直接空冷系统真空严密性研究尹海宇[1]郭民臣[2] 张晶宇[2]（1、山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西大同037039 ）（2、华北电力大学能源与动力工程学院,，北京10220）摘要：真空严密性试验是确定凝汽器真空是否泄漏的重要方法，而漏空气是影响直接空冷机组真空的主要因素之一。
从理上分析了空冷凝汽器经历的传热和热力学过程，建立了空冷凝汽器真空严密性的数学模型，由此得到了进行严密性试验时背压随试验时间的变化关系，为分析空冷机组真空严密性变化规律提供了依据。
以200MW空冷机组数据为例进行了实例计算，对比实际进行真空严密性试验测得的关系曲线，两者基本相似。
并由此引出对不同容量的直接空冷机组真空严密性试验标准的探讨，指出不同机组应根据其真空容积和设计漏空气量制定合适的标准。
关键词：直接空冷；空冷凝汽器；真空严密性；真空严密性试验；机组热经济性中图分类号：TK264.1Study of V acuum Tightness for Direct Air-cooled SystemYin hai-yu[1](1.SHANXI DATANG INTERNATIONAL YUNGANG THERMAL POWRECO.,LTD.,Datong,Shanxi 037039,China)（2.ABSTRACT：The mathematical model of vacuum tightness experiment for 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 discussed. 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.引言直接空冷机组中凝汽器的一个主要作用是在汽轮机排汽口处建立并维持一定的真空，使蒸汽在汽轮机内膨胀到指定的凝汽压力，以提高汽轮机的可用焓降，将更多的焓降转变为机械功，因此真空值已成为空冷汽轮机经济运行的一个主要指标，而真空严密性是影响汽轮机真空的一个主要因素。
若机组真空严密性差，则会有大量空气漏入空冷机组真空系统中，从而降低机组真空。
因此真空系统严密性已成为评价空冷电厂节能降耗的一个重要指标。
目前空冷电厂是通过做真空严密性试验来检验机组冷端真空严密程度的，沿用湿冷机组的程序。
试验时，机组负荷稳定在额定负荷的80%以上，关停真空泵，然后记录凝汽器真空表的真空值，自关停真空泵后30秒起，每隔半分钟记录一次真空值，共记录8分钟，取后5分钟的记录值算得真空的平均下降值。
真空严密性的好坏便是通过做此试验得到的真空下降速度来进行评判。
若平均每分钟真空下降值越大则说明严密性越差，相反则说明严密性越好。
至于不同容量的空冷机组该执行什么样的真空严密性试验标准，现在还没有一个公认的定论。
本文通过建立真空严密性试验的数学模型来分析试验时机组真空同试验时间的关系，并借此引出对真空严密性试验标准的探讨。
提出不同大小空冷机组制定真空严密性标准该遵循的原则，对此方面的研究有一定的意义。
2. 真空严密性试验的数学模型当空冷凝汽器正常运行的情况下，忽略排汽管道的压损，汽轮机的排汽压力就是凝汽器中水蒸汽的凝结压力。
而当做真空严密性试验时，抽气的真空泵处于关闭状态，此时汽轮机的排汽压力为水蒸汽的凝结压力和漏入空气自身分压力共同决定。
根据道尔顿分压定律，此时机组的背压为两个分压力之和[3]，即：a s c P P P += (1)其中：c P 为凝汽器的总压力；s P 为凝汽器内水蒸气的凝结压力；a P 为凝汽器内的空气分压力。
凝汽器内水蒸汽的凝结压力s P 是由凝结温度s t 确定的，由传热单元数法（NTU -ε）可以得到空冷凝汽器内水蒸汽的凝结温度111a NTUa y y a s t e c A v Qt +-⋅=-ρ(2)式中，Q 为空冷凝汽器的散热量，a ρ为空气密度，y v 为迎风面风速，y A 为迎风面面积，a c 为空气比热，NTU 为传热单元数，1a t 是空冷凝汽器进口温度。
其中空冷凝汽器传热单元数NTU 可表示为：ay y a c A v KANTU ρ=(3)式中，K 为空冷凝汽器的传热系数，A 为空冷凝汽器的传热面积。
空冷凝汽器的换热管束为椭圆翅片管，根据传热学定律，在假设翅片管清洁情况下，以翅片管外表面为基准的凝汽器平均传热系数可表示为00111ηαλδα⋅+⋅+⋅=w miiA A A A K (4)式中：i α、w α分别为翅片管内的蒸汽凝结换热系数和管外的对流换热系数，δ为翅片管厚度，λ为翅片管的管壁的导热系数，i A 、0A 分别为翅片管内外表面积，0η为翅片总效率。
空冷散热器外部为强制对流换热，由于翅片结构千差万别，其对流换热系数往往要通过专门的实验来确定。
