《汽輪機原理》第04章

現(xiàn)代火電廠都用凝汽式汽輪機發(fā)電。因此，都具備凝汽設備。凝汽設備工作好壞，對火電廠的經(jīng)濟性影響很大。第一節(jié)凝汽系統(tǒng)的工作原理1，工作原理：根據(jù)汽輪發(fā)電機組的熱效率進行分析其中，------整機理想焓降；-------蒸汽初焓；(-)----為每kg蒸汽在鍋爐中的吸熱量?！牌?；——給水焓。第四章汽輪機的凝汽系統(tǒng)及設備1分析上式：要提高效率，則提高理想焓降，即提高新蒸汽的初焓，降低排汽焓（壓力）。本章只是討論降低排汽焓值的問題。要降低排汽焓值，就得降低排汽壓力。一般來說，排汽壓力每降低2kpa，循環(huán)熱效率就可以提高約3.5%。所以，降低排汽壓力對提高火電廠循環(huán)熱效率是一個非常有效的措施。而降低排汽壓力的最有效的辦法是：使排汽在密封容器中、在溫度較低的條件下受到冷卻而凝結(jié)成水，體積突然縮小（如在0.0049Mpa下，蒸汽比水的容積大28000倍）而形成真空。同時再用抽氣器或者真空泵將漏入空氣不斷地抽出，保持真空。在凝結(jié)中生成的凝結(jié)水，經(jīng)匯集以后，又重新送入鍋爐作為給水，反復循環(huán)使用。這就是凝汽設備的工作原理。22，主要任務：(1）建立并維持高度真空，即降低排汽焓值，提高理想焓降，使蒸汽中較多的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。(2）將蒸汽凝結(jié)成水，并將凝結(jié)水回收到鍋爐作為給水。3，排汽壓力的最佳值：降低排汽焓值，提高理想焓降，可以提高效率。但不是排汽壓力越低越好。這是因為：(1）當降低排汽壓力，則比容v增加，汽輪機排汽部分的尺寸增大，成本上升。而且制造困難，材料也受到限制。(2）當降低排汽壓力，則比容v增加，凝汽器的冷卻面積增大，冷卻水量增大，廠用電增大。因此，對排汽壓力和其他幾個方面要作技術(shù)經(jīng)濟對比而定。一般，最佳排汽壓力為=0.00294~0.00686Mpa(0.03~0.07ata)，通常取0.005Mpa。3第二節(jié)凝汽系統(tǒng)一、水冷凝汽系統(tǒng)分開式和閉式兩種。主要設備有凝汽器、凝結(jié)水泵、抽氣器、循環(huán)水泵等。

水冷傳熱系數(shù)大。（1）汽輪機；（2）發(fā)電機；（3）凝汽器：使排汽在凝汽器中不斷地凝結(jié)成水，建立高度真空；將凝結(jié)時放出的熱量排出、將生成的凝結(jié)水匯集送走；（4）循環(huán)水泵：為凝汽器提供冷卻水；（5）凝結(jié)水泵：不斷地把蒸汽凝結(jié)時生成的凝結(jié)水從凝汽器底部熱井中抽出，并送往給給水回熱加熱系統(tǒng)；（6）抽氣器：抽出漏入凝汽器內(nèi)的空氣，以維持高度真空。4（一），間接空氣冷卻系統(tǒng)：主要設備有：混合式凝汽器、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、空氣冷卻塔、空氣冷卻器等。其中，空氣冷卻塔是一個巨大的建筑物，呈雙曲旋轉(zhuǎn)形，空氣冷卻器布置在空氣冷卻塔下部周圍墻體上。利用高低壓力差，將冷風通過空氣冷卻器吸入塔內(nèi)，形成自然對流。由于流過空氣冷卻器的空氣的自然對流，將循環(huán)水中的熱量帶走。循環(huán)水的溫度在空氣冷卻器中得到降低之后，噴射送入混合式凝汽器與蒸汽混合，使之凝結(jié)，分流3%作為鍋爐給水。這種空氣冷卻式凝汽系統(tǒng)，設備、建筑費用高，但可以節(jié)約大量的水。我國山西大同第二發(fā)電廠有兩臺200MW汽輪發(fā)電機組用了此系統(tǒng)。二、空冷凝汽系統(tǒng)

