，排汽温度上升，此时凝汽器内水阻增大，冷却通流量减小，冷却水出、入口温差也随之增加，造成真空下降。凝汽器铜管泄漏，是凝汽器最常遇到的故障之一。凝汽器铜管泄漏，将使硬度很高的冷却水进入凝汽器汽侧，凝汽器水位升高，真空下降，此外还使凝结水质变坏，造成锅炉和其它设备结垢和腐蚀，严重时可导致锅炉爆管。铜管泄漏分析其原因有：（1）铜管在管板上的胀口不严密。对于用扩管法固定
7、的铜管，其原因有胀口松动和扩管工艺不当；对于管环法固定的铜管，其原因是填料规格、尺寸不合适，填料盘根加工工艺不良或填料陈旧、失去弹性。（2）铜管受到冲蚀、电化学腐蚀和化学腐蚀而引起破坏。（3）机械性损伤，如：采用机械清洗时损伤铜管内壁，汽轮机叶片断落；运行不当致使疏水冲击凝汽器铜管。（4）由于振动使铜管断裂。振动的原因是铜管振动特性不良与汽轮机发生共振；汽轮机排汽中含有较大的水珠，撞击铜管发生振动；凝汽器的蒸汽负荷过大，引起上部铜管振动。6 循环冷却水对凝汽器真空的影响凝汽器的设计一般都是在给定的蒸汽负荷 DC、冷却水量 DW 和冷却水进口温度 tW1 下进行的。但是，在凝汽器运行过程中，这些
8、参数都会发生变动。如：蒸汽负荷 DC 随汽轮机负荷变化；冷却水量 DW 随循环水泵的运行台数及系统中各台机循环水量的分配情况而变化；冷却水进口温度 tW1 随气候、季节的不同而变化。因此，实际运行中的凝汽器，其真空值随运行工况的不同是有所变化的。下面分别对冷却水的温度和流量进行分析：（1）冷却水温由凝汽器中真空形成可以看出，凝汽器可能达到的最低压力数值（真空）取决于冷却水的温度。在理想工况下，即：冷却水量无限多，蒸汽与冷却水的传热端差等于零，凝汽器中没有不可凝结气体存在时，则凝汽内的压力就等于冷却水温度相当的饱和蒸汽压力。但在实际运行中凝汽压力总是大于这一理想压力的，凝汽器内的压力可由与这相对
9、应的饱和蒸汽 ts 来决定，而饱和蒸汽的温度与外界冷却介质的热交换程度有关。在凝汽器中，蒸汽受冷却发生相变，相变时蒸汽汽化潜热被冷却水吸收。在稳态过程中，凝汽器换热中存在下式关系：蒸汽凝结放热 Q1凝汽器热量传递 Q2冷却水吸收热量 Q3则有 Q1=（hc-hc1）GcQ2=KFtmQ3=cm（tw2-tw1）hc排汽焓 kJ/kghc1凝结水焓 kJ/kgGc排汽量 kJ/stm对数平均温度K换热系数F传热面积 m2C 比热容 kJ/（kg）m质量流量 kg/stw1冷却水进口温度tw2冷却水出口温度通过上述几个公式，推出：ts=（tw2-tw1eKF/cm）（1-eKF/cm）如图 1 所
10、示：图 1在这里可以看出，在凝汽器当中，蒸汽在凝汽器中发生相变，相变时流体在整个换热面积上保持其饱和温度 ts 恒定，当冷却水进口温度下降时，其吸收热量就增加，蒸汽冷凝温度就越低，冷凝温度的下降可使排汽压力相应降低，增大蒸汽在汽机内部的焓，使得凝汽器内直空增加，可见，冷却水温度对真空影响是很重要的。（2）冷却水流量冷却水在凝汽器中的温升，可根据凝汽器的热平衡方程式得出：Dc（hchc1）Dw（hw2hw1）（1）式中：Dc 进入凝汽器的蒸汽量，kg/h；Dw进入凝汽器的冷却水量，kg/h；hc、hc1蒸汽和凝结水的焓， kJ/kg；hw2、hw1冷却水进、出口焓，kJ/kg。在实际应用中，冷却
11、水的焓值 hw2、hw1 在数值上等于冷却水的温度值 tw1、tw2 乘以 4.187。排汽与凝结水的焓差（ hchc1）在汽轮机排汽压力变化范围内约为（510530 ）4.187kJ/kg，变化不大，对大型汽轮机组而言主，约为 5204.187kJ/kg。则由上式可倒出为：tw1tw2=520Dc Dwt520Dc/Dw （2）由（2）式可看出，冷却水的温升与进入凝汽器的蒸汽量成正比，与冷却水量成反比。下面以吉林油田热电厂1 机组真空低进行对比分析，以 2003 年 5 月 15 日 15 时的参数为例：当时 2 台循环水泵运行，真空为 0.082MPa，排汽温度是 54.6，凝结水流量为
