火力发电厂凝汽器真空系统节能措施探讨

0 引言

凝汽器真空运行的安全性和可靠性及凝汽式汽轮机系统的稳定性和热效率直接增加了汽轮机系统的热耗和汽耗，降低了凝汽器低真空运行的流量，降低汽轮机中的最后一级压力并增加反应速率，这将增加轴压力并使冲击器过载。此外，废气蒸汽温度的升高会导致低压缸变形、汽轮机系统偏离甚至引起汽轮机系统振动，根据实际调试和试验经验，分析汽轮机厂凝汽器真空损失的原因，并提出预防措施，提高凝汽器真空系统节能性。

1 凝汽器真空形成相关原理

凝汽器系统的真空系统由真空泵系统和密封系统组成（如图1所示）。将高压冷凝器的真空转化为蒸汽，使蒸汽能将热锅转化为凝汽器动能。凝汽器的工作原理是减少汽轮发电厂的蒸汽温度损失，提高机组的循环热效率。当废气凝结成水时，其体积迅速变小，冷凝器中形成真空[1]。

图1 凝汽器系统

蒸汽和液体共存时形成冷凝器中的真空，其达到饱和压力饱和压力与废气的冷凝温度有关，冷凝温度由热交换器中的热平衡和最终温差决定。冷却水从入口温度tw1逐渐吸收热量到出口温度tw2。冷却水的差值为Δt=tw2-tw1。而冷却凝结温度ts 与tw2的差值为传热端差∂，即ts=tw1+Δt+∂，则可以将凝结中的压力ts 与相关的饱和压力相对应。由于电容器中没有可冷凝气体，饱和压力是电容器中的部分蒸汽压力和部分不可冷凝气体压力之和。

2 凝汽器真空系统节能改造必要性

机组启动时，冷凝器中的空气由真空泵排出，以迅速建立真空。电厂正常运行时，汽轮机排汽凝结产生高真空，正常运行时，电容器漏风小，真空泵水循环流量大，影响大，吸力主要为水蒸气，消耗大量不必要的能量。

原来真空泵的作用太大，正常运行时凝汽器空气流量低，这部分真空泵过程中会造成真空泵转子之间的摩擦和迁移产生热量。在凝汽器的真空置换温度下，泵的工作温度进一步升高，真空泵的吸力降低。

根据冷凝器的工作原理，蒸汽在冷却时冷凝，低温冷凝为与温度相对应的饱和冷凝液，形成高真空。凝汽器密度不高，空气漏出，凝汽器管表面的空气形成很大的热阻，减小真空半径。从凝汽器真空泵中抽出的气体不仅是可冷凝的，而且效率低下，这进一步增加了真空泵的损失。

3 凝汽器真空系统节能提升的相关方案

3.1 工程案例

某电厂凝汽器真空泵系统建设初期，计划投入设备两台水泵，机组启动时，启动一台或水环式真空泵，迅速建立凝汽器真空，正常运行时用一台备一台，其功率为12kW，运行电流121A，无凝性气体和一些蒸汽从冷凝器中排出，以获得单位真空。

为解决凝汽器真空系统中真空泵所发生的问题，罗茨水环能有效解决真空泵的气蚀问题，减少高温带来的危害，同时使真空泵的能耗降低到50%～80%，节约电能。

对罗茨水环真空泵的改造并没有改变原有两台真空泵的迁移。混罗茨水环真空泵组由抽真空母管和罗茨水环真空泵组成，当机组在真空下快速工作时，原真空泵系统关闭，即可投入使用。提高操作安全性和经济性。

3.2 装置的工作原理

能够进行压缩的范围越大，其节能性能就会有明显提升，压缩过程会有大量气体膨胀，并且随之产生大量热量，罗茨泵温度迅速升高，导致转子的温度也随之升高，使罗茨泵正常低压运行。由于总含气量低，但热值是有一定限额的，罗茨泵在高压状态下进行运行，随之产生大量的热量，对罗茨泵产生较大影响，要能够时装机正常运转，就必须采取措施对转子进行冷却。

3.3 水环真空泵作用

由于叶轮的转动，泵体内的工作流体形成一种在两个叶轮之间脉动的旋转流体，在吸入口处，流体逐渐从叶轮中排出，液体、两铲和风扇之间的气体体积增大。当压力下降时，当外部气体通过阀门的吸入口轴向到达泵时，在排气侧，液体逐渐接近涡轮进口，液环、两叶片和阀轴之间的气体被轴向压缩，通过排气口排出，系统会产生必要的真空。

