凝汽器熱力計(jì)算

1、1 凝汽設(shè)備的作用和特性1.1凝汽設(shè)備的作用凝汽設(shè)備主要由凝汽器（又稱凝結(jié)器、冷凝器等）、冷卻水泵（或稱循環(huán)水泵）、凝結(jié)水泵及抽氣器等組成，其中凝汽器是最主要的組成部分。在現(xiàn)代大型電站凝汽式汽輪機(jī)組的熱力循環(huán)中，凝汽設(shè)備起著冷源的作用，其主要任務(wù)是將汽輪機(jī)排汽凝結(jié)成水，并在汽輪機(jī)排汽口建立與維持一定的真空度。凝氣設(shè)備的任務(wù)是：（1）凝汽器通過(guò)冷卻水與乏汽的熱交換，把汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)成水。（2）凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至除氧器，經(jīng)過(guò)回?zé)峒訜嶙鳛殄仩t給水繼續(xù)重復(fù)使用。（3）不斷的將排汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量帶走。（4）不斷地將聚集在凝汽器內(nèi)的空氣抽出，在汽輪機(jī)排汽口建立與維持高度的真空度。（5）凝汽設(shè)備還有一

2、定的真空除氧作用。（6）匯集和貯存凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)中的各種疏水、排汽，能夠緩沖運(yùn)行中機(jī)組流量的急劇變化、增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。圖1.1為簡(jiǎn)單的凝汽設(shè)備原則性系統(tǒng)。冷卻水泵抽來(lái)的具有一定壓力的冷卻水（地下水、地表水或海水），流過(guò)凝汽器的冷卻水管。汽輪機(jī)的排汽進(jìn)入凝汽器后，蒸汽凝結(jié)成水釋放出的熱量被由冷卻水泵不斷送來(lái)的冷卻水帶走，排汽凝結(jié)成水并流入凝汽器底部的熱水井，然后由凝結(jié)水泵送往加熱器和除氧器，送往鍋爐循環(huán)使用。抽氣器不斷地將凝汽器內(nèi)的空氣抽出以保持高度真空 圖1.1 凝汽設(shè)備的原則性系統(tǒng)1汽輪機(jī)；2發(fā)電機(jī)；3凝汽器；4抽汽器；5凝結(jié)水泵；6冷卻水泵優(yōu)良的凝氣設(shè)備應(yīng)滿足以下要求：（1）凝汽器具

3、有良好的傳熱性能。主要通過(guò)管束的合理排列、布置、選取合適的管材來(lái)達(dá)到良好的傳熱效果，使汽輪機(jī)在給定的工作條件下具有盡可能低的運(yùn)行背壓。（2）凝汽器本體和真空系統(tǒng)要有高度的嚴(yán)密性。凝汽器的汽側(cè)壓力既低于殼外的大氣壓力，也低于管內(nèi)的水側(cè)壓力。所以如果水側(cè)嚴(yán)密性不好，冷卻水就會(huì)滲漏到汽側(cè)，惡化凝結(jié)水水質(zhì)；如果汽側(cè)嚴(yán)密性不好，空氣將漏入汽側(cè)，惡化傳熱效果。（3）凝結(jié)水過(guò)冷度要小。具有過(guò)冷度的凝結(jié)水將使汽輪機(jī)消耗更多的回?zé)岢槠?，以使它加熱到預(yù)定的鍋爐給水溫度，增大了熱耗率。同時(shí)，過(guò)冷也會(huì)使凝結(jié)水的含氧量增大，從而加劇了對(duì)管道的腐蝕。因此現(xiàn)代汽輪機(jī)要求凝結(jié)水過(guò)冷度不超過(guò)2。（4）凝汽器汽阻、水阻要小。蒸汽

4、空氣混合物在凝汽器內(nèi)由排汽口流向抽氣口時(shí)，因流動(dòng)阻力使其絕對(duì)壓力降低，常把這一壓力降稱為汽阻。汽阻的存在會(huì)使凝汽器喉部壓力升高，凝結(jié)水過(guò)冷度及含氧量都增加，引起機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低和管子的腐蝕。對(duì)大型機(jī)組汽阻一般為。水阻是冷卻水在凝汽器冷卻管中的流動(dòng)阻力和進(jìn)出管子及進(jìn)出水室時(shí)的局部阻力之和。水阻的大小對(duì)冷卻水泵選擇和管道布置都有影響，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)確定。（5）抽氣設(shè)備功耗要小。與空氣一起被抽出的未凝結(jié)蒸汽量應(yīng)盡可能地小，以降低抽氣器功耗。通常要求被抽出的蒸汽空氣混合物中，蒸汽含量不超過(guò)2/3。（6）凝結(jié)水的含氧量要小。凝結(jié)水含氧量過(guò)大將會(huì)引起管道腐蝕并惡化傳熱。一般要求高壓機(jī)組凝結(jié)水含氧量