12、89t/h；循环水入口温度 tw123，出口温度 tw2=34，循环水压力 0.226MPa，每台循环水泵的额定出力为 4700t/h，循环水流量为未知（在这里凝结水过冷度由于条件原因先忽略）。根据以上参数，查焓熵图，得出排汽焓 hc=2666.9kJ/kg，凝结水焓 hc1=228.6kJ/kg，循环水入口焓值 hw1=96.7kJ/kg，循环水出口焓值 hw2=142.6kJ/kg，将其代入（2）式中：Dw=（2666.9228.6）89/（142.696.7）4727.86t/h则可知当时循环水通水量为 4727.8t/h，这一数值与当时超声波实测两台循环水泵流量 5073t/h 相差不
13、大（这里只作粗算作为参考，目的只是对比数据说明问题，并且忽略人为误差），在真空系统抽气设备运转正常下，经过真空检测仪器检查过后，并没有发现大的漏点，启机之前也经过凝汽器泡水试验，从而可以断定循环水量不足是造成真空低的直接原因，由此可见，循环水流量对真空的影响是很大的，但是，并不是循环水量增加越多越好，增加多少为合适，需进行经济性比较后才能确定。7 提高真空的途径及措施通过以上对凝汽器及真空系统分析，可着重从以下方面来提高凝汽器的真空。（1）提高真空系统严密性应在停机时定期对凝汽器喉部以下进行真空系统灌水检漏，消除喉部管道接头，水位计连通接头，凝结水泵轴端密封装置等处的漏点，检查清理喷嘴，保证其
14、抽气效率，根据负荷变化，调整汽轮机轴封，不使其中断，经常检查负压系统的阀门，加强抽气器设备的运行调整。（2）清洗受热面在凝汽器中，冷却面结垢对真空影响是逐步积累和增强的，凝汽器结垢可使凝汽器阻力损失增大，凝汽器的管壁热阻也由于结垢使热阻变大，管壁结垢增大的热阻往往会成为传热过程中的主要热阻，针对这个热阻采取处理措施，收效应最为显著。在运行中对循环冷却水采用经过严格预处理的厂内水，同时合理安排清洗周期。凝汽器在初期结垢较松，污泥多，可用机械清洗法，但这种清洗法需要时间较长，且操作时，需一根根地洗刷，因而劳动强度大，易损伤铜管，已很少采用，也可采用干燥法及反冲洗法，但前者需要减负荷，要求排汽温度保
15、持在 5060，将半面凝汽器停用，放水后打开入孔，用风扇对其强迫通风，当管内微生物和软泥龟裂时，再恢复、通水冲走。这种方法耗费时间太长，只在一定水质条件下具有效果，而后者反冲洗，虽说不用停机，但在清洗效果不够理想，因此现在在国内外不少机组都采用了胶球连续清洗法，这种方法方便、快捷，而且效果显著，如果采用带有 4mm 宽的金刚砂的海绵球，能去除铜管中的硬垢。当凝汽器结硬垢后，则可对凝汽器进行酸洗，针对水垢以碳酸盐为主，夹杂硅酸盐、硫酸盐等，可适当选择如硫酸或盐酸溶液，但一定要控制浓度、温度、酸洗时间，也可适当选用氨基磺酸作为主洗剂，浓度约为 5%，它能缓慢地对铜管进行清洗，腐蚀速度小于标准 1g
16、/（m3h），清洗时加 0.5%的酸缓蚀剂，适量的渗透剂，0.2%氢氟酸，水温在 40左右，流速 0.1m/s，要循环清洗，然后用水再冲洗，并且加工业磷酸三钠，由于循环水含盐量低，故运行一段时间后，铜管表面可生成一层致密 Cu(OH)2 保护膜，使铜表面与水隔离抑制腐蚀，清洗后，可大大提高传热系数，真空可相应的提高，安全性及经济性都也能大为提高。（3）降低冷却水温冷却水温越低，冷却水从凝汽器中带走的热量越多，据测算，冷却水温下降 5，可使凝汽器真空提高 1%左右，而水温冷却主要取决于冷却塔的工作状况。由于飞散及蒸发损失，冷却补充用水是较大的，及时补充冷水是保持冷却水塔有效降温的重要方面，应定期
17、检查冷却塔内的分配管是否正常，出水是否完好，这些因素都直接影响水的分布均匀性，影响其散热性能，通过每年清洗垫料，真空可恢复 2%3%，这样降低凝汽器进口水温是提高真空的有效途径，这比提高循环水量更为有效。(4）适时增大循环水量改变冷却水时，可改变吸热量，虽然随着水量的增加，真空可逐步提高，但同时，水泵的耗电量也同时增加，因而需试验确定其经济性水量，也可根据不同季节和机组功率的变化调节水量，根据地理位置，如北方，在冬季气温较低可停止一台循环水泵运行，即能满足水量要求，又能达到节能效果。9 结论凝汽设备运行状态的优劣集中表现在如下三方面：凝汽器内是否最佳真空，凝结水过冷度是否最小，以及凝结水的品质是否合格。如果在同一功率下，凝汽器的真空下降 0.001MPa，则汽耗量将增加 1.5%2.5%，凝结水过冷度增加 1,则煤耗约增加 0.13%，凝结水含氧量的增加也会直接影响机组的安全运行。总之，为了使凝汽设备保持好的运行状态，对它要随时监视，并适当地进行调整和维护，它的运行状态好坏，是反映机组运行水平的一个重要方面。
