汽轮机冷端系统诊断和运行优化
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汽轮机冷端系统节能诊断及运行优化技术
居文平
西安热工研究院有限公司 2012年10月
2018/8/28
主要内容
一、冷端系统节能诊断 二、双背压凝汽器抽空气系统的影响 三、冷端系统性能诊断实例 四、冷端系统运行优化 五、冷端在线监测、诊断系统
2018/8/28
2
一、冷端系统性能诊断
1.节能诊断内容
（1）凝汽器及真空系统性能诊断。包含真空严密性、凝汽器传热性能、 凝汽器清洁度、凝汽器汽阻(水阻)、过冷度、真空泵运行状态、抽真空系 统布置方式是否合理等诊断。 （2）循环水系统性能诊断。包含循环水泵性能、循环水系统阻力特性等 诊断。
耗功(kW)
真空泵抽吸流量(kg/h)
混合物质量流量
B真空泵吸入压力与耗功的关系曲线 112 110 108 106 104 102 100 98 96 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 吸入口压力(kPa)
ห้องสมุดไป่ตู้
2018/8/28 18
冷端影响因素的影响量
影响凝汽 主要影响因素 变化情况 器压力 kPa 0.34 影响 供电煤耗 g/kW.h 0.82 影响趋势
高压凝汽器真空严密性/Pa· min-1
机组负荷/MW 高压凝汽器传热端差[1]/℃ 低压凝汽器传热端差[1]/℃
268
594.5 6.100 10.364
226
652.5 4.924 9.366
52
1001.7 5.259 6.333
高压凝汽器压力[1]/kPa
低压凝汽器压力[1]/kPa 低压凝汽器压力应达值[2]/kPa 2018/8/28
在设计冷却水进口温度20℃、现有冷却水流量条件下 凝汽器平均压力 kPa 7.92 6.31 7.90
在设计冷却水进口温度20℃、流量58300m3/h条件下 凝汽器平均压力 kPa 7.16 5.80 7.15
52kg/h
86kg/h 26kg/h
25
30
35
40
45
50
真空泵工作水温度(℃)
2018/8/28 17
tt tw w 1
漏入空气量对真空泵性能的影响
空气流量对真空泵抽吸能力的影响 400 350 300 250 200 150 100 50 0 4 5 6 7 8 9 真空泵吸入压力(kPa) 空气质量流量
-0.1
10% -10% 40℃
0.36 0.21 0.65
0.864 0.504 1.560
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二、双背压凝汽器抽空气系统的影响
（1）追求双背压的前提 冷却水温度大于20℃时，双背压的压差应大于1.0kPa； 冷却水温度低于20℃甚至更低时，双背压的压差变小，如负荷较低时， 甚至基本相等。 （2）存在的问题（配套布置方式导致） 高、低压凝汽器压力差值不明显，甚至低压凝汽器压力与高压凝汽器压 力相等； 低压凝汽器压力和高压凝汽器压力不能同时达到设计值。
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2.冷端系统性能影响因素
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tt tw w 1
冷端性能影响因素分类
影响类型 一级影响因素 冷却水进口温度 二级影响因素 冷却塔性能 自然环境 循环水泵出力不足 循泵性能与阻力不匹 配 凝汽器堵塞 汽轮机热耗高 凝汽器附加热负荷大 胶球清洗系统不正常 水质差、杂质多 设计面积偏小 机组真空严密性差 三级影响因素 四级影响因素
6种影响因素按照对凝汽器性能影响程度由大到小排序为：
冷却水进口温度 冷却水流量 凝汽器热负荷 冷管脏污 汽侧空气浓度 凝汽器冷却面积。
凝汽器热负荷、冷管脏污、汽侧空气含量才是影响凝汽器运行性能的
关键因素。
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tt tw w 1
真空泵性能影响因素
qcor qt ng p1 pdg t Lt 273 t1g 273 nt p1 pdt t Lg 273 t1t 273
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二、双背压凝汽器抽空气系统的影响
（3）双背压凝汽器抽空气系统的常见布置方式
A
串联布置方式
B
M
M
C
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并联布置方式
D
21
（4）抽空气系统阻力不匹配对凝汽器的影响
项目名称 凝汽器型号 抽空气系统布置方式 真空泵设计抽气量/kg· h-1 低压凝汽器设计压力/kPa 高压凝汽器设计压力/kPa 凝汽器设计冷却面积/m2 凝汽器设计冷却水流量/m3· h-1 凝汽器设计冷却水温度/℃ 低压凝汽器真空严密性/Pa· min-1 A机组 N-40000-1 串联布置方式B 65 4.02 5.30 40000 58300 20 273 B机组 N-33500 串联布置方式A 54 4.34 5.5 33500 76550 20 231 C机组 N-49000 并联布置方式D 61 4.4 5.4 49000 111816 23.5 79
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tt tw w 1
（4）冷却管脏污对凝汽器的影响