5（二）直接空氣冷卻系統(tǒng)：

用空氣作為冷卻工質(zhì)的凝汽器用于空氣直接冷卻式凝汽系統(tǒng)。汽輪機的排汽送到熱交換器管束內(nèi)直接凝結(jié)成水。熱交換器管束外側(cè)則利用強制通風帶走蒸汽凝結(jié)時放出的汽化潛熱。由于空氣傳熱系數(shù)小、則要求冷卻面積大。因此，這種空氣直接冷卻式凝汽器體積龐大，無法和普通凝汽器一樣安裝在汽輪機的下部，而是要遠離汽輪機安裝在廠房外面或廠房頂部。因此，其汽輪機的排汽管道很長。這種空氣直接冷卻式凝汽系統(tǒng)，在世界上已有（德國）電廠采用，但我國目前還沒有電廠采用。

6第三節(jié)凝汽器凝汽器有混合式和表面式凝汽器兩大類。一、混合式凝汽器混合式凝汽器是使排汽在冷卻水中直接冷卻而凝結(jié)成水。冷卻水從安裝在混合式凝汽器上部周圍的噴嘴噴出，排汽由上部進汽口進入，與冷卻水混合而得到凝結(jié)，凝結(jié)水與冷卻水一起用水泵抽走。這種凝汽器結(jié)構(gòu)簡單，冷卻效果好，制造成本低。但凝結(jié)水與冷卻水混合，不能作為鍋爐給水。多用于間接空冷凝汽系統(tǒng)。7二、表面式凝汽器

在表面式凝汽器內(nèi)，冷卻工質(zhì)與蒸汽由冷卻表面隔開。根據(jù)冷卻工質(zhì)不同，表面式凝汽器又分為空氣冷卻和水冷卻兩種。由于水的傳熱系數(shù)比空氣大，能保證凝汽器內(nèi)維持高度真空和獲得潔凈的凝結(jié)水。因此，國內(nèi)外火電廠主要采用這種凝汽器。891，表面式凝汽器的結(jié)構(gòu)

凝汽器的外殼通常鋼板做成圓柱形、橢圓形或者方箱形。外殼兩端連接著形成水室的端蓋2和3，外殼內(nèi)的兩端又裝有管板4，管板4上裝有很多冷卻管。凝汽器內(nèi)部空間被冷卻管分隔成兩部分：蒸汽空間（汽側(cè)）和冷卻水空間（水側(cè)）。2，表面式凝汽器的流程

冷卻水從進口11進入水室15，通過冷卻管流到另一端水室16，轉(zhuǎn)向后，又經(jīng)冷卻管進入水室17，最后由出水口12排出。這種稱為雙流程凝汽器。還有單流程、三流程、四流程。3，凝結(jié)水

汽輪機的排汽進入凝汽器，在汽側(cè)與冷卻管接觸而凝結(jié)成水。凝結(jié)水匯集到熱井7中，由凝結(jié)水泵抽走并送到低壓加熱器。4，漏入空氣的抽出漏入凝汽器的空氣，通過抽氣口8由抽氣器抽出。為了減少抽氣器的負荷和回收熱量，使混有蒸汽的空氣在經(jīng)過一次冷卻，使蒸汽凝結(jié)。在凝汽器內(nèi)專門設置有空氣冷卻區(qū)9（面積占5~10%）。105，減少汽側(cè)阻力

為了使汽氣混合物向抽氣口流動，則抽氣口的壓力應比凝汽器的壓力更低一些。壓力差就是凝汽器的汽阻。汽阻大，會使凝汽器入口壓力升高、凝結(jié)水的過冷度和含氧量增大。因此，應設法減小汽阻。抽氣口的位置不同，凝汽器中汽流流動方向就不一樣，凝汽器的結(jié)構(gòu)型式也不相同。常見的有如圖所示的四種，即汽流向下式、汽流向上式、汽流向心式、汽流向側(cè)式四種。這些多用于中小型汽輪機組。

11由于汽輪機單機功率的增大，凝汽器的冷卻面積也在增加，冷卻管數(shù)目增多。大機組用多區(qū)域汽流向心式的凝汽器。這種凝汽器的管束分成若干區(qū)域，平行布置在箱體內(nèi)。每個管束區(qū)都有自己的空氣冷卻區(qū)，蒸汽從四周進入各區(qū)域。各個空氣冷卻器的汽氣混合物被引入到聯(lián)通母管，由抽氣器抽出。這種凝汽器的蒸汽通流面積大，汽阻小，凝結(jié)水能夠得到充分回熱。國產(chǎn)200MW汽輪機配用三殼體表面式N--11220--1型凝汽器。冷卻面積為3*3740=11220，冷卻管數(shù)為3*5667=17001根。國產(chǎn)300MW汽輪機的凝汽器為N--17650型單殼體、對分、雙流程表面式凝汽器。冷卻面積為17650，冷卻管數(shù)為9758*2根。123.運行對凝汽設備的要求：（1）凝汽器冷卻管應具有較好的傳熱系數(shù)，保證良好的傳熱效果。自然冷卻水泥沙、污染，要清洗；（2）凝結(jié)水溫度不應過多低于排汽壓力對應的飽和溫度，以免增加過冷度。這和供水方式、季節(jié)、地理位置有關；（3）蒸汽在凝汽器內(nèi)的阻力要小，以降低排汽口壓力和減少凝結(jié)水過冷度。13三、凝汽器內(nèi)蒸汽的凝結(jié)過程

