真空度是影響汽輪機(jī)帶負(fù)荷和熱效率的一個(gè)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，傳熱效能又直接影響真空度的高低，根據(jù)傳熱學(xué)的原理，結(jié)合汽輪機(jī)凝汽器運(yùn)行情況，提出了提高真空度的辦法，改善交換工況，從而達(dá)到提高節(jié)能效果的目的。

　　凝汽器是汽輪機(jī)組的一個(gè)重要組成部分，其作用是汽輪機(jī)排汽受冷卻凝結(jié)成水，在凝汽器中形成高度真空，使進(jìn)入汽輪機(jī)做功的蒸汽能膨脹到低于大氣壓力，提高效率多做功，其運(yùn)行工況的正常與否，直接影響到整個(gè)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此運(yùn)行人員應(yīng)充分了解設(shè)備特性，做好運(yùn)行監(jiān)視和科學(xué)調(diào)整。保持凝汽器良好運(yùn)行工況，即保障凝汽器真空達(dá)到最佳的真空值是提高電廠發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性節(jié)能低運(yùn)行成本的重要內(nèi)容之一。

1、傳熱與真空分析

　　機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝汽器的排氣壓力與排氣溫度的關(guān)系是過(guò)熱蒸汽的壓力和溫度的關(guān)系，也就是說(shuō)凝汽器的排氣壓力是由相應(yīng)的過(guò)熱蒸汽溫度來(lái)決定的，而過(guò)熱蒸汽的溫度與外界冷卻介質(zhì)的熱交換程度有關(guān)。在凝汽器中，過(guò)熱蒸汽受冷卻發(fā)生相變，相變時(shí)凝結(jié)水在整個(gè)換熱面上保持飽和溫度T1，蒸汽汽化潛熱被冷卻水吸收。

　　蒸汽凝結(jié)放出的熱量為：

　　因?yàn)樵诜�(wěn)態(tài)時(shí)有：Q 放= Q 傳= Q 吸, 所以可導(dǎo)出如下公式：

　　即凝結(jié)水溫度函數(shù)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 溫度變化曲線

　　根據(jù)圖1 可知：

　　(a) 當(dāng)冷卻水進(jìn)口溫度T21 下降，其吸收的熱量Q 吸就增加，蒸汽冷凝溫度T1 就越低。

　　(b) 當(dāng)受熱面積F 增加，則冷卻水出口水溫度T22 上升，其吸收熱量就增加，蒸汽冷凝溫度T1 就越低。

　　(c) 當(dāng)冷卻水流量增加時(shí)吸收的熱量就增加，其增加的幅度由(1)式可看出，按數(shù)量級(jí)估算，就不及上面兩種情況，當(dāng)然它同樣也可使蒸汽溫度T1 降低。

　　總之，冷凝溫度的下降可使排汽壓力相應(yīng)降低，增大蒸汽在汽機(jī)內(nèi)部的焓降，使得有更多的熱能在汽機(jī)中轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

2、影響傳熱系數(shù)的因素

　　假設(shè)凝結(jié)換熱系數(shù)為k1；導(dǎo)熱系數(shù)為k2；對(duì)流換熱系數(shù)為k3；則凝汽器傳熱包括以下三個(gè)互相串聯(lián)的換熱方式：

　　由上述過(guò)程及前面所涉及的公式可推出凝結(jié)器換熱系數(shù)為：

K = 1/(a+b+c),W/(m²·℃) (4)

　　其中a，b，c，分別是各傳熱過(guò)程換熱系數(shù)倒數(shù)，即：a = 1/k1, b = 1/k2, c = 1/k3公式(4)揭示了換熱系數(shù)的意義，即它等于傳熱過(guò)程各環(huán)節(jié)之和的倒數(shù)。其中1/k1，1/k2，1/k3分別為三者的熱阻，即各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)熱阻的疊加。根據(jù)理論計(jì)算1/k1<1/k2<1/k3，即依次增大。傳熱系數(shù)表證了傳熱過(guò)程的強(qiáng)烈程度，傳熱系數(shù)越大，傳熱過(guò)程越強(qiáng)，熱阻越小。下面對(duì)各個(gè)換熱過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1、蒸汽在管子外壁的凝結(jié)換熱