5、小于0.03mg/L。現(xiàn)代大型凝汽器，除了合理布置管束和流道以盡量減少汽阻，從而減少凝結(jié)水含氧量外，還設(shè)有專門的除氧裝置，以保證凝結(jié)水含氧量在規(guī)定值以下。（7）凝汽器的總體結(jié)構(gòu)和布置方式應(yīng)便于清洗冷卻水管、便于運(yùn)輸和安裝等。例如國(guó)產(chǎn)首臺(tái)600MW機(jī)組凝汽器裝配好后，無(wú)水時(shí)的重量達(dá)1343t，高約15m，這種龐然大物必須便于運(yùn)輸安裝。國(guó)產(chǎn)首臺(tái)600MW機(jī)組凝汽器冷卻管長(zhǎng)達(dá)14.792m，管子總根數(shù)則多達(dá)30300根，這樣多而細(xì)長(zhǎng)的管子清洗工作只有由自動(dòng)清洗系統(tǒng)承擔(dān)。1.2 凝汽器的結(jié)構(gòu)和作用凝汽器是一種固定板管殼式換熱器，凝汽器管側(cè)（或稱冷卻水側(cè)）包括冷卻管、管板、水室等，凝汽器殼側(cè)（或稱汽側(cè)）

6、屬于真空容器。凝汽器可分為混合式與表面式兩大類。在混合式凝汽器中，蒸汽與冷卻水直接混合，這種凝汽器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但其最大的缺點(diǎn)是不能回收凝結(jié)水，所以現(xiàn)代汽輪機(jī)都不采用混合式凝汽器，全部采用表面式凝汽器。在表面式凝汽器中，冷卻工質(zhì)與蒸汽冷卻表面隔開互不接觸。根據(jù)所用的冷卻工質(zhì)不同，又分為空氣式冷卻式和水冷卻式兩種。水冷卻式凝汽器是最常用的一種，由于用水做冷卻工質(zhì)時(shí)，凝汽器的傳熱系數(shù)高，又能在保持潔凈的和含氧量極小的凝結(jié)水的條件下，獲得和保持高度真空，因?yàn)楝F(xiàn)代電站汽輪機(jī)中主要采用水冷卻式凝汽器，只有在嚴(yán)重缺水地區(qū)的電站，才使用空氣冷卻式凝汽器。表面式凝汽器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.2。凝汽器外殼通常呈橢圓形

7、或矩形，兩端連接著形成水室的蓋端5和6，蓋端與外殼之間裝有管板，管板上裝有很多冷卻水管，使兩端水室相通。冷卻水從進(jìn)口進(jìn)入水室8，經(jīng)冷卻水管進(jìn)入另一端水室9，轉(zhuǎn)向從出口流出。汽輪機(jī)排汽從排汽進(jìn)口進(jìn)入凝汽器冷卻水管外側(cè)空間，通常稱為汽側(cè)，并在冷卻水管外表面凝結(jié)成水，凝結(jié)水匯集到熱水井后由凝結(jié)水泵抽出。冷卻水在凝汽器中要經(jīng)過(guò)一次往返后才排出，這種凝汽器稱為雙流程凝汽器：若不經(jīng)過(guò)往返而從另一端直接排出則稱為單流程凝汽器。在缺水地區(qū)還可以采用三流程或四流程等多流程凝汽器。圖1.2 表面式凝汽器結(jié)構(gòu)1-排汽進(jìn)口；2凝汽器外殼；3管板；4冷卻水管；5、6水室的端蓋；7水室隔板；8、9、10水室；11冷卻水進(jìn)

8、口；12冷卻水出口；13熱水井汽輪機(jī)排汽在凝汽器內(nèi)的凝結(jié)過(guò)程基本上是等壓過(guò)程，其絕對(duì)壓力取決于蒸汽凝結(jié)時(shí)的飽和溫度，此溫度決定于冷卻水溫度（大致為030）以及冷卻水與蒸汽之間的傳熱溫差（一般約為1020）。考慮到大氣壓力下蒸汽的飽和溫度為100，因此凝汽器是在遠(yuǎn)低于大氣壓力下及較高真空條件下工作的。既然凝汽器要在真空條件下工作，所以必須利用抽氣器在凝汽器開始工作時(shí)將其殼側(cè)空氣抽出以建立真空，并且將凝汽器工作過(guò)程中從真空系統(tǒng)不嚴(yán)密處漏入的空氣以及夾帶在汽輪機(jī)排汽中的空氣不斷的抽出，以維持真空。凝汽器中真空的形成主要原因是由于汽輪機(jī)的排汽被冷卻成凝結(jié)水，其比體積急劇縮小。例如在絕對(duì)壓力為4kPa時(shí)

