凝汽器真空度對汽輪機效率的影響分析

1、凝汽系統(tǒng)及凝汽器真空影響因素凝汽設(shè)備是汽輪機組的重要輔機之一，是朗肯循環(huán)中的重要一節(jié)。對整個電廠的建設(shè)和安全、經(jīng)濟運行都有著決定性的影響。從循環(huán)效率看，凝汽器真空的好壞，即汽輪機組最終參數(shù)的高低，對循環(huán)效率所產(chǎn)生的影響是和機組初參數(shù)的影響同等重要的。雖然提高凝汽器真空可以使汽輪機的理想始降增大，電功率增加，但不是真空越高越好。影響凝汽器真空的原因是多方面的，主要有：汽輪機排氣量、循環(huán)水流量、循環(huán)水入口溫度等。關(guān)鍵詞：朗肯循環(huán)；汽輪機；凝汽器；真空2凝汽器性能計算及真空度影響因素分析提高朗肯循環(huán)熱效率的途徑提高平均吸熱溫度的直接方法是提高初壓和初溫。在相同的初溫和背壓下，提高初壓可使熱效率增大，

2、但提高初壓也產(chǎn)生了一些新的問題，如設(shè)備的強度問題。在相同的初壓及背壓下， 提高新汽的溫度也可使熱效率增大， 但溫度的提高受到金屬材料耐熱性的限制。 。降低排汽溫度在相同的初壓、初溫下降低排汽溫度也能使效率提高，這是由于循環(huán)溫差加大的緣故。但其溫度下降受到環(huán)境溫度的限制。2.2 凝汽系統(tǒng)的工作原理圖6.1是汽輪機凝汽系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由凝汽器5、抽氣設(shè)備1、循環(huán)水泵4、凝結(jié)水泵6以及相連的管道、閥門等組成。圖 6.1 汽輪機凝汽系統(tǒng)示意圖1-抽氣設(shè)備；2-汽輪機；3-發(fā)電機；4-循環(huán)水泵；5-凝汽器；6-凝結(jié)水泵凝汽設(shè)備的作用主要有以下四點9：(1)凝結(jié)作用凝汽器通過冷卻水與乏汽的熱交換，帶走乏汽

3、的汽化潛熱而使其凝結(jié)成水，凝結(jié)水經(jīng)回?zé)峒訜岫鳛殄仩t給水重復(fù)使用。(2)建立并維持一定的真空這是降低機組終參數(shù)、提高電廠循環(huán)效率所必需的。(3)除氧作用現(xiàn)代凝汽器，特別是不單設(shè)除氧器的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)的裝置中的凝汽器和沸水堆核電機組的凝汽器， 都要求有除氧的作用， 以適應(yīng)機組的防腐要求。(4)蓄水作用凝汽器的蓄水作用既是匯集和貯存凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)中的各種疏水、排汽和化學(xué)補給水的需要，也是緩沖運行中機組流量急劇變化、增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性的需求，同時還是確保凝結(jié)水泵必要的吸水壓頭的需要。為了達到上述作用，僅有凝汽器是不夠的。要保證凝汽器的正常工作，必須隨時維持三個平衡：O熱量平衡，汽輪機排汽放出的熱

4、量等于循環(huán)水帶走的熱量，故在凝汽系統(tǒng)中設(shè)置循環(huán)水泵。,質(zhì)量平衡，汽輪機排汽流量等于抽出的凝結(jié)水流量，所以在凝汽系統(tǒng)中必須設(shè)置凝結(jié)水泵。空氣平衡，在凝汽器和汽輪機低壓部分漏入的空氣量等于抽出的空氣量，因此必須設(shè)置抽氣設(shè)備140凝汽器內(nèi)的真空是通過蒸汽凝結(jié)過程形成的。 當(dāng)汽輪機末級排汽進入凝汽器后， 受到循環(huán)水的冷卻而凝結(jié)成凝結(jié)水，放出汽化潛熱。由于蒸汽凝結(jié)成水的過程中，體積驟然下降(在0.0049MPa的壓力下，水的體積約為干蒸汽體積的1/28000倍)，這樣就在凝汽器容積內(nèi)形成了高度真空。其壓力為凝汽器內(nèi)溫度對應(yīng)的蒸汽飽和壓力，溫度越低，真空越高。為了保持所形成的真空，通過抽氣設(shè)備把漏入凝汽器

5、內(nèi)的不凝結(jié)氣體抽出，以免其在凝汽器內(nèi)逐漸積累，惡化凝汽器真空15。2.2 凝汽器性能指標(biāo)在電廠中，需要監(jiān)測凝汽器的性能指標(biāo)包括真空度、端差、循環(huán)水溫升、凝結(jié)水過冷度及水側(cè)冷凝管壁運行清潔系數(shù)等160凝汽器中蒸汽和循環(huán)水溫度變化情況見圖6.2。A圖 6.2 凝汽器中蒸汽和循環(huán)水溫度沿冷卻面的分布凝汽器的真空度是指大地大氣壓與凝汽器內(nèi)壓力之差，即：Pa-Ps式中：I為真空度，Kpa；Pa為大氣壓力，Kpa；Ps為凝汽器壓力，Kpa。凝汽器端差是指汽輪機背壓下飽和溫度與凝汽器出口循環(huán)水溫度的差值，即:t=ts-tW2式中：6t為端差，c；ts為凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度，C；tw2為凝汽器出口處循環(huán)水

