熱力渦輪機(jī)第七章楊

第七章汽輪機(jī)凝汽設(shè)備及系統(tǒng)主講楊祥花能源與動(dòng)力工程系2015年5月1、了解蒸汽在凝汽器內(nèi)的凝結(jié)過程;2、理解真空的形成機(jī)理；3、掌握凝汽系統(tǒng)的任務(wù)與構(gòu)成；4、影響凝汽器真空的因素及影響方式；5、凝汽器端差、凝汽器過冷度、冷卻倍率、凝汽器汽阻、水阻的概念。

教學(xué)目標(biāo)及基本要求第一節(jié)汽輪機(jī)凝汽設(shè)備及系統(tǒng)凝汽設(shè)備是凝汽式汽輪機(jī)（包括調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)）裝置中的一個(gè)重要組成部分。凝汽設(shè)備在汽輪機(jī)裝置的熱力循環(huán)中起著冷源的作用，降低汽輪機(jī)的排汽壓力可以提高循環(huán)熱效率（熱力循環(huán)的冷源）。降低排汽壓力最有效的辦法就是將排汽送入凝汽器內(nèi)，并用水（也可以采用空氣）作為冷卻工質(zhì)，將排汽凝結(jié)成水。目前，電站凝汽式汽輪機(jī)的排汽壓力一般在0.003～0.007ＭＰa范圍選取，其中多數(shù)為0.005ＭＰa左右。（凝汽器真空）汽輪機(jī)排汽壓力變化對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的影響以東方汽輪機(jī)廠N300-16.67/537/537機(jī)組為例如機(jī)組設(shè)計(jì)排汽壓力為5kPa，若排汽壓力升高1kPa,則機(jī)組熱耗將增加1%。如設(shè)計(jì)煤耗為330g/kW.h，排汽壓力升高1kPa,使煤耗增加3.3g/kW.h，按年平均運(yùn)行小時(shí)按6000小時(shí)計(jì)，每年多耗煤：6000×30×104×3.3/106=5940t標(biāo)煤一、凝汽設(shè)備的組成及任務(wù)凝汽設(shè)備通常由凝汽器、抽氣設(shè)備、凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵以及這些部件之間的連接管道組成。凝汽設(shè)備的任務(wù)：①在汽輪機(jī)排汽口建立并維持高度真空；②將汽輪機(jī)的排汽凝結(jié)成潔凈的凝結(jié)水作為鍋爐的給水循環(huán)使用。按冷卻介質(zhì)與凝結(jié)水是否接觸，分為表面式和混合式。按冷卻介質(zhì)分為：水冷和空冷。表面式凝汽器既用于水冷機(jī)組，也用于空冷機(jī)組。凝汽器的類型空冷：水冷：真空較低，投資大，耗水量小，冷卻系統(tǒng)本身節(jié)水97％以上，全廠性節(jié)水約65％。用于富煤缺水地區(qū)（如山西、內(nèi)蒙）可以保持較高的真空（即排汽壓力較低），一次投資較小，耗水量大。（應(yīng)用廣泛）兩種冷卻方式比較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。在混合式凝汽器內(nèi)，從汽輪機(jī)中排出的乏汽直接與冷卻水混合而得到凝結(jié)。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(jìn)汽口進(jìn)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。不凝結(jié)的空氣，用抽氣器或者真空泵不斷地抽出。這種凝汽器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，冷卻效果好，制造成本低。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(guó)內(nèi)外火電廠主要采用這種凝汽器。

水冷凝器系統(tǒng)開式循環(huán)水系統(tǒng)：借助天然水源。閉式循環(huán)水系統(tǒng)：用冷卻塔冷卻循環(huán)水。凝汽系統(tǒng)凝汽器凝結(jié)水泵循環(huán)水泵汽輪機(jī)抽氣器冷卻塔凝汽器凝結(jié)水泵循環(huán)水泵汽輪機(jī)抽氣器表面式凝汽器根據(jù)冷卻水流程分為：?jiǎn)瘟鞒屉p流程多流程凝汽器內(nèi)有：兩側(cè)——水側(cè)和汽側(cè)；兩區(qū)——主凝結(jié)區(qū)和空氣冷卻區(qū)。設(shè)置空氣冷卻區(qū)不僅可以減少抽出去的蒸汽量，而且可以冷卻空氣減小其比容，降低抽氣器的負(fù)荷，保證抽氣效果。汽流向下式、汽流向上式、汽流向心式、汽流向側(cè)式表面式凝汽器根據(jù)空氣抽出口位置分為組裝中的凝汽器外殼安裝凝汽器內(nèi)的擋汽板凝汽器隔板凝汽器的隔板在安裝中組裝中的凝汽器隔板向心式管束布置的凝汽器在組裝中1、表面式凝汽器內(nèi)壓力的確定凝汽器汽側(cè)空間多組分介質(zhì)共存蒸汽不凝結(jié)氣體：原蒸汽中夾帶（很少）+真空系統(tǒng)不嚴(yán)密漏入系統(tǒng)的空氣凝汽器空間：汽側(cè)空間+水側(cè)空間凝汽器壓力：汽側(cè)空間壓力二、凝汽器的壓力與傳熱凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度及冷卻水溫度變化曲線主凝區(qū)空冷區(qū)曲線1——飽和蒸汽的放熱過程曲線2——冷卻水的溫升過程凝汽器總傳熱面積空氣冷卻區(qū)面積影響凝汽器壓力的主要因素(1)、冷卻水的進(jìn)口溫度tw1