某300MW 机组间隔6个月前、后凝汽器性能对比 (设计冷却水温度和流量下)
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 40 50 60 70 80
秋季试验
春季试验
某300MW 机组凝汽器性能受冷却管清洁度的影响 (设计冷却水温度和流量下，两次试验间隔6个月)
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 120 实际运行 夏季结果
90
100
110
5.0 凝汽器热负荷百分比(%) 4.5 4.0 3.5 3.0 100 150 200 250 300 350 机组负荷(MW) 夏季结果 春季结果 除去空气影响 春季结果
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tt tw w 1
300MW 机组凝汽器压力和机组负荷关系
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 除去空气影响 实际运行
300MW 机组凝汽器端差和机组负荷关系
3.0 100 150 200 250 300 350 机组负荷(MW)
凝汽器端差(℃)
8 7 6 5 4 3 2 1 100 150 200 250 300 机组负荷(MW) 350 除去空气影响 实际运行
一、当汽轮机和小汽轮机的内效率下降或初参数降低的情况下，机
组又要保持相同的负荷，此时排入凝汽器的冷源损失增加，造成凝汽器 热负荷增大； 二、其他附加流体不正常地排入凝汽器，造成凝汽器热负荷增大。
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tt tw w 1
（6）凝汽器面积对性能的影响
某300MW机组凝汽器面积从16000m2增加到19000m2，对应300MW负荷时凝汽器 压力下降了0.4kPa。 增加凝汽器换热面积，就要对凝汽器实施改造，增加冷却管数量和更改相应的 管板连接支撑等，有的甚至需要改变凝汽器外壳，投资和工程量较大，而得到 的收益相对较小，在立项之前要充分考虑投入产出比。
工作水进口温度 进口气体压力 进口气体温度 工作水流量 真空泵实际转速
2018/8/28
(2)
16
tt tw w 1
工作水温度对空气浓度的影响
空冷区空气分压力百分比与工作水温度关系 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 15 20
空气分压力(%)
127kg/h
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三、冷端系统诊断实例
（2）诊断内容 凝汽器、真空泵及抽空气系统性能诊断； 循环水泵及循环水系统性能诊断； 冷端系统性能分析、主要影响因素定性和定量分析； 提出提高机组运行真空、降低厂用电率的建议和措施。
节能诊断基于试验。
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凝汽器主要性能结果
试验工况 循环水泵运行方式 真空泵运行方式 凝汽器冷却水流量 低压凝汽器传热端差 低压凝汽器运行清洁系数 高压凝汽器传热端差 高压凝汽器运行清洁系数 MW / / m3/h ℃ / ℃ / 600MW AB B 48610 16.196 0.284 9.549 0.460 500MW AB BC 48610 12.542 0.301 7.510 0.488 400MW AB B 48610 18.199 0.195 13.417 0.268
6.579
6.023 4.871
5.208
5.235 4.134
5.207
4.393 4.242
22
三、冷端系统诊断实例
（1）冷端系统概况 N600-16.7/538/538型凝汽式汽轮机 配套N-41500－1型双背压表面式凝汽器 系统采用循环冷却（冷却塔）方式。 循环水系统配套2台72LKXA-23型循环水泵、一座自然通风冷却塔。 凝汽器抽空气系统配套三台2BW5353-OEK4型水环式真空泵，采用串联布 置方式。
（2）冷却水流量的影响
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tt tw w 1
漏入空气流量对冷端性能影响的重要关系
300MW负荷下真空下降率与漏入空气流量的关系
漏入空气流量(kg/h)
250 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 真空下降率(Pa/min)
目前现役大型发电机组凝汽器冷却面积完全可以满足该型机组冷端系统性能的
需求。虽然凝汽器冷却面积较大时，凝汽器压力对热负荷及清洁度的变化的敏 感性有所降低，但是，造成现役机组真空降低，乃至机组出力减小的主要原因 不是凝汽器冷却面积偏小。
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tt tw w 1
冷端性能影响因素排序
端差(℃)
10 8 6 4
冷却水进口温度和凝汽器压力关系曲线
2
凝汽器压力(kPa)
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 冷却水进口温度(℃)
14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 冷却水进口温度(℃)
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tt tw w 1
2018/8/28 3