6、溫度，C。凝汽器循環(huán)水溫升是指循環(huán)水流經(jīng)凝汽器后溫度的升高值，即：t4=-tw2工式中：&為端差，C；twi為凝汽器進口處循環(huán)水溫度，C。凝汽器凝結(jié)水過冷度是指凝汽器壓力對應(yīng)的飽和溫度與凝汽器熱井水溫度的差值itc=ts-t9即：式中：純?yōu)槟Y(jié)水過冷度，c；tc為凝汽器熱井水溫度，C。凝汽器水側(cè)冷凝管壁運行清潔系數(shù)是指凝汽器實際總平均傳熱系數(shù)與理想總平均傳熱系數(shù)之比，即：KnCf二K0式中：Cf為水側(cè)冷凝管壁運行清潔系數(shù)；Kn為凝汽器實際總平均傳熱系數(shù)，按照熱平衡原理方法計算(3.2.3節(jié)介紹)，w/(m2.k);K0為凝汽器理想總平均傳熱系數(shù)，按照別爾曼公式方法計算(2.2.3節(jié)介紹

7、)，w/(m2.k)0K0=4070wtzdCsCa(6.6)2.3 凝汽器總平均傳熱系數(shù)的計算方法一：熱平衡原理式中：K 為凝汽器總平均傳熱系數(shù)，w/(m2.k);Cp為循環(huán)水定壓比熱，取為4.187kj/(kg.C);Dw為循環(huán)水流量，kg/s；A為凝汽器總傳熱面積，m2。方法二：全蘇熱工研究所根據(jù)實驗和理論分析得到的別爾曼公式13(已修正)K=4070I-l：w1t，ZCsCaCfP=1.1Vw4K)正21nq、t(6.9)-b，JP2t0(35-tw1)(6.10)(6.11)式中:B一考慮冷卻表面設(shè)計清潔狀況和冷卻管材料及壁厚的修正系數(shù);Vw循環(huán)水在冷凝管內(nèi)的流速，m/s；x=0.1

8、2一：(10.15tw1)(6.12)時x=0.6-(6.13)b=0.52-0.0072dk(6.14)dk為蒸汽負(fù)荷率,g/(m2s);Z一循環(huán)水流程數(shù)；d1一冷凝管內(nèi)徑，mm；瓦、Pt、Pz、Pd一考慮循環(huán)水流速、循環(huán)水溫度、循環(huán)水流程數(shù)和蒸汽負(fù)荷率等影響的修正系數(shù);Cs、Ca、Cf一考慮冷凝管布置、漏入空氣量和水側(cè)冷凝管壁運行清潔度等影響的修正系數(shù)12o當(dāng)?shù)?1時crDc(6.15)之1 時Dc(6.16)其中，Dc為實際排汽量;Dj 為凝汽器設(shè)計排汽量;(6.17)冷卻表面設(shè)計清潔狀況和冷卻管材料及壁厚的修正系數(shù)P按下式計算:(6.18)式中鴛一冷卻表面設(shè)計清潔系數(shù)，與冷卻方式和水質(zhì)

9、有關(guān)，直流供水和清潔水時，P3取0.800.85;循環(huán)供水和化學(xué)處理（氯化、二氧化碳）的水時，冤取0.750.80;污臟水和可能形成礦物沉淀的水，P3取0.650.75。一冷卻管材料及壁厚修正系數(shù)，對于壁厚lmm的黃銅管為1.0,B5管為0.95,B30管為0.92,不銹鋼管為0.85。冷凝管布置修正系數(shù) Cs 的確定13:對實際運行的凝汽器，當(dāng)凝汽器水側(cè)管壁足夠清潔（大修清掃后或新投運機組）以及汽輪機真空系統(tǒng)嚴(yán)密性正常時，可認(rèn)為水側(cè)冷凝管壁運行清潔及汽側(cè)空氣量修正系數(shù)為1,即Ca=Cf=1亦即二者對凝汽器總體傳熱系數(shù)無影響。取現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，按照熱平衡原理的方法計算所得凝汽器實際總平均傳熱系

10、數(shù)Kn1,按照別爾曼公式計算出凝汽器實際總平均傳熱系數(shù) K2)DcnDccr為臨界排氣量Dccr=(0.8-0.01tw1)Dcn。cKCs二一K(6.19)Cs的大小反映了管束布置的好壞，即Cs越大，說明管束布置越合理,反之亦然140此系數(shù)可用來評價凝汽器管束布置的傳熱效果。2.4 相關(guān)參數(shù)對凝汽器真空影響的理論分析凝汽器真空是汽輪機組經(jīng)濟運行的主要指標(biāo)。提高汽輪機經(jīng)濟性的方法很多,比如改造設(shè)備、改造運行方式、調(diào)整配汽機構(gòu)、減小節(jié)流損失以及提高凝汽器的真空等。相對而言提高凝汽器真空較其它方法更為易行。在運行中只要對汽輪機系統(tǒng)有針對性地開展工作，就可以使凝汽器真空有較大地提高。提高凝汽器真空可