在其他條件不變的情況下，tw1越低，ts也越低，凝汽器真空越高。影響tw1的因素：季節(jié)：夏季，

tw1高，ts高，pc高，真空低；

冬季，tw1低，ts低，pc低，真空高。冷卻水供水方式：開式及閉式三個(gè)方面：冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水溫升和凝汽器端差。（2）冷卻水的溫升Δt

冷卻水溫升對(duì)凝汽器壓力的影響同冷卻水的進(jìn)口溫度。根據(jù)凝汽器的熱平衡方程式可以得到：式中m——凝汽器的冷卻倍率（或循環(huán)倍率）：表示凝結(jié)一千克蒸汽所需要的冷卻水量。由式可知，冷卻倍率是決定Δt

的主要因素。m值越大，Δt

越小，tw1低，ts低，pc低，真空越高，但循環(huán)水泵耗功越大，末級(jí)葉片因排汽比容增大而增長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)m值一般在50～120之間。機(jī)組負(fù)荷由外界需求決定，在機(jī)組負(fù)荷一定的情況下，可以通過增大循環(huán)水量（增大冷卻倍率），減小循環(huán)水溫升來提高凝汽器真空。增大循環(huán)水量，凝汽器會(huì)提高真空，增大蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的焓降，增加機(jī)組的發(fā)電功率；但同時(shí)增大循環(huán)水量，會(huì)增加循環(huán)水泵的耗功，減小機(jī)組的輸出功率。式中，K為凝汽器的傳熱系數(shù)；

Ac為凝汽器的傳熱面積；

Δtm

為凝汽器的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差?？梢詫懗瞿鞯膫鳠岱匠汤鋮s水與蒸汽之間的對(duì)數(shù)平均傳熱溫差為帶入上式，有（3）凝汽器的傳熱端差δt

（ts與tw2

之差）（7-6）由上式可知，在機(jī)組負(fù)荷，冷卻水量一定的情況下，影響δt的因素有兩個(gè)：1）冷卻面積Ac：Ac越小，δt

越大，真空越低。使冷卻面積減小的原因有：冷卻水管堵塞、水位過高。2）傳熱系數(shù)K：傳熱系數(shù)越小，端差越大，真空越低。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，影響傳熱系數(shù)的因素？凝汽器的傳熱過程：蒸汽在管外凝結(jié)放熱，熱量傳給冷卻管外壁面→管壁導(dǎo)熱，熱量從管外壁傳導(dǎo)到管內(nèi)壁→管內(nèi)壁傳給冷卻水。傳熱系數(shù)為傳熱過程的熱阻取決于三個(gè)環(huán)節(jié)：管外凝結(jié)放熱管壁導(dǎo)熱管內(nèi)壁對(duì)流K影響因素冷卻水進(jìn)口溫度、冷卻水流速、管徑、流程數(shù)、管子材料、冷卻表面潔凈程度、空氣含量、蒸汽速度、管子排列方式經(jīng)驗(yàn)

δt常取3～10℃,多流程取小者，單流程取大者。三凝汽器的變工況凝汽器在非設(shè)計(jì)參數(shù)下運(yùn)行的工況稱為凝汽器的變工況。產(chǎn)生變工況的原因：凝汽量隨汽輪機(jī)的負(fù)荷變化；冷卻水的溫度隨氣候變化；凝汽器冷卻水管表面清潔程度改變；真空嚴(yán)密性變化等。凝汽器變工況運(yùn)行中，影響凝汽器真空的主要因素：凝汽量Dc、冷卻水量Dw和冷卻水的入口溫度tw1

。以上因素的改變可以導(dǎo)致Δt

和δt的變化，使凝汽器的壓力改變。循環(huán)水溫升Δt

的變化規(guī)律當(dāng)Dw不變時(shí)，冷卻水的溫升表達(dá)式變?yōu)椋杭础鱰正比于Dc。當(dāng)Dw改變后，算出新的α，重新確定△t和Dc的比例關(guān)系。變工況下δt的變化規(guī)律當(dāng)凝汽器負(fù)荷由額定值下降較小時(shí)，空氣漏入量不變，δt