9、蒸汽的體積比水的體積大3萬(wàn)多倍。當(dāng)排汽凝結(jié)成水后，體積就大為縮小，使凝汽器內(nèi)形成高度真空。凝汽器內(nèi)真空的形成和維持必須具備三個(gè)條件：凝汽器銅管必須通過(guò)一定的冷卻水量；凝結(jié)水泵必須不斷地把凝結(jié)水抽走，避免水位升高，影響蒸汽的凝結(jié)；抽氣器必須把漏入的空氣和排汽中的其他氣體抽走。我國(guó)設(shè)計(jì)制造的主要類型凝汽器的主要特性見(jiàn)表1.1表1.1 我國(guó)設(shè)計(jì)制造的主要類型凝汽器的主要特性項(xiàng)目單位N-6815-1N-15300-1N-16800-1N-36000-1配置對(duì)象N100-90(8.82)*N300N300N600壓力PkkPa4.95.214.94.5/5.5冷卻面積Am2681515527168001

10、8000*2冷卻水溫t120202020冷卻水流量t/h15420400003700067700汽輪機(jī)排氣量Dzpt/h257566.9575.41100.5冷卻管根數(shù)根1033621792197325610*8冷卻管材HA177-2主凝區(qū)Hsn70-1空氣區(qū)B30鈦管（海水）主凝區(qū)為加砷錫黃銅管，空氣區(qū)B30冷卻管規(guī)格mm261251250.5251冷卻水阻kPa47.739.258.8262.4干質(zhì)量t152.7327322820* 90（8.82）表示新蒸汽壓力為90at或8.82MPa，1at=0.0980665MPa。1.3 凝汽器壓力凝汽器壓力是凝汽器殼側(cè)蒸汽凝結(jié)溫度對(duì)應(yīng)的飽和壓力

11、，但是實(shí)際上凝汽器殼側(cè)各處壓力并不相等。所謂凝汽器壓力是指蒸汽進(jìn)入凝汽器靠近第一排冷卻管管束約300mm處的絕對(duì)壓力（靜壓），用pa表示，也叫凝汽器計(jì)算壓力。凝汽器進(jìn)口壓力是指凝汽器入口截面上的蒸汽絕對(duì)壓力（靜壓），用表示，或稱排汽壓力，又稱汽輪機(jī)背壓。大型凝汽器的壓力通常采用真空計(jì)測(cè)量，目前有的機(jī)組已采用絕對(duì)壓力表測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置在離管束第一排冷卻管約300mm處，如圖1.3所示。通常情況下，我們常把凝汽器壓力看成排汽壓力凝汽器計(jì)算壓力為 式中 pv真空計(jì)所示的凝汽器真空值，Pa； pam氣壓計(jì)所示水銀柱高度，Pa； pk凝汽器計(jì)算壓力，Pa。圖1.3 凝汽器壓力的測(cè)量凝汽器真空等于當(dāng)?shù)卮髿鈮?/p>

12、力減去凝汽器排汽壓力值。真空每降低1kPa，或者近似地說(shuō)真空度每下降一個(gè)百分點(diǎn)，熱耗約增加1.05%。真空度是指凝汽器的真空值與當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Ρ戎档陌俜謹(jǐn)?shù)，即： 凝汽器壓力的高低是受許多因素影響的，其中主要因素是汽輪機(jī)排入凝汽器的蒸汽量、冷卻水的進(jìn)口溫度、冷卻水量。 排汽壓力越低，機(jī)組效率越高，因此只有使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽膨脹到盡可能低的壓力，才能增大機(jī)組的理想焓降，提高其熱經(jīng)濟(jì)性。圖1.4為一次中間再熱亞臨界機(jī)組熱效率與排汽壓力的關(guān)系。該汽輪機(jī)新蒸汽壓力，新蒸汽和再熱蒸汽溫度，再熱壓力，機(jī)組容量300MW，可以看出，若沒(méi)有凝氣設(shè)備，汽輪機(jī)的最低排汽壓力是大氣壓，循環(huán)熱效率t只有37.12%，而當(dāng)

13、排汽壓力為5kPa時(shí)，兩者之間的相對(duì)值達(dá)，因此，降低排汽壓力對(duì)提高經(jīng)濟(jì)性的影響是十分顯著的。圖1.4 一次中間再熱亞臨界機(jī)組的熱效率與排汽壓力的關(guān)系 汽輪機(jī)的排汽壓力也不是越低越好，它有一個(gè)最佳值，這個(gè)最佳值受兩方面因素的影響。一方面，降低排汽壓力需要增大凝汽器的冷卻面積，增加冷卻水量，進(jìn)而增大廠用電率和運(yùn)行費(fèi)用。因此，機(jī)組排汽壓力降低時(shí)，雖然使汽輪機(jī)的理想焓降增大，機(jī)組功率相應(yīng)增大，但凝汽器設(shè)備所消耗的功率也同時(shí)增大，這就會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)排汽壓力下，汽輪機(jī)因真空的提高而增加的功率等于或小于凝汽器設(shè)備所增大的能量消耗，因此，繼續(xù)降低排汽壓力就會(huì)得不償失。另一方面，排汽壓力降低時(shí)，其體積急劇增大，汽