11、以增加循環(huán)熱效率，使機組熱耗率降低，煤耗減少，因此凝汽器真空被做為重要的監(jiān)測量。影響凝汽器真空的相關(guān)參數(shù)很多，如凝汽器循環(huán)水入口溫度、汽輪機排汽量、循環(huán)水量、真空系統(tǒng)嚴(yán)密性等20。相關(guān)參數(shù)對凝汽器真空影響的理論分析是基于偏微分原理，即下述四個原始公式所式，公式中包含以上四個未知數(shù)，針對每個公式，對上述四個未知數(shù)逐一進行偏微分求解，最終求解出排汽壓力對以上四個因素的偏導(dǎo)。對某一變量偏導(dǎo)時，其他三個變量保持不變，即單因素分析。理論分析所需原始公式如下：.hDc4.187Dw(6.20)tt二K-A4187D,ew-1(6.22)7.46ts100,57.66注：在凝汽式汽輪機通常的排汽壓力變化范圍

12、內(nèi)，Ah變化很小,約為2180kj/kg(1)、循環(huán)水入口溫度對凝汽器真空度影響的理論分析n1n2(6.21)ps=981(6.23)循環(huán)水入口溫度直接影響凝汽器的真空。現(xiàn)場實驗和理論計算均表明，循環(huán)水入口溫度越低，凝汽器真空越高。而循環(huán)水入口溫度由環(huán)境氣溫和供水方式?jīng)Q定。對直流供水系統(tǒng)而言，主要與氣候有關(guān)，如冬季比夏季水溫低，真空較高；對于循環(huán)供水系統(tǒng)而言，循環(huán)水入口溫度不僅與氣溫有關(guān)，而且與冷卻設(shè)備的性能和運行狀態(tài)有關(guān)21。計算循環(huán)水入口溫度對凝汽器真空的影響時，假定其它參數(shù)保持不變，且真空系統(tǒng)嚴(yán)密性正常，即空氣修正系數(shù)Ca=l;凝汽器水側(cè)管壁足夠清潔，及水側(cè)管壁運行清潔系數(shù)Cf=1oPt

13、對循環(huán)水入口溫經(jīng)tw1的偏導(dǎo):三二”1(352.:tw11000(6.24)Fz對循環(huán)水入口溫度 tw1的偏導(dǎo):;-z_2-z五一砒循環(huán)水溫度修正系數(shù)循環(huán)水流程修正系數(shù)(6.25)循環(huán)水流速修正系數(shù)比對循環(huán)水入口溫度twi的偏導(dǎo):(6.26)二_w二：tw1=0.0-18：%1(6.27)x-0.62=0二tw1(6.28)凝汽器總平均傳熱系數(shù)K對循環(huán)水入口溫度tw1的偏導(dǎo):(6.29)K=4070：-dCsCa(t-z:wzL-tw1-tw1-tw1)wt-工)凝汽器傳熱端差6t對循環(huán)水入口溫度tw1的偏導(dǎo)：:、t(:tt)、tA；：K.：tw1t4187Dw：%1(6.30):xw：X0.

14、6ln凝汽器排汽壓力對應(yīng)下飽和溫度ts對循環(huán)水入口溫度twi的偏導(dǎo):凝汽器排汽壓力Ps對循環(huán)水入口溫度twi的偏導(dǎo):6.46億+100)笈s|K-、工57.66)ctw1表6.4中的數(shù)據(jù)是在其他條件不變時，單獨改變循環(huán)水入口溫度，利用上訴數(shù)學(xué)模型計算得到的。如圖6.4和6.5所示，凝汽器排汽壓力隨著循環(huán)水入口溫度的增加而升高，當(dāng)循環(huán)水入口溫度較高時，凝汽器排汽壓力隨著循環(huán)水入口溫度增加而升高的幅度加大。(2)、汽輪機排汽量對凝汽器真空度影響的理論分析由循環(huán)水溫開關(guān)系式知，當(dāng)循環(huán)水量不變時，循環(huán)水溫升和凝汽器蒸汽負(fù)荷成正比。由別爾曼公式和傳熱端差的關(guān)系式可以看出：當(dāng)凝汽器蒸汽負(fù)荷變化時，總體傳熱系數(shù)隨之改變，所以傳熱端差與蒸汽負(fù)荷的變化關(guān)系比較復(fù)雜。計算汽輪機排汽量對凝汽器真空的影響時，假定其它參數(shù)保持不變，且真空系統(tǒng)嚴(yán)密性正常，即空氣修正系數(shù)Ca=l;凝汽器水側(cè)管壁足夠清潔，及水側(cè)管壁運行清潔系數(shù)Cf=1。循環(huán)水溫度修正系數(shù)A對汽輪機排汽量Dc的偏導(dǎo):MtIT35-tw1一L=0.0072