对于本文所应用的椭圆翅片管束的对流换热系数可参考文献[5]对国产矩形翅片椭圆管族的放热系数和气流阻力进行实验论证，获得管外对流换热系数经验关系式Ha w d 6.0Re19.0λα= (5)式中：a λ为空气导热系数，Re 为管外空气雷诺数，H d 为翅片管当量直径。
空冷散热器管内凝结放热系数目前还没有一个普遍公认的公式，通过对现有公式的比较，文献[6]认为只有当凝汽器内空气开始积聚时，蒸汽的凝结换热系数才会下降，借助于凝汽器内空气的质量份额描述蒸汽侧放热系数比较合理，其公式如下04.00)(81.0-=s i d εαα (6)式中：ε为空气的质量份额，其值为sa a m m m +=ε，其中a m 和s m 分别为凝汽器内空气和蒸汽的质量，s d 为凝汽器单位冷却面积的热负荷，表示为AD d s 0=，0α—纯净蒸汽在单个竖直管外凝结放热系数，可根据传热学中努塞尔公式计算25.0230)(cos 729.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=w s l l l t t L rg μθρλα (7)由于饱和蒸汽的温度和压力是一一对应的，所以知道了蒸汽的凝结温度其压力可由水蒸气性质表查得，也可以由经验公式得出：46.766.5710081.9⎪⎭⎫⎝⎛+⨯=s s t P (8)另一方面由于空气的集聚造成的分压力可以用理想气体状态方程求得：s a a a T R VG P ⋅⋅=τ (9)式中：a G 为凝汽器的空气漏入量，τ为做真空严密性试验的时间，V 为空冷机组的真空系统容积，a R 为空气的气体常数。
对于一个确定的空冷凝汽器系统，其各种参数确定以后就可以根据以上各式得到真空严密性试验时背压随时间的变化关系。
3.实例计算3.1 原始数据以山西大同云冈热电厂200MW直接空冷机组为例，用以上的数学模型建立其设计工况下真空严密性试验时背压随时间变化的关系。
其中设计工况下机组冷端数据如下：表1 云冈电厂200MW机组设计数据翅片，其结构尺寸如下3.2 计算结果及分析通过以上数据，我们可以依据上节所建立的数学模型得到该空冷机组在设计工况下做真空严密性试验时背压随时间的变化关系如下图(假设空气漏入量为60minkg)。
/图1 真空严密性试验时背压随时间的变化关系由上图的曲线可以看出，在做真空严密性试验时，汽轮机的排气压力随时间的变化关系有两个不同的阶段。
第一阶段前5分时间内，排气压力随时间上升的斜率很大。
从机理上来说，这是由于当抽气设备关闭时，真空内的空气无法排出而迅速积聚，且由运动状态变为静止状态，掺混于蒸汽中，致使蒸汽凝结放热系数迅速下降，最终导致散热器的整体换热系数下降，凝汽器散热情况恶化，蒸汽的凝结温度升高，从而蒸汽的凝结压力P大幅增加，s成为此阶段排气压力升高的主要因素。
第二阶段为5分钟以后，排气压力随时间的变化趋于平缓近似成线性关系。
这是由于随着空气在蒸汽中含量的增加，蒸汽凝结换热系数下降也趋于平缓甚至几乎不再下降，此时蒸汽的凝结温度变化很小，其凝结压力P也就趋于不变，而此时随着空气含量的增加其s本身的分压力已经到了不能忽略的地步，即P的增量成为此阶段排气压力升a高的主要贡献者。
综上，做真空严密性试验时，理论上前期背压变化速度较大(非线性)后期趋于平缓变化(线性)。
这个结论和许多电厂试验时记录的实测数据变化也是相似的。
例如文献[8]提供的云冈电厂2003年10月所做的一次真空严密性试验数据如图2，由图可以看到实际真空严密性试验时的真空变化和我们由数学模型得到的是相似的。
这种现象产生的原因就是在严密性试验时，不同时期P和a P的增量对结果贡献不同而造成的。
值得提出的是严密性试验后期s压力的升高主要是由于空气分压力升高造成的，当真空系统的体积和排气温度一定时，空气分压力就是漏入空气量的单值函数。
电厂做严密性试验的目的就是为了反应空气在真空系统内的集聚速度，因此取试验后期数值进行平均更能达到目的。
这也是做严密性试验时要求记录8分钟数据，取后5分钟数据的原因之一。
图2 云冈电厂2003年10月份真空严密性试验数据4.真空严密性试验标准现行的湿冷机组真空严密性试验标准根据原水电部颁布标准为小于400P a/min为合格。
它既没有考虑机组形式，也不论机组容量大小，一概沿用此标准。
由上部分我们知道在外界环境稳定的情况下，平均每分钟真空下降值反应的是单位时间内空气漏入量。
但对于不同形式和容量的机组，同样的平均每分钟真空下降值，其单位时间的空气漏入量是不同的。
例如600MW 机组其真空体积几乎比300MW机组大一倍，在同样的每分钟真空下降值前提下，600MW机组漏入空气量也几乎比300MW的大一倍。
因此真空严密性试验的验收标准应兼顾真空容积[9]。
对于直接空冷机组，由于整个排气系统和散热元件都是焊接的，原则上不允许有泄漏。