　　蒸汽冷卻凝結(jié)時(shí)壁面被一層水膜覆蓋，凝結(jié)放出的熱量必須穿過(guò)水膜才能傳到冷卻面，這時(shí)水膜層就成為換熱的主要熱阻。影響凝結(jié)換熱的因素從運(yùn)行角度看主要是不凝結(jié)氣體(即空氣)。它對(duì)凝結(jié)換熱產(chǎn)生十分有害的影響，即使含量極微。在靠近水膜表面的蒸汽側(cè)，隨著蒸汽的凝結(jié)，蒸汽分壓力減小，不凝結(jié)氣體的分壓力增大。蒸汽在抵達(dá)水膜表面進(jìn)行凝結(jié)前，必須以擴(kuò)散方式穿過(guò)聚積在界面附近的不凝結(jié)氣體層；此外蒸汽分壓力的下降，使相應(yīng)的飽和溫度下降，減小了凝結(jié)的驅(qū)動(dòng)力。這是影響凝結(jié)換熱的兩個(gè)原因。

2.2、蒸汽在管子內(nèi)外壁的導(dǎo)熱換熱

　　清潔銅管的導(dǎo)熱換熱系數(shù)k2 由其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)尺寸決定，其熱阻是很小的，然而蒸汽器運(yùn)行一段時(shí)間后，加上循環(huán)水水質(zhì)的原因，換熱面上會(huì)積起水垢、污泥之類的覆蓋物垢層，有時(shí)還由于換熱面與流體的相互作用發(fā)生腐蝕而引起覆蓋物垢層。所有這些覆蓋物都表現(xiàn)為附加熱阻，使k2 減小換熱性能下降。由于垢層厚度及其導(dǎo)熱系數(shù)難于確知，通常用它表現(xiàn)出來(lái)的熱阻值來(lái)計(jì)算。

2.3、對(duì)流換熱的影響因素

　　影響換熱系數(shù)k3 的因素包括影響流動(dòng)的因素及影響對(duì)流換熱中熱量傳遞的因素，前者與流速、特征尺寸及物性參數(shù)有關(guān)，后者主要是由物性參數(shù)決定，而運(yùn)行中能改變的只有流速。根據(jù)迪圖貝爾特公式知，k3 與流速的0.8 次冪成正比，提高流速對(duì)換熱十分顯著，但同時(shí)它又增加了流動(dòng)阻力，阻力與流速的二次冪成正比，故影響很大。而循環(huán)泵耗電量?jī)H次于給水泵占全廠自用電量10%~25%，運(yùn)行中需要通過(guò)比較試驗(yàn)來(lái)確定經(jīng)濟(jì)流速。

3、提高真空度的若干途徑與可行性

　　據(jù)測(cè)算，中小型機(jī)組真空度每提高1%，機(jī)組功率可增加1%，煤耗下降1%。若一臺(tái)25000 kW機(jī)組， 以每年運(yùn)行7000 h 計(jì)， 每年可多發(fā)電1750000 kW·h，節(jié)約標(biāo)煤875 t。對(duì)該廠已投入運(yùn)行的機(jī)組可采取提高真空度的方法有以下幾種。