14、輪機(jī)排汽部分的尺寸將顯著增大，未級(jí)葉片高度也相應(yīng)增大，使機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜。若使未級(jí)尺寸不變，則勢(shì)必增大末級(jí)排汽余速損失，這樣降低排汽壓力所得到的效益也就被抵消了。因此近代汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)排汽壓力一般在0.00290.0069MPa的范圍內(nèi)，而不采用更低的數(shù)值。2 凝汽器的工程熱力計(jì)算2.1 熱平衡方程 根據(jù)傳熱學(xué)理論，假定不考慮凝汽器與外界大氣之間的換熱，則排汽凝結(jié)時(shí)放出的熱量等于冷卻水帶走的熱量，其熱平衡方程式為 (2-9) 可近似地認(rèn)為 可近似地認(rèn)為 式中 凝汽器熱負(fù)荷，kW； 凝汽器蒸汽負(fù)荷，即汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器的蒸汽量，kg/s； 進(jìn)入凝汽器的冷卻水量，kg/s； 汽輪機(jī)排汽的焓值，kJ/k

15、g； 凝結(jié)水的焓，kJ/kg； 凝結(jié)水的飽和溫度； K總傳熱系數(shù)，； 對(duì)數(shù)平均溫差，； A冷卻卻面積，m2； 冷卻水出口溫度，； 冷卻水進(jìn)口溫度，； 冷卻水比定壓熱容，可根據(jù)冷卻水平均溫度查得，在低溫范圍內(nèi)一般淡水計(jì)算取； 蒸汽凝結(jié)成水時(shí)釋放出的熱量，kJ/s；通過(guò)冷卻管的傳熱量，kJ/s；冷卻水帶走的熱量，kJ/s。從式（2-2）可以看出 (2-2) 所以當(dāng)Dzp降低或Dw增加時(shí)，減小，蒸汽溫度ts減小，即凝汽器壓力pk降低了，真空提高，反之亦然。令 則 (2-3) 式中 凝結(jié)1kg排汽所需要的冷卻水量，稱為冷卻倍率。 當(dāng)冷卻水量在運(yùn)行中保持不變時(shí)，則冷卻水溫升與凝汽器蒸汽負(fù)荷成正比關(guān)系。越

16、大，越小，凝汽器就可以達(dá)到較低的壓力。但是值增大，消耗的冷卻水量和冷卻水泵的電耗也將增大?，F(xiàn)代凝汽器的值通常在50100范圍內(nèi)。一般在冷卻水源充足、單流程、直流供水時(shí)，選取較大值；水源不充足、多流程、循環(huán)供水時(shí)，選取較小值。冷卻水的溫升一般在512之間。在運(yùn)行中，降低，或降低排汽壓力，主要依靠增加冷卻水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.2 對(duì)數(shù)平均溫差冷卻水在流過(guò)凝汽器管束時(shí)，不斷吸收由管壁傳來(lái)的蒸汽汽化潛熱而升溫，蒸汽的溫度因不凝結(jié)氣體和流動(dòng)阻力的存在，隨著凝結(jié)過(guò)程的進(jìn)行而不斷降低。這兩者造成了傳熱溫差沿冷卻面得變化。但在凝汽器的大部分區(qū)域內(nèi)，即主凝結(jié)區(qū)內(nèi)，蒸汽的飽和溫度與凝汽器入口壓力下的飽和溫度相差不大，

17、可以近似地認(rèn)為蒸汽溫度等于凝汽器入口壓力下的飽和溫度?，F(xiàn)在研究微元換熱面中的傳熱變化規(guī)律，冷卻水溫度由入口的升高到出口時(shí)的，在中蒸汽溫度為，冷卻水溫度為，兩者之間的傳熱溫差為 (2-4) 對(duì)該式微分，并考慮到蒸汽溫度不變，則有 (2-5) 通過(guò)微元換熱面的傳熱量為 (2-6) 如果忽略散熱損失，可以認(rèn)為蒸汽放出的汽化潛熱dQ完全被冷卻水吸收，假設(shè)冷卻水在中溫度升高了，于是 (2-7) 所以 (2-8) 即 (2-9)假定傳熱系數(shù)在整個(gè)傳熱換面上保持不變，對(duì)上式積分得 (2-10) 即 (2-11) (2-12) (2-13) (2-14) 式中 換熱面始端（及，流體入口處）的傳熱溫差； 在換熱

18、面終端，（時(shí)）的傳熱溫差；在換熱面 Sx時(shí)的傳熱溫差 傳熱系數(shù)。由于，而且整個(gè)換熱面上平均傳熱溫差為 (2-15) 則 (2-16) 由于,，則 (2-17) 這就是電站凝汽器設(shè)計(jì)計(jì)算中廣泛采用的平均溫差計(jì)算公式，即 (2-18) 排汽溫度可通過(guò)擬合公式比較精確地計(jì)算出來(lái)，即式中 為對(duì)應(yīng)的蒸汽飽和溫度，查汽水熱力性質(zhì)表；冷卻水進(jìn)口溫度，根據(jù)電廠所在地區(qū)的年度平均氣溫確定,一般北方地區(qū)為1015，中部與南方為2015； 冷卻水溫升，；傳熱端差，一般在310之間，對(duì)多流程凝汽器取5，單流程凝汽器取7。由于公式（2-18）中含有對(duì)數(shù)項(xiàng)，所以這個(gè)平均傳熱溫差常稱為對(duì)數(shù)平均溫差。又根據(jù)得所以 則 (2-