3.4 胶球清洗对凝结器真空系统的影响

在机组正常运行的过程中，冷却和洁净软管常采用胶球清洗凝汽器来达到目的，倘若胶球泵有损坏或无法正常使用，会一定程度的造成水侧或凝汽器汽侧的屏蔽。此时凝汽器水状态升高，冷却流量急剧减小，导致进出口的冷却水存在一定的温差，真空度明显降低，蒸汽消耗增加0.25%~1%，煤耗增加约1g/kWh。一般来说，能否正常使用凝结器会严重影响机组的真空环境。

为了提高橡胶球的吸收率，橡胶搅拌系统在使用前应确定每个橡胶球中包含的橡胶球数量为冷凝器一侧单个工艺冷却管数量的10%，并在使用前在水中稀释72h，图2 为影响胶球清洗装置收球率因素。

图2 影响胶球清洗装置收球率因素

4 真空系统机组不严密对于凝结器的影响

这是运行机组中的常见现象是真空系统不严密性。确定供气量，评估机组真空系统的劣化程度。当机组真空系统未压缩时，凝汽器空气主要是由于机组内负压部件的质量密度，例如，凝汽器壁厚、低压管道的结合面和轴线、排气管和凝汽器管之间的连接、排气筒的设计等。筒体的厚度以及由于冷凝冷却和氧气含量增加而产生的高压蒸汽的加热，真空凝结器真空度迅速下降，甚至不能正常工作[2]。

4.1 循环冷却水对于凝结器真空影响

真空凝汽器是指以空气流量和温度作为冷却剂的低压凝气机排气管道。

4.1.1 循环冷却水温度对凝气器真空影响

在进行系统的正常操作和运行时，循环冷却剂的温度主要受环境温度和风功率的影响，周围环境的相应温度越高，风功率越小，风的热量越小，热交换越少，当循环水进口温度升高时，吸热率降低，蒸汽凝结温度升高；当凝结温度升高时，排气压力相应升高，蒸汽压力降低，凝结泵降低，即循环水温度越高，循环冷却水中的排气温度越高，冷凝器进入冷凝器后的冷却效果越好。相应低压管道上的排气温度越高，凝结水泵的温度越低，在相同的工况和恒定的冷却温度下，循环冷却剂的进口温度越低，排气温度越低，即凝汽器真空度越高，冬夏影响越大；其次，部分负荷对循环水温也有一定影响。

4.1.2 循环冷却水的影响

循环水流量对真空度有重要影响，循环水流量主要受水力是否充足和循环水泵性能的影响。循环水泵因故停机或突然降低循环水流，使凝汽器真空半径大大减小，若运行人员不能及时调整机组负荷，启动备用泵，凝汽器防尘效果不好，系统正常工作。

4.2 凝气器端差的影响

凝汽器组合端差是反映凝汽器换热状态的一项指标，可作为评价和分析凝汽器运行状态的依据。

在相同条件下，凝汽器最终温差增大的原因有两个：①凝汽器汽侧空气较多，阻碍热管的热交换；②凝汽器传热管内表面脏污，在电厂检修过程中，发现凝汽器水侧存在1.0mm 的结垢，说明凝汽器真空半径良好，能保证冷却面保持清洁，为保证汽轮机安全、可靠、稳定运行，汽室内不应有空气收集。

5 装置功能实现

原真空泵的真空极限为3.3kPa，机组的绝对真空压力为0.3kPa，凝汽器废气随时间推移被吸出。罗茨泵通过水泵将整个机组的压差转换为单台泵产生的绝对吸入压力，进一步提高并完全满足凝汽器真空泵的要求。

提高设备的吸入能力，增加吸入流量。虽然目的是将部分蒸汽直接抽入水泵，但难免会抽入部分蒸汽。增加冷却泵中的蒸汽和空气，将蒸汽冷凝为水，减小体积流量，吸收潜热的蒸发，减少体积流量和热量，降低循环水泵的性能；降低循环水泵的运行温度，提高循环水泵的效率。

6 结语

随着运行时间的延长，真空电容器（夏季和冬季）已成为影响机组负荷的重要因素。因此，有必要分析机组真空面积随时间推移而减少的原因，并采取类似措施加以解决，将节能与二氧化碳排放结合起来，不仅是21 世纪节能的重要组成部分，也是做好节能工作的重要途径。