辽宁飞鸿达蒸汽节能设备有限公司 王汝武 syfhd@163.com
摘要：本文介绍了汽轮机凝汽系统节能改造的理论根据，并比较了几种节能改造方法的效果。分析影响凝汽器压力的各种因素，提出凝汽器压力在不同工况下能否降低的判定准则。
关键词：汽轮机凝汽系统 凝汽器 水环真空泵 不凝气体 循环水温
1. 前言
汽轮机的凝汽系统是蒸汽动力循环的重要组成部分，对蒸汽动力循环的效率有着重大影响。对亚临界300MWJ机组，凝汽压力降低1KPa,发电煤耗下降0.016g/kwh，机组可节煤5t/h。因此降低凝汽压力意义重大。
凝汽器的运行压力受诸多条件的影响，在凝汽器面积一定的条件下，影响凝汽器压力的主要因素有循环水温、水量、蒸汽负荷，以及影响传热的因素—不凝气体集聚量及污垢程度。对于给定循环泵容量及定期清洗的情况下，循环水温度、蒸汽负荷及不凝气体集聚量是影响凝汽压力的主要因素。一般情况下是循环水温降低蒸汽负荷小，抽真空设备运行正常时，凝汽压力降低，反之，凝汽压力升高。在运行中常出现一些恶化真空的情况，夏季在机组满负荷运行时，由于气温高，循环水温度高，常使凝汽器压力升高，水环真空泵工作水温度升高，造成汽蚀，更使真空恶化加剧。冬季机组低负荷运行时，由于循环水温度低，使凝汽真空低于水环真空泵的极限真空，也引起水环真空泵的汽蚀，而使真空恶化。
水环真空泵的汽蚀，不仅造成凝汽器真空恶化，还造成水环真空泵的震动，造成转子断裂事故。一些电厂为防止水环真空泵汽蚀，并改善凝汽系统真空进行凝汽系统改造。改造常用的方法有加装大气喷射器及冷却凝汽器抽出气体及冷却水环真空泵工作水。
这些改造措施运行以后，在防止水环真空汽蚀方面有效果，但对改善凝汽器的真空度，效果不明显【1】【2】。本文将结合凝汽器的原理和水环真空泵的特性，分析对改善凝汽器真空度效果不佳的原因，并提出凝汽器真空度是否能改善的判别准则。
2．凝汽器的原理及水环真空泵特性
2-1凝汽器原理
汽轮机的凝汽器的作用是用循环水冷凝汽轮机的排汽，是蒸汽发生相变的换热器。凝汽器中沿程温度变化如图1所示：
根据换热器原理: Q=Ac×k×△tM…………………………………….(1)
Q—凝结蒸汽放出热量 Q=(hc－hc’)Dc………………………...(2)
hc—凝结蒸汽的焓，hc’----凝结水的焓，Dc----凝汽量
△tM------对数传热温差， △tM= △t/{ln[(tc－t1)/(tc－t2)]}……….(3)
Ac—凝汽器换热面积， K—传热系数
在给定Ac,K,t1,Dw,Dc后，可以从方程（1）—（4）解出tc(hc,hc’),t2, △tM, Q等4个未知数。tc对应的水蒸汽饱和压力，即为凝汽器的极限压力（忽略蒸汽的分压力）。
以16.7/537/537 300mw机组为例，凝汽器面积7650m2，循环水量37300m3/h, t1=27℃(凝汽量571t/h)，传热系数2500大卡/m2.k.h，在THA工况下，凝汽量571t/h,，计算得到△t=7.95℃，循环水出口温度34.95℃，端差δt=3.5℃，凝汽温度tc=38.5℃，对应极限真空压力0.0068MPa。
若进水温度t1=33℃，其他数据不变，则凝汽器的极限真空将变化，这时，△t=8℃，出水温度为t2=41℃，δt=4℃，凝汽温度为45℃，对应的极限真空为真空0.0096MPa。
上述计算是在假设蒸汽的汽化潜热及传热系数不变的条件下进行的，也就是说，没有考虑不凝气体量对传热的影响。如果这时由于水温升高，水环真空泵的极限真空达不到0.0096MPa,凝汽器的凝汽压力则升高，真空恶化。
从上面的计算可以看出在一定凝汽器面积下，给定循环水量、水温及凝结蒸汽量，在漏汽量不影响换热的条件下，凝汽器的极限真空是一定的，达不到该极限真空是不凝气体影响了传热。不凝气体影响传热一是因为漏气量大，二是抽真空系统工作不良。下面分析抽真空系统的工作特性。
2-2 水环真空泵特性
水环真空泵的设计工作水温为15℃，当工作水温变化时，水环真空泵的工作状态及吸入空气量都在变化。水环真空泵的极限真空和工作水的温度及吸入的空气量有关。水环真空泵的特性线公式【3】
Du/Du15=(Pk－Pt) /(Pk－P15)=λ Pk=(Pt－λP15)/(1－λ)……………….(5)
式中Du—抽汽量，Du15—水环真空泵在水温15℃的抽汽量，Pk—水环真空泵的极限真空Kpa，P15—15℃饱和水的压力，Pt—水环真空泵的工作水温对应的饱和压力。