19、19) 因而 (2-20) (2-21) 可見(jiàn)與的關(guān)系比較復(fù)雜，當(dāng)值和冷卻水量保持不變時(shí)，與蒸汽負(fù)荷成正比關(guān)系，見(jiàn)圖2.1中虛線所示。對(duì)于正常運(yùn)行的凝汽器（冷卻管無(wú)堵塞、真空系統(tǒng)嚴(yán)密），端差可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即 (2-22) (2-23) 圖2.1 端差與及的關(guān)系式中 凝汽器單位面積的蒸汽負(fù)荷（也叫凝汽器比蒸汽負(fù)荷），即單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上冷凝的蒸汽量； 表示凝汽器清潔程度和嚴(yán)密性的系數(shù)，可用在設(shè)計(jì)條件下的、和值代入式（2-22）求得，通常。清潔度越高，嚴(yán)密性越好，則系數(shù)的數(shù)值越?。荒鞯睦鋮s面積，；冷卻水進(jìn)口溫度，；進(jìn)入凝汽器的排汽量，。又由于排汽飽和溫度 (2-24) 所以 (2

20、-25) 可見(jiàn)，對(duì)于運(yùn)行正常的凝汽器，如冷卻水量保持一定，則排汽飽和溫度與冷卻水進(jìn)口溫度和蒸汽負(fù)荷之間存在著固定關(guān)系。而對(duì)應(yīng)于每一排汽飽和溫度值均可在水蒸氣表上查得相應(yīng)的排汽壓力。所以當(dāng)冷卻水量保持不變時(shí)，對(duì)應(yīng)的每一冷卻水進(jìn)口溫度值均可得到凝汽器壓力與凝汽量之間的關(guān)系曲線，這些曲線稱為凝汽器的熱力特性曲線，凝汽器的壓力與凝汽量、冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水量之間的變化關(guān)系稱為凝汽器的熱力特性。N75型汽輪機(jī)配用的N05型凝汽器的熱力特性曲線見(jiàn)圖2.2，它是在同一冷卻水量下，對(duì)應(yīng)不同的冷卻水進(jìn)口溫度進(jìn)行計(jì)算的。圖2.2 N05型凝汽器的熱力特性曲線應(yīng)當(dāng)指出，上述關(guān)系是在假定保持不變時(shí)，傳熱系數(shù)不變的條

21、件下得出的，實(shí)際上在不變時(shí)也與和有關(guān)。實(shí)踐證明，當(dāng)變化不大時(shí)，值幾乎保持不變，但在小于設(shè)計(jì)值較多時(shí)（冷卻水量保持不變），值將開始隨之明顯降低，而且降低的速度越來(lái)越快（原因是低負(fù)荷時(shí)真空區(qū)擴(kuò)大，漏入的空氣量增加所致），最后能把由蒸汽負(fù)荷減少帶來(lái)的凝汽器壓力的降低因素抵消掉，即凝汽器壓力不再繼續(xù)隨蒸汽負(fù)荷減小而降低。這時(shí)將不再隨蒸汽負(fù)荷的減小而減小，而是維持不變（見(jiàn)圖2.2實(shí)線）。另外，從公式（2-24）可知，當(dāng)冷卻水溫升減小時(shí)，凝汽器端差增大，和成反比。但是從公式（2-20）表面上看，好像和又成正比，怎樣理解這一矛盾現(xiàn)象呢？實(shí)際上式（2-2）說(shuō)明，冷卻水流量與冷卻水溫升成反比，當(dāng)冷卻水溫升減小時(shí)

22、，說(shuō)明冷卻水流量增加，而對(duì)于一定的凝汽器，其和基本不變，所以值隨著增加而減小。由于與變化速率相等，而又大于，因此值減小幅度遠(yuǎn)大于減小幅度，導(dǎo)致凝汽器端差最終增大。當(dāng)然如果冷卻水流量不變，隨著運(yùn)行時(shí)間的累計(jì)，凝汽器管子臟污，必然引起凝汽器的總傳熱系數(shù)隨減小，致使值減小。另一方面，凝汽器的總傳熱系數(shù)減小，導(dǎo)致冷卻水溫升減小，但總的結(jié)果是凝汽器端差最終增大。也就是說(shuō)公式（2-24）和公式（2-20）是一致的，并不矛盾。2.3 總傳熱系數(shù)大型凝汽器管子成千上萬(wàn)，由于汽輪機(jī)排汽口處蒸汽的速度分布本來(lái)就不均，加上凝汽器喉部幾何特性和裝設(shè)在喉內(nèi)部的各種設(shè)備（如低壓加熱器、抽汽管道等）和零部件對(duì)排汽流速的影響

