1、直接空冷系統真空嚴密性研究（1、山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西 大同 037039 ） （2、華北電力大學能源與動力工程學院,，北京 10220）摘要：真空嚴密性試驗是確定凝汽器真空是否泄漏的重要方法，而漏空氣是影響直接空冷機組真空的主要因素之一。從理上分析了空冷凝汽器經歷的傳熱和熱力學過程，建立了空冷凝汽器真空嚴密性的數學模型，由此得到了進行嚴密性試驗時背壓隨試驗時間的變化關系，為分析空冷機組真空嚴密性變化規律提供了依據。以200MW空冷機組數據為例進行了實例計算，對比實際進行真空嚴密性試驗測得的關系曲線，兩者基本相似。并由此引出對不同容量的直接空冷機組真空嚴密性試驗標準的探討，指出

2、不同機組應根據其真空容積和設計漏空氣量制定合適的標準。關鍵詞：直接空冷；空冷凝汽器；真空嚴密性；真空嚴密性試驗；機組熱經濟性中圖分類號：TK264.1Study of Vacuum Tightness for Direct Air-cooled SystemYin hai-yu1 (1.SHANXI DATANG INTERNATIONAL YUNGANG THERMAL POWRE CO.,LTD.,Datong,Shanxi 037039,China)（2.ABSTRACT：The mathematical model of vacuum tightness experiment for

3、condenser of 200MW air-cooled power plant is established. The relation between back-pressure and time of experiment is got through a example. And it is similar with the actual measured data. The standard of vacuum tightness experiment for the direct air-cooled units of different capacities is also d

4、iscussed. This paper point out that the different units should develop an appropriate standard based on its vacuum volume and designed leakage air volume.Key words: direct air-cooled; air-cooled condenser; vacuum tightness; vacuum tightness experiment; thermal economy of unit1. 引言直接空冷機組中凝汽器的一個主要作用是在

5、汽輪機排汽口處建立并維持一定的真空，使蒸汽在汽輪機內膨脹到指定的凝汽壓力，以提高汽輪機的可用焓降，將更多的焓降轉變為機械功，因此真空值已成為空冷汽輪機經濟運行的一個主要指標，而真空嚴密性是影響汽輪機真空的一個主要因素。若機組真空嚴密性差，則會有大量空氣漏入空冷機組真空系統中，從而降低機組真空。因此真空系統嚴密性已成為評價空冷電廠節能降耗的一個重要指標。目前空冷電廠是通過做真空嚴密性試驗來檢驗機組冷端真空嚴密程度的，沿用濕冷機組的程序。試驗時，機組負荷穩定在額定負荷的80%以上，關停真空泵，然后記錄凝汽器真空表的真空值，自關停真空泵后30秒起，每隔半分鐘記錄一次真空值，共記錄8分鐘，取后5分鐘的

6、記錄值算得真空的平均下降值。真空嚴密性的好壞便是通過做此試驗得到的真空下降速度來進行評判。若平均每分鐘真空下降值越大則說明嚴密性越差，相反則說明嚴密性越好。至于不同容量的空冷機組該執行什么樣的真空嚴密性試驗標準，現在還沒有一個公認的定論。本文通過建立真空嚴密性試驗的數學模型來分析試驗時機組真空同試驗時間的關系，并借此引出對真空嚴密性試驗標準的探討。提出不同大小空冷機組制定真空嚴密性標準該遵循的原則，對此方面的研究有一定的意義。2. 真空嚴密性試驗的數學模型當空冷凝汽器正常運行的情況下，忽略排汽管道的壓損，汽輪機的排汽壓力就是凝汽器中水蒸汽的凝結壓力。而當做真空嚴密性試驗時，抽氣的真空泵處于關閉

7、狀態，此時汽輪機的排汽壓力為水蒸汽的凝結壓力和漏入空氣自身分壓力共同決定。根據道爾頓分壓定律，此時機組的背壓為兩個分壓力之和3，即： (1)其中：為凝汽器的總壓力；為凝汽器內水蒸氣的凝結壓力；為凝汽器內的空氣分壓力。凝汽器內水蒸汽的凝結壓力是由凝結溫度確定的，由傳熱單元數法（）可以得到空冷凝汽器內水蒸汽的凝結溫度 (2)式中，為空冷凝汽器的散熱量，為空氣密度，為迎風面風速，為迎風面面積，為空氣比熱， 為傳熱單元數，是空冷凝汽器進口溫度。其中空冷凝汽器傳熱單元數可表示為： (3)式中，為空冷凝汽器的傳熱系數，為空冷凝汽器的傳熱面積。空冷凝汽器的換熱管束為橢圓翅片管，根據傳熱學定律，在假設翅片管清

