电厂凝汽器水室抽真空系统运行分析及问题优化

李胜利

中国核电江苏核电有限公司 江苏连云港 222042

1 凝汽器水室抽真空系统功能和原理

电站机组循环水系统为直流供水系统，在循环水回水管线上设置虹吸井，利用虹吸原理降低循环水泵压头，达到节能降耗的目的[1]。由于利用了虹吸井，循环水流经凝汽器后压力降低到低于环境大气压力，且循环水经过凝汽器吸收汽轮机乏汽的汽化潜热，温度升高，使得水中溶解空气部分析出，这些析出的空气绝大部分被循环水水流带走，少部分滞留在凝汽器水室顶端，使循环水虹吸高度降低，凝汽器水室上部不满水，部分冷凝管中循环水断流，使凝汽器运行换热面积减小，造成凝汽器真空降低，并且凝汽器钛管受到蒸汽冲刷，在没有海水冷却的情况下，寿命将下降。因此在凝汽器水侧设置抽真空系统有下列两个作用：

（1）用于循环水系统启动前对凝汽器水室进行抽真空，建立虹吸并使循环水自流充水，降低循泵启动功率和电流；

（2）在机组正常运行时，用于抽出由于循环水温度升高和虹吸的影响使压力下降而游离释放出来的空气，防止水室顶部聚气破坏虹吸效果，降低循环水流量。

2 凝汽器水室抽真空系统运行原理

凝汽器水室真空系统由两套并联的抽气系统和一个真空破坏系统组成。在每套抽气系统中，有一台液环式电动真空泵、一台汽水分离器、一台真空罐。凝汽器水室顶部布置有抽气管，汇集于抽气母管；抽汽母管需在从抽气母管经真空衬胶隔膜阀分别至两台真空控制罐，每个真空泵前设置真空控制罐，保证溢出的循环水被容纳，而不致污染真空泵闭合回路。之后在真空泵中进行冷凝和压缩，最后经汽水分离器进行汽水分离，在分离器内冷凝的蒸汽落到分离器底部，被分离的空气经分离器出口排向大气

3 凝汽器水室抽真空系统运行特点

（1）空气在水中的溶解度，温度越低，溶解度越高，所以冬春季节，电厂循环水中空气含量较夏秋季节高；

（2）电站夏季时启动三台循环水泵，向凝汽器供应冷却循环水，冬季因为海水温度低，只需要启动两台循环水泵，循环水流量小，海水在凝汽器传热管中温升更大，导致空气析出更多[2]。

以上两点原因导致冬春两季凝汽器水室会聚集更多空气，水室抽真空系统启动更频繁，以排出凝汽器水室顶部积聚的气体。

4 凝汽器水室抽真空系统当前存在的问题及原因分析

在电站调试和运行阶段，凝汽器水室抽真空系统存在一系列问题，导致系统无法投运自动状态，设备故障率高，系统无法长期可靠运行，具体问题如下：

（1）水室顶端液位计不可靠。凝汽器每个水室顶端设置有一个磁翻板式就低液位计和两个开关量液位计（分别为水室高低液位），系统逻辑以及主控操纵员通过水室开关量液位计判断凝汽器水室水位，当低液位信号触发时，系统自动或操纵员手动启动水室真空泵，将聚集在凝汽器水室顶端的空气抽走，当高液位触发时，停运水室真空泵。然而当前凝汽器水室液位计不可靠导致出现高低液位开关频繁闪烁，高低液位开关同时触发、启动水室真空泵后高液位触发，停泵后低液位立即触发，或则启动水室真空泵始终抽不出高液位等问题，严重干扰操纵员判断以及自动逻辑运行。

究其原因，在于当前使用的水室液位计不可靠，后续将更换为音差式液位计，待验证。

（2）凝汽器水室真空泵频繁进水。设计院在设计凝汽器水室抽真空系统时，为防止海水被抽到真空泵体内，在凝汽器水室顶端（稍低于厂房+8m）与水室真空泵（厂房+8m地面上1m）之间设置有10m倒U型水封管道，实际管道安装也是满足的，当水室真空泵入口真空抽到100kPa，10m高的倒U型管道可保证绝对真空下海水无法越过倒U型水封进入真空泵。

但是系统在设计时未考虑到水室真空泵抽真空时，管道中空气和海水流速的影响，在不考虑管道阻力和压差情况下，根据伯努利方程：

当v1=14m/s时，空气中携带的海水的动能就可以克服重力势能，从而将部分海水越过10m倒U型水封，导致水室真空泵进水，由于水环式真空泵依靠变容积原理来排出气体，水又是不可压缩流体，真空泵进水将导致泵体叶轮应力大幅增加，产生金属撞击声，泵体振动急剧增大，如不及时停泵排水（真空控制罐只可储存少量海水），真空泵将很快损坏。

5 凝汽器水室抽真空系统当前问题的优化方案

（1）关于水室液位计不可靠问题，通过将液位计型号更换为音差式液位计，效果明显改善。

（2）关于水室真空泵进海水问题。有以下几种解决思路：

参考电厂的水室真空泵设备位置在厂房+24m或厂房+33m，与凝汽器水室上端高度差超过16m，且全部是上升管段，空气中携带的海水无法克服重力势能进入真空泵，考虑到设备位置也已经安装好，且机组已经发电运行，难以通过此方式进行解决；

（3）运行优化方式，在分析出水室真空泵进水原因后，得出结论，只要将空气流速限制在14m/s，其中携带的海水就无法克服重力势能，从而被倒U型水封挡住无法进入真空泵。在运行操作中，原本是全打真空泵入口手动阀启泵，在优化方案中，先将手动阀关闭，启动真空泵后，缓慢打开真空泵入口手动阀，通过实际验证，水室真空泵从之前每次启泵必进水，到现在基本不再进水[3]。

（4）后续在倒U型水封上增加节流孔板（限制空气流速），或者增加气水分离装置，从而保证系统能按照设计的自行运行工况运行。

综上所述，电站凝汽器水室抽真空系统作为电站循环水系统可靠运行的一环，对机组安全经济运行至关重要，通过分析当前存在的问题，采取针对性的解决方案，可有效降低问题发生的频率，提高系统运行可靠性