23、，使得流向凝汽器管束的各區(qū)域和各汽道甚至每一根冷卻管的蒸汽流速極不均勻。在蒸汽流向管束內(nèi)部深入流動(dòng)的過(guò)程中，一方面蒸汽不斷凝結(jié)，氣流速度程度不同地不斷減少，另一方面蒸汽夾帶不可凝結(jié)的空氣含量在真空條件下也程度不同地不斷增加，這兩種變化因素對(duì)冷卻管蒸汽側(cè)凝結(jié)放熱強(qiáng)度有顯著影響，管束各區(qū)域的冷卻管甚至每一根冷卻管的傳熱系數(shù)都是不相同的。凝汽器冷卻水從進(jìn)入接管進(jìn)入水室后，流向管板面上各冷卻管的流速顯然不可能是均勻的，這就決定了各冷卻管水側(cè)的對(duì)流放熱系數(shù)各不相同。因此要準(zhǔn)確計(jì)算凝汽器的總傳熱系數(shù)幾乎是不可能的事情，一般采用理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的計(jì)算方法。經(jīng)驗(yàn)公式形成的方法是：對(duì)于清潔管子，在一定的

24、冷卻水入口溫度、管子直徑和冷卻水流速下，測(cè)定凝汽器的基本平均傳熱系數(shù)。以此為基準(zhǔn)，根據(jù)上述條件中的某一條件改變時(shí)所得到的試驗(yàn)結(jié)果，逐一對(duì)這個(gè)基本平均傳熱系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的修正，從而得到凝汽器的總平均傳熱系數(shù)。美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)公式和別爾曼公式計(jì)算的總平均傳熱系數(shù)的偏差都在左右，因而在工程計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用。1.美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)公式 美國(guó)傳熱學(xué)會(huì)（heat exchanger institute）頒布的（HEI-1995）表面式蒸汽凝汽器規(guī)程中，規(guī)定凝汽器總傳熱系數(shù)公式 (2-26) (2-27) 式中 凝汽器總傳熱系數(shù)， ；基本傳熱系數(shù)，基本傳熱系數(shù)是用壁厚，海軍黃銅制作的新管子，在冷卻水入口溫度時(shí)，測(cè)定的

25、平均傳熱系數(shù)，基本傳熱系數(shù)可查表2.1，也可以根據(jù)公式（2-27）求得；冷卻管內(nèi)流速，；取決于冷卻管外徑的計(jì)算系數(shù)，見(jiàn)表2.2；冷卻水入口水溫修正系數(shù)，見(jiàn)表2.3； 冷卻管材料和壁厚的修正系數(shù)，見(jiàn)表2.4； 清潔系數(shù)，根據(jù)冷卻水質(zhì)條件以及對(duì)冷卻管材料的影響適當(dāng)選取，見(jiàn)表2.5.表2.1 基本傳熱系數(shù)取值 冷凝管外徑（mm）管內(nèi)水流速度(m/s)1.01.21.41.61.71.8182.74303.00483.24563.46973.57643.6801222.71702.97633.21483.43683.54253.6452262.69102.94783.18403.40393.50863

26、.6104302.66502.91943.15333.37103.47473.5755342.63902.89093.12253.33813.44083.5406382.61302.86243.09173.30523.40693.5057冷凝管外徑（mm）管內(nèi)水流速度(m/s)1.92.0 2.12.22.32.4183.7813.87923.97504.06854.16004.2494223.74513.84243.93734.03004.12054.2092263.70933.80563.89963.99144.08114.1689303.67343.76893.86203.95284.0

27、4174.1286343.63763.73213.82433.91434.00224.0883383.60183.69533.78663.87573.96284.0480表 2.2 HEI公式中的計(jì)算系數(shù)C取值冷卻管外徑（mm）161922252832353841454851計(jì)算系數(shù)C2.7472.7062.6652.6232.5822.541表 2.3 HEI公式中冷卻水入口水溫修正系數(shù)t取值0.01.02.03.04.05.06.00.6690.6850.7020.7190.7350.7520.7687.08.09.010.011.012.013.00.7850.8020.8180.834

28、0.8500.8660.88314.015.016.017.018.019.020.00.8990.9140.9300.9460.9630.9760.98921.022.023.024.025.026.027.00.9991.0081.0171.0261.0331.0401.04728.029.030.031.032.033.034.01.0521.0581.0631.0681.0741.0791.08335.036.037.038.039.040.041.01.0881.0921.0961.1011.1061.1101.11542.043.044.045.046.047.048.01.118

29、1.1221.1251.1291.1331.1361.140表 2.4 HEI公式中冷卻管材料和壁厚的修正系數(shù)t取值冷卻管材料冷卻管壁厚（mm）0.50.60.70.80.91.01.11.52.0HSn70-11.0301.0251.0201.0151.0091.0071.0010.9870.965HA177-21.0321.0201.0201.0151.0091.0040.9930.9770.955BFe30-1-11.0020.9900.9810.9700.9590.9510.9340.9050.859BFe10-1-10.9700.9650.9510.9350.9180.9080.88