8、潔情況下，以翅片管外表面為基準的凝汽器平均傳熱系數可表示為 (4)式中：、分別為翅片管內的蒸汽凝結換熱系數和管外的對流換熱系數，為翅片管厚度，為翅片管的管壁的導熱系數，、分別為翅片管內外表面積，為翅片總效率。空冷散熱器外部為強制對流換熱，由于翅片結構千差萬別，其對流換熱系數往往要通過專門的實驗來確定。對于本文所應用的橢圓翅片管束的對流換熱系數可參考文獻5對國產矩形翅片橢圓管族的放熱系數和氣流阻力進行實驗論證，獲得管外對流換熱系數經驗關系式 (5)式中：為空氣導熱系數，為管外空氣雷諾數，為翅片管當量直徑。空冷散熱器管內凝結放熱系數目前還沒有一個普遍公認的公式，通過對現有公式的比較，文獻6認為只有

9、當凝汽器內空氣開始積聚時，蒸汽的凝結換熱系數才會下降，借助于凝汽器內空氣的質量份額描述蒸汽側放熱系數比較合理，其公式如下 (6)式中：為空氣的質量份額，其值為，其中和分別為凝汽器內空氣和蒸汽的質量，為凝汽器單位冷卻面積的熱負荷，表示為，純凈蒸汽在單個豎直管外凝結放熱系數，可根據傳熱學中努塞爾公式計算 (7)由于飽和蒸汽的溫度和壓力是一一對應的，所以知道了蒸汽的凝結溫度其壓力可由水蒸氣性質表查得，也可以由經驗公式得出： (8)另一方面由于空氣的集聚造成的分壓力可以用理想氣體狀態方程求得： (9)式中：為凝汽器的空氣漏入量，為做真空嚴密性試驗的時間，為空冷機組的真空系統容積，為空氣的氣體常數。對于

10、一個確定的空冷凝汽器系統，其各種參數確定以后就可以根據以上各式得到真空嚴密性試驗時背壓隨時間的變化關系。3.實例計算3.1 原始數據以山西大同云岡熱電廠200MW直接空冷機組為例，用以上的數學模型建立其設計工況下真空嚴密性試驗時背壓隨時間變化的關系。其中設計工況下機組冷端數據如下：表1 云岡電廠200MW機組設計數據項目單位數據項目單位數據空氣入口溫度16凝汽器總散熱面積510894汽輪機排汽壓力16設計迎風面面積4351汽輪機排汽量129.05設計迎風面風速2.14汽輪機排汽焓2506.5真空系統容積2500云岡電廠所用的空冷散熱器為德國GEA公司提供的橢圓形鋼管套矩形翅片，其結構尺寸如下表

11、2 云岡電廠空冷凝汽器散熱片尺寸項目單位數據項目單位數據管直徑管子排數排2管壁厚度1.5前排翅片間距4翅片尺寸后排翅片間距2.5翅片厚度0.35管子排置錯排3.2 計算結果及分析通過以上數據，我們可以依據上節所建立的數學模型得到該空冷機組在設計工況下做真空嚴密性試驗時背壓隨時間的變化關系如下圖(假設空氣漏入量為60)。圖1 真空嚴密性試驗時背壓隨時間的變化關系由上圖的曲線可以看出，在做真空嚴密性試驗時，汽輪機的排氣壓力隨時間的變化關系有兩個不同的階段。第一階段前5分時間內，排氣壓力隨時間上升的斜率很大。從機理上來說，這是由于當抽氣設備關閉時，真空內的空氣無法排出而迅速積聚，且由運動狀態變為靜止

12、狀態，摻混于蒸汽中，致使蒸汽凝結放熱系數迅速下降，最終導致散熱器的整體換熱系數下降，凝汽器散熱情況惡化，蒸汽的凝結溫度升高，從而蒸汽的凝結壓力大幅增加，成為此階段排氣壓力升高的主要因素。第二階段為5分鐘以后，排氣壓力隨時間的變化趨于平緩近似成線性關系。這是由于隨著空氣在蒸汽中含量的增加，蒸汽凝結換熱系數下降也趨于平緩甚至幾乎不再下降，此時蒸汽的凝結溫度變化很小，其凝結壓力也就趨于不變，而此時隨著空氣含量的增加其本身的分壓力已經到了不能忽略的地步，即的增量成為此階段排氣壓力升高的主要貢獻者。綜上，做真空嚴密性試驗時，理論上前期背壓變化速度較大(非線性)后期趨于平緩變化(線性)。這個結論和許多電廠