一、冷端系统性能诊断
2018/8/28 4
一、冷端系统性能诊断
2.冷端系统性能影响因素
冷却水进口温度（取决于自然条件和冷却塔冷却效率） 冷却水流量 凝汽器热负荷 凝汽器冷却管脏污
凝汽器冷却面积
漏入凝汽器的空气的聚积程度（取决于真空泵的抽吸能力） 真空泵工作水进口温度（冷却水的温度、流量，工作水冷却器性能） 真空泵工作水流量 双背压凝汽器抽真空系统的布置方式
（5）凝汽器热负荷对凝汽器的影响
凝汽器热负荷增加对凝汽器压力的影响量
凝汽器压力增加量(kPa)
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 凝汽器压力(kPa) 热负荷增加7.5% 热负荷增加15%
凝汽器热负荷增加主要有两种情况：
凝汽器压力(kPa)
300MW负荷下凝汽器压力与漏入空气量的关系 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 漏入空气流量(kg/h)
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（3）汽侧空气对凝汽器性能的影响
tw1
冷却水流量
Δtw
凝汽器热负荷 凝汽器脏污 凝汽器面积
漏入空气 工作水温度高 工作水冷却系 统性能差
δt
空气聚积 真空泵抽吸能力差
工作水的冷却 水温度高
工作水流量低
双背压凝汽器抽空气 系统阻力不匹配
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tt tw w 1
（1）冷却水进口温度的影响
冷却水进口温度与端差的关系
凝汽器冷却水 进口温度
1℃
冷却水进口温度越高，凝汽器压力的单位温度变 化值越大 冷却水流量越小，每降低10%水量对凝汽压力的
凝汽器冷却水流量
-10%
0.41
0.984
影响量越大，随着冷却水温度升高，相同水量变
化引起的压力变化越大。
真空严密性 (漏入空气流量) 凝汽器冷却管 清洁系数 凝汽器热负荷 凝汽器冷却面积 真空泵工作水进口温 度(真空严密性良好) 漏入空气流量较小时，凝汽器压力变化小；当漏 100 Pa/min 0.1～0.21 0.24～0.504 入空气流量超过临界值后，凝汽器压力变化大， 且与真空严密性呈线性变化关系 0.23 0.552 冷却水温度越低，相同清洁系数下降值使得凝汽 器压力升高值越小 冷却水进口温度越高，热负荷增加使得凝汽器压 力变化值越大 随着冷却面积增大，凝汽器压力降低值越小 工作水温度超过40℃，凝汽器压力明显升高；严 密性越差，凝汽器压力升高值越大
居文平
西安热工研究院有限公司 2012年10月
2018/8/28
主要内容
一、冷端系统节能诊断 二、双背压凝汽器抽空气系统的影响 三、冷端系统性能诊断实例 四、冷端系统运行优化 五、冷端在线监测、诊断系统
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一、冷端系统性能诊断
1.节能诊断内容
（1）凝汽器及真空系统性能诊断。包含真空严密性、凝汽器传热性能、 凝汽器清洁度、凝汽器汽阻(水阻)、过冷度、真空泵运行状态、抽真空系 统布置方式是否合理等诊断。 （2）循环水系统性能诊断。包含循环水泵性能、循环水系统阻力特性等 诊断。
耗功(kW)
真空泵抽吸流量(kg/h)
混合物质量流量
B真空泵吸入压力与耗功的关系曲线 112 110 108 106 104 102 100 98 96 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 吸入口压力(kPa)
ห้องสมุดไป่ตู้
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冷端影响因素的影响量
影响凝汽 主要影响因素 变化情况 器压力 kPa 0.34 影响 供电煤耗 g/kW.h 0.82 影响趋势
高压凝汽器真空严密性/Pa· min-1
机组负荷/MW 高压凝汽器传热端差[1]/℃ 低压凝汽器传热端差[1]/℃
268
594.5 6.100 10.364
226
652.5 4.924 9.366
52
1001.7 5.259 6.333
高压凝汽器压力[1]/kPa
低压凝汽器压力[1]/kPa 低压凝汽器压力应达值[2]/kPa 2018/8/28
在设计冷却水进口温度20℃、现有冷却水流量条件下 凝汽器平均压力 kPa 7.92 6.31 7.90
在设计冷却水进口温度20℃、流量58300m3/h条件下 凝汽器平均压力 kPa 7.16 5.80 7.15
52kg/h
86kg/h 26kg/h
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35
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真空泵工作水温度(℃)
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漏入空气量对真空泵性能的影响
空气流量对真空泵抽吸能力的影响 400 350 300 250 200 150 100 50 0 4 5 6 7 8 9 真空泵吸入压力(kPa) 空气质量流量
-0.1
10% -10% 40℃
0.36 0.21 0.65
0.864 0.504 1.560
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二、双背压凝汽器抽空气系统的影响