在选定水环真空泵后，Du15为定值，在给出工作水温和抽气量Du时，即可按（5）式计算出水环真空泵的极限真空压力。从（5）式看出，影响水环泵极限真空的因素，有排汽量Du和工作水的饱和压力Pt，当真空系统的漏气量增加，真空压力增大，反之减少。当工作水温升高，Pt增加，Pk也增大。针对上述两个影响水环真空泵极限真空的因素，采取了不同的改进措施。在采取密封措施，减少凝汽器漏入空气的前提下，一是加装大气喷射器，在保持水环真空泵进口压力不变的情况下，降低凝汽器抽汽口的压力。二是采取冷却工作水的措施，降低工作水的饱和压力Pt 。
从（1）~（5）式还可以推导出在给定的工况，水环真空泵能正常工作的最高水温对应的饱和压力：
Pt=[1－DU/DU15](Pc min－△P)＋(DU/DU15)P15................................................(6)
式中Pc min—凝汽器极限真空压力，△P—凝汽器到真空泵阻力
文献【3】根据（5）式计算了300MW机组某些工况下的水环真空泵的最高工作水温。
见表1。
机组的水环真空泵真空泵型号为2BE1353—0型（耗水量11.2m³/h，轴功率130KW）。循环水量37300 t/h，机组负荷45%THA。凝汽器汽阻及管阻为0.7Mpa，漏汽量40.5m3/min
从上表可以看出，在一定的凝汽器压力，一定的漏汽量下水环真空泵的工作水温不能高于计算值。当水环真空泵的工作水温度超过该值时，则不能保持凝汽器给定的真空，压力上升真空恶化。要保持凝汽器的真空，则需要降低水环真空泵的工作水温。或者降低凝汽器抽出混合气体的温度，凝结混合气体中的蒸汽，降低不凝气体的容器容积，或者加装大气喷射泵，提高抽出蒸汽空气混合物的压力，降低比容。下面对各种改造方式进行分析。
在安装大气喷射器后，水环真空泵的进口压力可以提高一倍（大气喷射器的升压比按２计算），容积流量减少一倍（大气喷射器的压缩过程近似等温过程）。按上述假设可以计算出，水环真空泵的最高工作水温（表１中括号内的数据）。从数据对比中可见，安装大气喷射器后，允许的工作水温提高了很多，给真空系统在夏季运行提供了有利条件。
3.改造方式的评价
3-1冷却水环真空泵工作水
工作水温度降低，从（5）式看出，水环真空泵所能达到的极限真空压力Pk下降。在同样的漏气量下，凝汽器的压力可以下降，所付出的代价是要将工作水制冷。工作水制冷所需要的电能和凝汽器压力降低增加的发电量相比是很少的。以2BE1353-0型水环真空泵为例，将工作水温度从43.7℃冷却到23.11℃需要耗电87.8KW。
3-2加装大气喷射泵
加装大气喷射泵，在水环真空泵工作水温不变的条件下，可以使凝汽器抽汽口的压力下降，这时凝汽器抽汽口的压力为不加大气喷射器时的二分之一左右。若凝汽器的极限压力低于该压力，加装大气喷射器后，凝汽器压力可能下降。加装大气喷射器成本比冷却水环真空泵工作水要低，降低凝汽器抽汽口压力比冷却工作水显著。加装大气喷射器后，水环真空泵耗电增加15%左右，为19.5KW。
3-3冷却抽出蒸汽和空气混合物
冷却凝汽器抽出的蒸汽和空气混合物，降低不凝气体的温度，如果达容积流量减少1/2，则需要将混合物温度降到155K，这是不经济的。如果稍许降低抽出气体的温度，则对改善凝汽器真空作用不大，但可以改善水环真空泵的汽蚀。
3-4可否降低凝汽器压力的判别准则
有些电厂对凝汽系统进行了改造，如加装大气喷射器，冷却水环真空泵工作水，在某些工况下没有效果。在另外一些工况下有效果。如何判断在什么工况下有效果，在什么工况下没有效果？可用比较凝汽器极限真空和水环真空泵极限真空来判断，若水环真空泵的极限真空压力低于凝汽器极限真空压力，并且此时凝汽器的运行真空压力高于极限真空的压力，这时投入大气喷射泵或冷却水，可以降低凝汽器压力。否则，凝汽器压力不降低。
例如夏季，机组满负荷运行，循环水温高，凝汽器已在极限真空运行。这时投入大气喷射器是没有用的。在冬季机组负荷低，循环水温度低，凝汽器的真空压力低，这时水环真空泵由于吸入压力低，发生汽蚀，抽气量降低，这时投入大气喷射器可以使凝汽器压力降低。
参考文献
【1】王微，张晓波 凝汽器真空泵加装大气喷射器技术改造 内蒙古电力技术 2004年 22卷 第5期
【2】余键 杨建明 水环真空泵数学模型及运行特性 发电设备 2009年 第二期
【3】赵劲松 顾崇廉 荆晶 水环真空泵最大工作水温的确定方法 热力发电 2010年 第一期