30、50.8490.792碳鋼1.0000.9950.9810.9750.9690.9580.9350.9050.859TP304TP316TP3170.9120.8990.8630.8400.8180.7980.7590.7120.637TA1、TA20.9520.9290.9110.8950.8780.8610.8280.7890.724表2.5 清潔系數(shù)取值項(xiàng)目清潔系數(shù)取值直流供水和清潔水0.800.85循環(huán)供水和化學(xué)處理水0.750.80臟污冷卻水或可能形成礦物沉淀水0.650.75具有連續(xù)清洗的凝汽器0.85新銅管（運(yùn)行銅管）0.85（0.800.85）新鈦管（運(yùn)行鈦管）0.90（0.8

31、50.90）新不銹鋼管（運(yùn)行不銹鋼管）0.90（0.800.90）2.別爾曼公式前蘇聯(lián)在1982年頒布的火力和原子能電廠大功率汽輪機(jī)表面式凝汽器熱力計(jì)算指示中規(guī)定，采用別爾曼公式計(jì)算凝汽器總傳熱系數(shù)，其公式為 (2-28) 式中 冷卻管的清潔系數(shù)，對(duì)于直流供水方式且水中礦物質(zhì)含量較小時(shí)，在循環(huán)供水時(shí)，當(dāng)水質(zhì)不清潔時(shí)??； 冷卻管材料和壁厚的修正系數(shù)，對(duì)于壁厚為1mm的黃銅管為，鋁黃銅管為，B5銅鎳合金管為，B30銅鎳合金管為，不銹鋼管為； 冷卻管內(nèi)流速的修正系數(shù)； 計(jì)算指數(shù)，時(shí)，；當(dāng)冷卻水溫時(shí)，??； 冷卻管內(nèi)流速，應(yīng)根據(jù)管材、水質(zhì)、供水方式等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定，一般為； 冷卻管內(nèi)徑，；

32、凝汽器蒸汽負(fù)荷與冷卻面積之比，即凝汽器比蒸汽負(fù)荷，一般在范圍內(nèi)，; 凝汽器比蒸汽負(fù)荷修正系數(shù)，我國(guó)許多設(shè)計(jì)人員為了減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算步驟直接?。?冷卻水進(jìn)口溫度修正系數(shù)，當(dāng)時(shí)， 冷卻水流程數(shù)的修正系數(shù)，當(dāng)冷卻水流程數(shù)時(shí)， 考慮凝汽器蒸汽負(fù)荷變化的修正系數(shù)。用于考慮凝汽器變工況計(jì)算時(shí)的蒸汽負(fù)荷的修正，當(dāng)凝汽器在額定蒸汽負(fù)荷降至的變工況范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，；當(dāng)凝汽器蒸汽負(fù)荷進(jìn)一步降低，即時(shí)，則 (2-28) 例如，當(dāng)，則就是說(shuō)當(dāng)凝汽器的蒸汽負(fù)荷大于或等于額定蒸汽負(fù)荷時(shí)，但當(dāng)凝汽器的蒸汽負(fù)荷進(jìn)一步降低，比如降低至額定蒸汽負(fù)荷時(shí)，則可見(jiàn)，采用別爾曼公式計(jì)算總傳熱系數(shù)時(shí)，要預(yù)先假定和值，通過(guò)逐步逼近方法最終

33、確定總傳熱系數(shù)。而且別爾曼公式的使用有條件為冷卻水溫，冷卻管內(nèi)流速。別爾曼公式的主要特點(diǎn)還是考慮了影響傳熱系數(shù)的各種因素和各種因素之間的關(guān)系，因此計(jì)算量大。采用別爾曼公式計(jì)算的總傳熱系數(shù)總比采用HEI公式大左右，但基本接近。因此建議采用HEI公式計(jì)算總傳熱系數(shù)，既簡(jiǎn)單，又準(zhǔn)確。2.4 凝汽器的冷卻面積根據(jù)熱平衡方程式，凝汽器的冷卻面積為 (2-30) 式中 凝汽器的冷卻面積，。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算中，要在計(jì)算冷卻面積的基礎(chǔ)上考慮堵管裕量系數(shù)n，此時(shí)實(shí)際采用的冷卻面積為一般允許在10%的堵管情況下仍能維持額定負(fù)荷，因此2.5 冷卻水管根數(shù)和有效長(zhǎng)度冷卻水管總根數(shù)計(jì)算公式為 (2-31) 式中 進(jìn)入