3.1、降低凝汽器熱負(fù)荷

　　目前該廠汽輪機(jī)采用的是表面式凝汽器。由于有傳熱熱阻存在，冷卻水溫總是比凝結(jié)水溫要低，熱經(jīng)濟(jì)性差。由于排汽量越大則蒸汽凝結(jié)放出的熱量就越多，冷卻介質(zhì)需帶走的熱量越多，然后冷卻熱量、傳熱面積、循環(huán)水溫度是受設(shè)備特性和生產(chǎn)成本所限制的，為了減輕凝汽器熱負(fù)荷，提高機(jī)組熱效率，可采取在冷凝汽器喉部增加一套霧化式噴頭，通過(guò)接觸式傳熱，可吸收部分蒸汽凝結(jié)熱，使部分補(bǔ)充的除鹽水在凝汽器內(nèi)形成一個(gè)混合式凝汽器，從而減輕了表面式凝汽器的熱負(fù)荷，提高了真空度。雖然該裝置改裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行無(wú)需維護(hù)，投資少，經(jīng)濟(jì)效益好，煤耗最多可下降4 g/(kW·h)，但是考慮到該廠設(shè)備布局、場(chǎng)地限制等實(shí)際情況和凝汽器在運(yùn)行過(guò)程中形成的凝結(jié)水在管束上粘附形成水膜，不利于管速傳熱。同時(shí)凝結(jié)水在自上而下滴落的過(guò)程中會(huì)遇到冷卻水管的再冷卻而造成凝結(jié)水的過(guò)冷度，從而影響整個(gè)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)性。所以利用噴頭降低凝汽器的熱負(fù)荷達(dá)到提高真空，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不是該廠首選。

3.2、提高真空系統(tǒng)嚴(yán)密性

　　在停機(jī)時(shí)應(yīng)定期對(duì)凝汽器和真空系統(tǒng)進(jìn)行灌水檢漏，消除管道接頭、水位計(jì)連通接頭、凝結(jié)水泵軸端密封裝置等處的漏氣點(diǎn)；根據(jù)外界負(fù)荷的變化，經(jīng)常調(diào)整汽輪機(jī)軸封用汽，不使其中斷；經(jīng)常檢查負(fù)壓系統(tǒng)的閥門(mén)；加強(qiáng)射水抽氣器的運(yùn)行調(diào)整和日常維護(hù)，保證其抽氣效率，在其法蘭處不應(yīng)有松動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)考慮到季節(jié)變化會(huì)導(dǎo)致抽氣器工作環(huán)境溫度上升較大，直接影響其工作效果，可考慮改用受外界溫度影響較小、維護(hù)簡(jiǎn)單的水環(huán)真空泵或者利用工業(yè)水溫度較低的優(yōu)勢(shì)對(duì)原抽氣器的循環(huán)水入水口加裝水溫控制裝置。

3.3、清洗受熱面

　　當(dāng)需要強(qiáng)化一個(gè)傳熱過(guò)程時(shí)首先判斷哪一個(gè)傳熱環(huán)節(jié)的分熱阻最大。在凝汽器中，由于管壁兩側(cè)的熱阻都比較小，因此不能忽略管壁熱阻。污垢熱阻有時(shí)會(huì)成為傳熱過(guò)程的主要熱阻，須給與足夠的重視，一般講管壁兩側(cè)的對(duì)流換熱熱阻均在2×10^-4 m²·℃/W 以下，而經(jīng)過(guò)處理的冷卻水水垢熱阻可達(dá)2×10^-4 m²·℃/W，針對(duì)這個(gè)分熱阻采取強(qiáng)化措施，收效最顯著。運(yùn)行中對(duì)循環(huán)冷卻水采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格預(yù)處理的工業(yè)水，同時(shí)合理安排清洗周期是保證控制污垢熱阻的有效手段。由于凝汽器冷卻面結(jié)垢對(duì)真空的影響是逐步積累和增強(qiáng)的，因此判斷凝器冷卻面是否結(jié)垢時(shí)，應(yīng)與冷卻面潔凈時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)作比較，結(jié)垢可使凝汽器的阻力損失增大。因此，在加強(qiáng)對(duì)凝汽器運(yùn)行監(jiān)視時(shí)，運(yùn)行人員要及時(shí)比對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)，查驗(yàn)循環(huán)水溫升大小，當(dāng)凝汽器銅管結(jié)有硬垢，溫升數(shù)值較冷卻面潔凈時(shí)降低過(guò)多或真空下降已無(wú)法維護(hù)正常運(yùn)行時(shí)，則需及時(shí)進(jìn)行清洗。清洗后可大大提高傳熱系數(shù)，安全性及經(jīng)濟(jì)性大為提高，一般真空可提高3%左右。