1、凝結(jié)特點

假設只有水蒸汽存在，并且凝汽器內(nèi)各處的壓力都相等，則蒸汽應在與壓力相對應的飽和溫度下凝結(jié)。實際上并非如此，因為：1，排汽從凝汽器進口向空氣抽出口流動，由于阻力存在，則凝汽器內(nèi)各處壓力都不相同；2，整個系統(tǒng)不可能完全密封，有空氣漏入。則凝汽器內(nèi)各處空氣分壓也不相同，凝結(jié)時的飽和溫度也不相同。這樣，由于阻力和空氣的存在，蒸汽分壓降低，使凝結(jié)水溫度低于凝汽器進口處的蒸汽溫度，造成凝結(jié)水過冷。142、進入凝汽器的空氣量和空氣分壓空氣量：（1）空氣來源：新蒸汽帶入；汽輪機裝置密封不嚴；負荷降低時真空前移，擴大漏汽范圍；（2）設計漏汽量估計（經(jīng)驗公式）：要準確確定空氣漏入量是有困難的，通常用下面的經(jīng)驗公式進估計：(5----10)其中，------漏入空氣量(kg/h)；------凝汽器的設計進汽量(t/h)；----嚴密系數(shù)，一般取=5。上式也可以用于檢查凝汽設備的嚴密程度。這時，為抽汽口測得的被抽出的空氣量。為評定的嚴密等級系數(shù)：=1為優(yōu)，=2為良好，=3為中等。15蒸汽與空氣分壓：

由于空氣漏入凝汽器的汽側(cè)，故凝汽器的壓力pc應是混合氣體的總壓。

根據(jù)ts求得的對應飽和壓力pc只是蒸汽空氣混合物中蒸汽的分壓力ps。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程式，在凝汽器中，按蒸汽、空氣體積和溫度相等可得到：16

帶入總壓方程可得：

其中，x為蒸汽干度。實際上，在凝汽器中的大部分區(qū)域，蒸汽占絕大多數(shù)，空氣含量很小。在正常情況下，，這樣，

當有99%蒸汽凝結(jié)，即x=0.01，這樣，由上式可得=0.9938。即蒸汽分壓接近于總壓力。絕大部分蒸汽在壓力的飽和溫度下凝結(jié)?？諝鈱φ羝Y(jié)的影響，只是在沿流程的末尾區(qū)段（空氣冷卻區(qū)）才明顯。

173、空氣漏入對凝汽器工作的影響

（1）空氣的漏入會使傳熱效果變差，傳熱端差增大。結(jié)果會使排汽壓力升高，降低了機組的經(jīng)濟性；（2）空氣的漏入，增加了凝結(jié)水中空氣的溶解度，對汽輪機裝置和管道系統(tǒng)金屬產(chǎn)生腐蝕，影響機組的安全性；（3）空氣的漏入，會使空氣分壓增大，使凝結(jié)水的過冷度增加，影響了機組的經(jīng)濟性。18汽阻使凝汽器蒸汽入口壓力升高，經(jīng)濟性降低；使凝結(jié)水的過冷度和含氧量增大。凝結(jié)水過冷：凝結(jié)水的理想溫度應該是凝汽器工作壓力下的飽和溫度，當凝結(jié)水的溫度低于凝汽器壓力下的飽和溫度時，即為凝結(jié)水過冷，所低的度數(shù)稱為過冷度。后果：熱經(jīng)濟性下降，含氧量增加。原因：冷卻管外表水膜（外側(cè)飽和溫度，內(nèi)側(cè)管內(nèi)冷卻水溫度），水滴溫度為內(nèi)側(cè)，即冷卻水溫度；汽阻所致；空氣漏入，導致空氣分壓提高，蒸汽分壓降低，而凝結(jié)水是在對應蒸汽分壓的飽和溫度下冷凝。19四、凝汽器內(nèi)壓力的確定當蒸汽處于飽和狀態(tài)時，其壓力與溫度是一一對應的。所以，凝汽器內(nèi)壓力取決于蒸汽凝結(jié)溫度。為了求得凝汽器內(nèi)壓力，就得先求出排汽溫度。排汽溫度的高低取決于冷卻水的進口溫度、冷卻水的溫升和傳熱端差。凝汽器內(nèi)的壓力可根據(jù)相應的飽和溫度求得，而排汽溫度可表示為：=++其中，-------冷卻水的進口溫度；------冷卻水的溫升；--------傳熱端差。只要求得了溫度之值，就可以從水蒸汽表中查得相對應的壓力。