13、試驗時記錄的實測數據變化也是相似的。例如文獻8提供的云岡電廠2003年10月所做的一次真空嚴密性試驗數據如圖2，由圖可以看到實際真空嚴密性試驗時的真空變化和我們由數學模型得到的是相似的。這種現象產生的原因就是在嚴密性試驗時，不同時期和的增量對結果貢獻不同而造成的。值得提出的是嚴密性試驗后期壓力的升高主要是由于空氣分壓力升高造成的，當真空系統的體積和排氣溫度一定時，空氣分壓力就是漏入空氣量的單值函數。電廠做嚴密性試驗的目的就是為了反應空氣在真空系統內的集聚速度，因此取試驗后期數值進行平均更能達到目的。這也是做嚴密性試驗時要求記錄8分鐘數據，取后5分鐘數據的原因之一。圖2 云岡電廠2003年10月

14、份真空嚴密性試驗數據4.真空嚴密性試驗標準現行的濕冷機組真空嚴密性試驗標準根據原水電部頒布標準為小于400Pa/min為合格。它既沒有考慮機組形式，也不論機組容量大小，一概沿用此標準。由上部分我們知道在外界環境穩定的情況下，平均每分鐘真空下降值反應的是單位時間內空氣漏入量。但對于不同形式和容量的機組，同樣的平均每分鐘真空下降值，其單位時間的空氣漏入量是不同的。例如600MW機組其真空體積幾乎比300MW機組大一倍，在同樣的每分鐘真空下降值前提下，600MW機組漏入空氣量也幾乎比300MW的大一倍。因此真空嚴密性試驗的驗收標準應兼顧真空容積9。對于直接空冷機組，由于整個排氣系統和散熱元件都是焊接

15、的，原則上不允許有泄漏。當直接空冷機組和水冷機組相同時，排氣口數量也相同時，其漏入空氣量應該是相當的。空冷系統的抽真空設備也是基于此原則配置的。而在容量相同的情況下，直接空冷機組的真空容積約是濕冷機組的34倍，因此在同樣的空氣漏入量下，由于直接空冷機組真空容積比濕冷機組擴大了34倍，則真空嚴密性試驗時標準自然也要縮小34倍。如果濕冷機組的標準是400Pa/min，那么空冷機組合理的嚴密性標準就應該是100130 Pa/min。這跟GEA公司提供的嚴密性試驗建議標準100 Pa/min相符合。而在實際操作中，由于試驗受到當時環境及安裝情況的影響，此標準可適當放寬至200 Pa/min甚至300P

16、a/min。以上是整體對比空冷機組和濕冷機組得出的結果，對于直接空冷機組中不同容量的機組其嚴密性執行標準也不能以一概全。而應該統籌考慮機組真空容積和其設計漏空氣量。下表是3種大型空冷機組的統計表。表3 不同機組真空容積及設計漏氣量對比表序號機組容量（MW）真空容積（m3）設計漏空氣量（kg/h）160010000左右80125左右23006000左右70左右32003000左右50左右由表中可以看到，不同容量機組其真空容積的增長比例與其設計漏空氣量的增長比例并不是一樣的。例如600MW機組真空容積約是200MW的3倍多，但600MW機組的設計漏空氣量卻是200MW的2倍多。也就是說200MW機

17、組的真空容積比600MW機組的縮小了2倍多，但其設計漏氣量并沒有相應的縮小那么多。根據真空嚴密性試驗后期真空的下降主要是由于漏入空氣自身分壓增長引起的原理，這樣如果以相同的真空嚴密性試驗標準來要求這兩種不同容量的機組，那么600MW的機組就容易達標而200MW機組卻不容易達標。這也是為什么一些小機組仔細查漏后真空嚴密性試驗結果卻仍達不到一些大機組輕而易舉達到的標準的原因之一。綜上，對于不同容量的機組應根據其所選的抽氣設備的工作能力來制定合適的真空嚴密性標準。若標準定的過于寬松，那么允許漏入真空的空氣量就會超過抽氣設備的抽吸能力，造成抽氣設備的不堪重負和機組經濟性的下降；若標準定的過于嚴格，漏入

18、真空空氣量在抽氣設備的抽氣能力之內，此時如果還投入大量人力物力進行查漏那么又會造成不必要的資源浪費。具體對于一個確定的機組該制定多大的標準，可以通過啟動備用真空泵的辦法來參考制定。即起動備用真空泵后，若真空值上升的幅度較大那么說明漏入空氣量超過了抽氣設備能力，此時應積極查漏，直到起動備用真空泵后，真空值上升幅度很小或幾乎不上升。此時再做真空嚴密性試驗所得到的真空下降速度即可定為該機組的參考標準。5結論5.1建立了空冷凝汽器真空嚴密性數學模型，由此得到了進行嚴密性試驗時背壓隨試驗時間的變化關系，為分析空冷機組真空嚴密性變化規律提供了理論依據。5.2以200MW空冷機組為例，對其真空嚴密性試驗規律進行了分析。結果說明，進行真空嚴密性試驗時理論上前期背壓升高較快，后期變化平穩，取后5分鐘數據計算真空下降速度更