（1）追求双背压的前提 冷却水温度大于20℃时，双背压的压差应大于1.0kPa； 冷却水温度低于20℃甚至更低时，双背压的压差变小，如负荷较低时， 甚至基本相等。 （2）存在的问题（配套布置方式导致） 高、低压凝汽器压力差值不明显，甚至低压凝汽器压力与高压凝汽器压 力相等； 低压凝汽器压力和高压凝汽器压力不能同时达到设计值。
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2.冷端系统性能影响因素
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冷端性能影响因素分类
影响类型 一级影响因素 冷却水进口温度 二级影响因素 冷却塔性能 自然环境 循环水泵出力不足 循泵性能与阻力不匹 配 凝汽器堵塞 汽轮机热耗高 凝汽器附加热负荷大 胶球清洗系统不正常 水质差、杂质多 设计面积偏小 机组真空严密性差 三级影响因素 四级影响因素
6种影响因素按照对凝汽器性能影响程度由大到小排序为：
冷却水进口温度 冷却水流量 凝汽器热负荷 冷管脏污 汽侧空气浓度 凝汽器冷却面积。
凝汽器热负荷、冷管脏污、汽侧空气含量才是影响凝汽器运行性能的
关键因素。
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真空泵性能影响因素
qcor qt ng p1 pdg t Lt 273 t1g 273 nt p1 pdt t Lg 273 t1t 273
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二、双背压凝汽器抽空气系统的影响
（3）双背压凝汽器抽空气系统的常见布置方式
A
串联布置方式
B
M
M
C
2018/8/28
并联布置方式
D
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（4）抽空气系统阻力不匹配对凝汽器的影响
项目名称 凝汽器型号 抽空气系统布置方式 真空泵设计抽气量/kg· h-1 低压凝汽器设计压力/kPa 高压凝汽器设计压力/kPa 凝汽器设计冷却面积/m2 凝汽器设计冷却水流量/m3· h-1 凝汽器设计冷却水温度/℃ 低压凝汽器真空严密性/Pa· min-1 A机组 N-40000-1 串联布置方式B 65 4.02 5.30 40000 58300 20 273 B机组 N-33500 串联布置方式A 54 4.34 5.5 33500 76550 20 231 C机组 N-49000 并联布置方式D 61 4.4 5.4 49000 111816 23.5 79
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（4）冷却管脏污对凝汽器的影响
某300MW 机组间隔6个月前、后凝汽器性能对比 (设计冷却水温度和流量下)
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 40 50 60 70 80
秋季试验
春季试验
某300MW 机组凝汽器性能受冷却管清洁度的影响 (设计冷却水温度和流量下，两次试验间隔6个月)
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 120 实际运行 夏季结果
90
100
110
5.0 凝汽器热负荷百分比(%) 4.5 4.0 3.5 3.0 100 150 200 250 300 350 机组负荷(MW) 夏季结果 春季结果 除去空气影响 春季结果
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300MW 机组凝汽器压力和机组负荷关系
凝汽器压力(kPa)
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 除去空气影响 实际运行
300MW 机组凝汽器端差和机组负荷关系
3.0 100 150 200 250 300 350 机组负荷(MW)
凝汽器端差(℃)
8 7 6 5 4 3 2 1 100 150 200 250 300 机组负荷(MW) 350 除去空气影响 实际运行
一、当汽轮机和小汽轮机的内效率下降或初参数降低的情况下，机
组又要保持相同的负荷，此时排入凝汽器的冷源损失增加，造成凝汽器 热负荷增大； 二、其他附加流体不正常地排入凝汽器，造成凝汽器热负荷增大。
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（6）凝汽器面积对性能的影响
某300MW机组凝汽器面积从16000m2增加到19000m2，对应300MW负荷时凝汽器 压力下降了0.4kPa。 增加凝汽器换热面积，就要对凝汽器实施改造，增加冷却管数量和更改相应的 管板连接支撑等，有的甚至需要改变凝汽器外壳，投资和工程量较大，而得到 的收益相对较小，在立项之前要充分考虑投入产出比。
工作水进口温度 进口气体压力 进口气体温度 工作水流量 真空泵实际转速
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工作水温度对空气浓度的影响
空冷区空气分压力百分比与工作水温度关系 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 15 20
空气分压力(%)
127kg/h
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三、冷端系统诊断实例