2021221.冷卻水進口溫度

冷卻水的進口溫度取決于電廠所在的地理位置、季節(jié)和供水方式。電廠供水方式有直流供水方式和循環(huán)供水方式兩種。在直流供水系統(tǒng)中，電廠從河流上游取水，冷卻水流經(jīng)汽輪機凝汽器、冷油器和有關冷卻器之后，排入河流下游。采用循環(huán)供水方式時，冷卻水則沿著聯(lián)結(jié)凝汽器等有關裝置的回路循環(huán)流動，取自水源的水只作為損失的補充水，故采用循環(huán)供水方式可以節(jié)約大量的水。

越低，越低，則越低。232、冷卻水的溫升

冷卻水的溫升可根據(jù)凝汽器的熱平衡方程式求出：

從而，

上二式中，------進入凝汽器的凝汽量（t/h)；------進入凝汽器的冷卻水量（ｔ/h)；---------排汽焓值和凝結(jié)水焓值（kJ/kg)；-----冷卻水進出口焓值(kJ/kg)。

24冷卻倍率

m=/稱為冷卻倍率（或循環(huán)倍率），它表示凝結(jié)單位蒸汽汽量所需要的冷卻水量。m值越大，則冷卻水的溫升越小，凝汽器內(nèi)壓力越低，會使整機理想焓降增加，從而可以提高電廠熱效率。但是，m大則冷卻水量大，冷卻水泵功率大。故m值大小要通過經(jīng)濟技術(shù)對比后確定。一般，對于單流程凝汽器，m=80~120范圍之內(nèi)；對于雙流程凝汽器，m=50~60范圍之內(nèi)?！?kg蒸汽在凝結(jié)時所放出的潛熱，約2140---2200kJ/kg，變化很小，若取2180kJ/kg，則：

25凝汽器的最有利真空和極限真空：（1）凝汽器的最有利真空：凝汽器的進汽量是由外界負荷決定的，而冷卻水溫升是有依靠調(diào)節(jié)冷卻水量來控制的。冷卻水量增加，可降低冷卻水溫升，降低汽輪機排汽壓力，增大理想焓降，提高經(jīng)濟性。但是水泵功率要增大。這里有一個最佳冷卻水量，即冷卻水量增大，使汽輪機功率增加所得到收益大于水泵功率增大，凈收益最大。這時候的真空稱為凝汽器的最有利真空。（2）凝汽器的極限真空：若真空進一步增高，使末級葉片的斜切部分達到膨脹極限時的真空稱為凝汽器的極限真空。這時候余速損失增加。3、凝汽器傳熱端差

傳熱端差與冷卻面積、傳熱量及傳熱系數(shù)有關系。設計時，一般取=3~10。對于單流程凝汽器，取=(7~9)，對于多流程凝汽器，取=(4.5~6.5)。

26注：主要取決于k(kJ/m2.h.k),Δt的影響與Dw有關274.凝汽器的變工況一、基本概念凝汽器的工作條件受負荷Dc、季節(jié)tw1和循環(huán)水泵運行Dw的影響，從而影響凝汽器的工作壓力pc。變工況特性曲線:pc=f(Dc、Dw、tw1)二、工況變化對冷卻水溫升和傳熱端差的影響分析：直接影響pc的原因是ts，而ts又與△t、tw1及δt有關，轉(zhuǎn)而研究Dc、Dw、tw1對△t、δt的影響。不同的Dw下，△t有不同的變化斜率，冷卻水溫升與負荷成正比：傳熱端差δt與負荷Dc成正比（假定傳熱系數(shù)K、冷卻水量Dw不變）：