34、凝汽器的冷卻水量，； 凝汽器的冷卻倍數(shù)，一般在50120之間，其具體數(shù)值應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定；凝汽器的負(fù)荷，；冷卻水流程數(shù)； 冷卻水密度，對(duì)于淡水冷卻水密度??；冷卻管內(nèi)冷卻水流速，冷卻管內(nèi)冷卻水流速在范圍內(nèi)，對(duì)于銅合金管一般可之間選取，對(duì)于不銹鋼管和鈦管可以選的高一些；冷卻管內(nèi)徑，。冷卻水流速的選擇應(yīng)考慮下述一些因素：冷卻水流速選的高一些，可使總平均傳熱系數(shù)增大，這樣可以提高凝汽器真空或減少凝汽器冷卻面積，但與此同時(shí)卻增大了凝汽器的水阻，增大了冷卻水泵的耗功。例如冷卻水流速?gòu)奶岣叩?，可使傳熱系?shù)提高，而水流阻力損失則增加，因此應(yīng)通過(guò)具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來(lái)綜合考慮總平均傳熱系數(shù)和水阻的變化。若冷

35、卻水中固形物含量高，流速應(yīng)選高一些，否則管內(nèi)壁易被沉積物覆蓋，使傳熱系數(shù)急劇降低。如若黃銅管表面覆蓋有的污垢，則管壁的導(dǎo)熱熱阻約為清潔銅管的倍，總熱阻增加倍，總平均傳熱系數(shù)約減少。所以對(duì)于不清潔的冷卻水，為了避免污垢的沉積，水流速不低于。凝汽器的水阻隨流程數(shù)目的增大而增加，因而通常單流程凝汽器的冷卻水速可以取得比多流程的高一些。每一種管材都有一個(gè)最大允許流速，這是從使用壽命考慮的。水速過(guò)低，不僅傳熱系數(shù)下降，而且容易形成懸浮物的沉積，加速管材腐蝕。冷卻水流程數(shù)的選擇主要取決于冷卻水情況和凝汽器結(jié)構(gòu)兩方面。對(duì)于冷卻水不充足地區(qū)的小型凝汽器，通?？蛇x擇多流程；而對(duì)冷卻水充足地區(qū)的大型凝汽器，一般選

36、擇單流程。循環(huán)倍率取大值，流程數(shù)就可以取小些，冷卻面積選得大一些，流程數(shù)也可以取小些。關(guān)于冷卻水流程數(shù)與凝汽器結(jié)構(gòu)因素之間的關(guān)系，可以通過(guò)下面公式變換推導(dǎo)出來(lái)。因?yàn)樗?(2-32) 式（2-32）表明，在其他參數(shù)變化范圍很小的情況下，冷卻水流程數(shù)隨冷卻倍率和冷卻面積增大而減小。冷卻水管有效長(zhǎng)度計(jì)算公式為 (2-33) 式中 冷卻水管有效長(zhǎng)度，m；冷卻管外徑，m。2.6 管板面積管板面積計(jì)算公式為 (2-34) 式中 冷卻管在管板面上排列的充滿系數(shù)，大型凝汽器的一般為左右，充滿系數(shù)可根據(jù)管子的排列方式選擇，見(jiàn)表2.6表2.6 充滿系數(shù)管子布置充滿系數(shù)管束帶狀排列、側(cè)向進(jìn)汽管束徑向排列、側(cè)向進(jìn)汽

37、側(cè)向和向心進(jìn)汽2.7 冷卻水阻冷卻水阻是指冷卻水從凝汽器進(jìn)水接管起至出水接管的整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的阻力，因此冷卻水阻主要包括三部分：冷卻水流在冷卻管內(nèi)產(chǎn)生的摩擦損失（冷卻管摩擦阻力），它取決于冷卻管內(nèi)的流速和冷卻管內(nèi)徑，基本上與冷卻管內(nèi)的流速的次方成正比，與內(nèi)徑的次方成正比；冷卻水自水室空間流入冷卻管及自冷卻管流入水室時(shí)產(chǎn)生局部損失（進(jìn)出水室阻力），主要取決于冷卻管內(nèi)的流速和流程數(shù)；冷卻水自進(jìn)水接管流入水室空間以及自水室空間流入出水接管時(shí)產(chǎn)生局部損失（冷卻管端部阻力），主要取決于接管內(nèi)的流速和端部結(jié)構(gòu)情況。前蘇聯(lián)和中國(guó)采用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算冷卻水阻 (2-35) 式中 冷卻水阻，通常雙流程凝汽器的水阻不大于，單流程凝汽器的水阻不大有；冷卻水管有效長(zhǎng)度，；取決于冷卻管內(nèi)徑的修正系數(shù)，可按表8取值； 取決于冷卻水平均溫度的修正系數(shù)，當(dāng)，修正系數(shù)，其他溫度時(shí)，修正系數(shù)。表 2.7 修正系數(shù)取值冷卻管內(nèi)徑0.0160.0180.0200.0240.0260.028值0.1230.100.0860.0720.0680.064冷卻水平均溫度可以取進(jìn)出口溫度的算術(shù)平均值。2.8 汽阻在凝汽器的冷卻管外空間內(nèi)（常簡(jiǎn)稱汽側(cè)或殼側(cè)），蒸汽、空氣混合物在向抽氣口流動(dòng)的過(guò)程中，由于流動(dòng)阻力的存在引起凝汽器絕對(duì)