3.4、降低冷卻水溫

　　冷卻水溫越低，冷卻水從凝汽器中帶走的熱量越多，據(jù)測(cè)算：水溫下降5℃，凝汽器真空可提高1%左右，而水溫冷卻主要取決于冷卻塔的工作狀況，通常進(jìn)水量應(yīng)與冷卻塔型號(hào)相適應(yīng)，過(guò)大達(dá)不到預(yù)定冷效，過(guò)小配水不均影響冷效。冷卻塔中水流與空氣通過(guò)逆流熱交換而降低水溫，當(dāng)循環(huán)水量低于塔的銘牌參數(shù)時(shí)，冷卻塔的淋水密度減小而風(fēng)量基本未變，冷卻后的水溫就比銘牌參數(shù)低�？紤]到客觀限制因素，結(jié)合目前該廠的實(shí)際，我們可以從兩方面入手來(lái)解決降低冷卻水溫的措施：一是，由于飛散及蒸發(fā)損失，冷卻補(bǔ)充用水是較大的，及時(shí)科學(xué)合理調(diào)整該廠設(shè)備所消耗工業(yè)水循環(huán)水的流量分配，加大水塔冷水的補(bǔ)充是保持冷卻塔有效降溫的重要方面。同時(shí)應(yīng)定時(shí)檢查冷卻塔內(nèi)的分配管是否正常旋轉(zhuǎn)，出水是否順暢，填料層是否有污垢等等。這些因素都直接影響水的再分布均勻性，影響其散熱大小。

　　預(yù)熱通過(guò)每年清洗墊料，真空可恢復(fù)1%~3%；二是技改該廠閑置的水交換器，通過(guò)控制二級(jí)泵站來(lái)的工業(yè)水來(lái)調(diào)節(jié)凝汽器冷卻循環(huán)水入水溫度，這樣即使在炎熱的夏季，也可提高真空2%~3%。

3.5、循環(huán)水泵的經(jīng)濟(jì)調(diào)度

　　改變冷卻水量，可改變吸熱量，雖然隨著水量的增加，真空可逐步提高，但受水溫限制，冷卻水流量調(diào)到最大，僅是加重循環(huán)水泵的耗電量，對(duì)真空提高影響甚微。從節(jié)電的方面看，運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)外界環(huán)境溫度及循環(huán)水溫度合理調(diào)整循環(huán)水流量，確定其經(jīng)濟(jì)水量。該廠每臺(tái)機(jī)組配置了2 臺(tái)同型號(hào)的循環(huán)水泵，根據(jù)冷卻循環(huán)倍率的要求，最高開(kāi)2臺(tái)，最低開(kāi)1 臺(tái)，出口配碟閥(全開(kāi)關(guān)全操作)，依據(jù)不同季節(jié)和機(jī)組功率的變化調(diào)節(jié)水量，同時(shí)對(duì)循環(huán)泵加裝變頻裝置適時(shí)調(diào)整循環(huán)泵的出力即可達(dá)到節(jié)電效果。

4、結(jié)語(yǔ)

　　凝汽器的運(yùn)行情況、狀態(tài)和真空系統(tǒng)的嚴(yán)密程度決定了凝汽器的真空度。減小凝汽器換熱面的蒸汽負(fù)荷、循環(huán)水的進(jìn)口溫度，提高循環(huán)水量、保持冷卻表面的清潔程度和真空系統(tǒng)的嚴(yán)密性，可降低排氣壓力，提高真空度，增加蒸汽的汽機(jī)內(nèi)部有效焓降，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。