傳熱系數(shù)K變化的情況：分析：同一負荷Dc下，tw1越低，冷凝越好，真空度越高，漏入的空氣量增加，傳熱惡化，K降低，δt升高，因此，tw1較低的曲線在上方。當Dc下降較大（低負荷）時，空氣漏入量增加，K也降低，δt值降低將不再隨的減小而減小，而是維持不變。2829三、凝汽器特性曲線（圖4－6）的計算與繪制根據(jù)不同的Dc、tw1和Dw值，由△t和δt隨Dc的變化規(guī)律，求得相應的△t和δt，最終求得凝汽器壓力pc繪制而成；在一定的冷卻水量Dw和冷卻水進口溫度tw1下，凝汽器中的壓力pc隨汽輪機負荷減小而降低；當負荷Dc和冷卻水量Dw不變時，凝汽器的壓力pc隨冷卻水進口溫度tw1降低而降低（冬天比夏天低）。3031三、總體傳熱系數(shù)的確定常用經(jīng)驗公式進行計算32五、多壓凝汽器

現(xiàn)代大功率汽輪機都采用多缸多排汽口。為了提高大功率汽輪機的經(jīng)濟性，常采用多壓凝汽器。多壓凝汽器就是將凝汽器的汽側(cè)分隔成與汽輪機排汽口個數(shù)相同的兩個或更多的互不相通的部分。圖5---16為雙壓凝汽器的示意圖。進水側(cè)的冷卻水溫度較低，其對應汽側(cè)壓力也較低；出水側(cè)的冷卻水溫度較高，因此，其對應汽側(cè)壓力也較高。同理，也有三壓、四壓凝汽器。采用多壓凝汽器可以提高機組的經(jīng)濟性。

3334假設：雙壓與單壓蒸汽放熱量、冷卻水量、水速、進出口水溫相同。且，

Dc1=Dc2=Dc/2,Q1=Q2=Q/2,Ac1=Ac2=Ac/2,K1=K2=K.分別寫出單壓和雙壓傳熱方程：Q=KAc△tQ1=Q/2=K1Ac1△t1=KAc△t/2Q2=Q/2=K2Ac2△t2=KAc△t/2因冷卻水吸熱量各為一半，則其溫升為：

△t1=△t2=△t/2=由圖可見，雙壓冷卻水溫比單壓低。35確定雙壓凝汽器的折合壓力(pc)r由圖可知：折合壓力應由ts1和ts2的平均值ts,m所對應的飽和壓力ps,m36分析：上式中δt、δt1和δt2與傳熱系數(shù)有關。而傳熱系數(shù)又與進水溫度有關，所以在一定的Δt下，當tw1超過一某一分界溫度時，Δts為正值，即多壓凝汽器的折合壓力ps,m低于單壓凝汽器的壓力pc，循環(huán)熱效率得以改善。根據(jù)計算，tw1越大，Δts越大。而的tw1分界溫度隨凝汽器的工作參數(shù)不同而具有不同的數(shù)值；

Δt對Δts的影響。Δt近似等于525/m，所以m越小，Δts也將越大。在其他條件相同的情況下，多壓凝汽器的汽室數(shù)目越多，折合壓力也越低。多壓凝汽器熱效率曲線。高溫tw1、缺水m、汽室數(shù)與熱效率收益Δη/η的關系。37圖5-采用多壓凝汽器的熱效率曲線1、4—六壓；2、5—三壓；3—雙壓383940第四節(jié)抽氣設備1，抽氣器的作用

抽氣器的作用是將漏入凝汽器內(nèi)空氣不斷地抽出，以維持凝汽器內(nèi)的高度真空。故抽氣器工作的好壞對凝汽器工作的影響很大。任何一種抽汽器，不論其結(jié)構(gòu)和工作原理如何，都是一種壓氣器，它將汽氣混合物從凝汽器抽氣口的壓力壓縮到高于大氣壓的出口壓力。2，抽氣器的型式

抽氣器的型式有機械式和噴射式兩種。噴射式抽氣器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造成本低、維護方便、建立真空快。常用的噴射式抽氣器有射汽抽氣器和射水抽氣器兩種，工作原理相同,工質(zhì)不同。前者用蒸汽作工質(zhì)，后者用水作工質(zhì)。

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一、射汽抽氣器（一）啟動抽氣器啟動抽氣器的作用是在汽輪機啟動前給凝汽器建立真空，以縮短機組啟動時間。如圖為啟動抽氣器示意圖。它主要由工作噴嘴A、混合室B和擴壓管C所組成。工質(zhì)是新蒸汽，新蒸汽進入工作噴嘴A，在噴嘴A膨脹加速造成一個遠高于音速的高速汽流射入混合室。高速汽流有很強的空吸作用，從而將從抽氣口來的汽氣混合汽流帶走，并進入擴壓管C。混合汽流在擴壓管C中不斷擴壓，直到壓力稍大于大氣壓力后排入大氣。啟動抽氣器功率大建立真空快，但工質(zhì)和工質(zhì)的熱量不能回收，有經(jīng)濟損失。故它只作為啟動時用。一