（2）诊断内容 凝汽器、真空泵及抽空气系统性能诊断； 循环水泵及循环水系统性能诊断； 冷端系统性能分析、主要影响因素定性和定量分析； 提出提高机组运行真空、降低厂用电率的建议和措施。
节能诊断基于试验。
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凝汽器主要性能结果
试验工况 循环水泵运行方式 真空泵运行方式 凝汽器冷却水流量 低压凝汽器传热端差 低压凝汽器运行清洁系数 高压凝汽器传热端差 高压凝汽器运行清洁系数 MW / / m3/h ℃ / ℃ / 600MW AB B 48610 16.196 0.284 9.549 0.460 500MW AB BC 48610 12.542 0.301 7.510 0.488 400MW AB B 48610 18.199 0.195 13.417 0.268
6.579
6.023 4.871
5.208
5.235 4.134
5.207
4.393 4.242
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三、冷端系统诊断实例
（1）冷端系统概况 N600-16.7/538/538型凝汽式汽轮机 配套N-41500－1型双背压表面式凝汽器 系统采用循环冷却（冷却塔）方式。 循环水系统配套2台72LKXA-23型循环水泵、一座自然通风冷却塔。 凝汽器抽空气系统配套三台2BW5353-OEK4型水环式真空泵，采用串联布 置方式。
（2）冷却水流量的影响
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漏入空气流量对冷端性能影响的重要关系
300MW负荷下真空下降率与漏入空气流量的关系
漏入空气流量(kg/h)
250 200 150 100 50 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 真空下降率(Pa/min)
目前现役大型发电机组凝汽器冷却面积完全可以满足该型机组冷端系统性能的
需求。虽然凝汽器冷却面积较大时，凝汽器压力对热负荷及清洁度的变化的敏 感性有所降低，但是，造成现役机组真空降低，乃至机组出力减小的主要原因 不是凝汽器冷却面积偏小。
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冷端性能影响因素排序
端差(℃)
10 8 6 4
冷却水进口温度和凝汽器压力关系曲线
2
凝汽器压力(kPa)
0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 冷却水进口温度(℃)
14 12 10 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 冷却水进口温度(℃)
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一、冷端系统性能诊断
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一、冷端系统性能诊断
2.冷端系统性能影响因素
冷却水进口温度（取决于自然条件和冷却塔冷却效率） 冷却水流量 凝汽器热负荷 凝汽器冷却管脏污
凝汽器冷却面积
漏入凝汽器的空气的聚积程度（取决于真空泵的抽吸能力） 真空泵工作水进口温度（冷却水的温度、流量，工作水冷却器性能） 真空泵工作水流量 双背压凝汽器抽真空系统的布置方式
（5）凝汽器热负荷对凝汽器的影响
凝汽器热负荷增加对凝汽器压力的影响量
凝汽器压力增加量(kPa)
1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 凝汽器压力(kPa) 热负荷增加7.5% 热负荷增加15%
凝汽器热负荷增加主要有两种情况：
凝汽器压力(kPa)
300MW负荷下凝汽器压力与漏入空气量的关系 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 漏入空气流量(kg/h)
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tt tw w 1
（3）汽侧空气对凝汽器性能的影响
tw1
冷却水流量
Δtw
凝汽器热负荷 凝汽器脏污 凝汽器面积
漏入空气 工作水温度高 工作水冷却系 统性能差
δt
空气聚积 真空泵抽吸能力差
工作水的冷却 水温度高
工作水流量低
双背压凝汽器抽空气 系统阻力不匹配
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tt tw w 1
（1）冷却水进口温度的影响
冷却水进口温度与端差的关系
凝汽器冷却水 进口温度
1℃
冷却水进口温度越高，凝汽器压力的单位温度变 化值越大 冷却水流量越小，每降低10%水量对凝汽压力的
凝汽器冷却水流量
-10%
0.41
0.984
影响量越大，随着冷却水温度升高，相同水量变
化引起的压力变化越大。
真空严密性 (漏入空气流量) 凝汽器冷却管 清洁系数 凝汽器热负荷 凝汽器冷却面积 真空泵工作水进口温 度(真空严密性良好) 漏入空气流量较小时，凝汽器压力变化小；当漏 100 Pa/min 0.1～0.21 0.24～0.504 入空气流量超过临界值后，凝汽器压力变化大， 且与真空严密性呈线性变化关系 0.23 0.552 冷却水温度越低，相同清洁系数下降值使得凝汽 器压力升高值越小 冷却水进口温度越高，热负荷增加使得凝汽器压 力变化值越大 随着冷却面积增大，凝汽器压力降低值越小 工作水温度超过40℃，凝汽器压力明显升高；严 密性越差，凝汽器压力升高值越大