確實(shí)與Dc成正比。當(dāng)蒸汽負(fù)荷下降較多時(shí)，真空會(huì)有所提高，使得漏入的空氣量增大，K減小，δt增大；同時(shí)Dc使δt減小。兩方面共同作用的結(jié)果，使δt下降比較緩慢。tw1越低，凝汽器的真空較高，漏入的空氣量較大，K減小，在相同的熱負(fù)荷下δt較大。凝汽器的特性曲線凝汽器壓力隨冷卻水入口溫度tw1、冷卻水量Dw和凝汽量Dc的變化規(guī)律稱為凝汽器的熱力特性。描述凝汽器壓力隨冷卻水入口溫度tw1、冷卻水量Dw和凝汽量Dc的變化規(guī)律曲線稱為凝汽器的熱力特性曲線。作用：指導(dǎo)運(yùn)行人員監(jiān)視凝汽器的運(yùn)行，確定汽輪機(jī)的最安全最合理的運(yùn)行方式。凝汽器的特性曲線

Pc隨tw1、Dw和Dc的變化規(guī)律稱為凝汽器熱力特性四、凝汽器的運(yùn)行1、凝汽器的汽阻和水阻汽阻：在空氣抽出口處的壓力最低，而凝汽器蒸汽入口處的壓力最高，這兩個(gè)壓力之差就是蒸汽空氣混合物的流動(dòng)阻力，稱為凝汽器的汽阻。水阻：冷卻水在凝汽器內(nèi)的循環(huán)通道中所受到的阻力稱為水阻。2、凝結(jié)水過冷過冷度：當(dāng)凝結(jié)水的溫度低于凝汽器壓力下的飽和溫度時(shí)，即為凝結(jié)水過冷，所低度數(shù)稱為過冷度。運(yùn)行中引起凝結(jié)水過冷的非正常原因：①汽側(cè)空氣量增多漏氣量增大抽氣器故障②熱井水位過高，淹沒1~2排銅管凝汽器內(nèi)空氣的來源：一是新蒸汽帶入汽輪機(jī)的，該量極少。二是通過處于真空狀態(tài)下的汽輪機(jī)設(shè)備不嚴(yán)密處（如：回?zé)嵯到y(tǒng)、排汽缸、凝汽器等）漏入的，這是空氣的主要來源。3、空氣的影響空氣漏入的危害：使凝汽器真空下降，使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降；使凝結(jié)水過冷度增加，使機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性下降；使凝結(jié)水的含氧量增加，影響傳熱系數(shù)，安全性下降?？諝饴┤肽?，使排汽壓力升高，排汽溫度升高，可能造成低壓缸變形；對(duì)有些低壓軸承與低壓缸一體的機(jī)組而言，造成機(jī)組振動(dòng)；使機(jī)組的安全運(yùn)行受到影響。4、凝結(jié)水水質(zhì):冷卻水管泄露5、真空除氧設(shè)置原因：1）降低對(duì)凝結(jié)水管道和閥門的腐蝕，提高設(shè)備的可靠性；2）降低除氧器的負(fù)擔(dān)。水封淋水式凝結(jié)水真空除氧裝置真空除氧器在大于60%負(fù)荷時(shí)除氧效果較好，額定負(fù)荷時(shí)最好。凝汽器的最佳真空

1、極限真空

使汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉達(dá)到膨脹極限壓力的真空稱為極限真空。

2、最佳真空在提高真空過程中，當(dāng)汽輪機(jī)功率的增加和循環(huán)水泵耗功增加之差為最大時(shí)的真空，稱為最佳真空。

3、優(yōu)化運(yùn)行達(dá)到最佳真空，凝結(jié)水過冷度小，凝結(jié)水品質(zhì)合格。冷卻水增量ΔWΔPΔPpΔPelΔPei-Pp1-凝汽器；2-膠球泵；3-收球網(wǎng)；4-裝球室；5-二次濾網(wǎng)；6-蝶閥6、凝汽器的膠球清洗裝置膠球清洗五、多壓凝汽器（1）、設(shè)計(jì)多壓凝汽器的原因大功率汽輪機(jī)低壓缸多、排汽口數(shù)多。為了提高循環(huán)熱效率和汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率。1、多壓凝汽器的工作原理2、多壓凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）凝結(jié)水的過冷問題2、多壓凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2）密封問題六、抽汽設(shè)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(duì)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(jī)械式和噴射式兩種。噴射式抽氣器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、制造成本低、維護(hù)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)。啟動(dòng)抽氣器的作用是在汽輪機(jī)啟動(dòng)前給凝汽器建立真空，以縮短機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間。一、射汽抽氣器1.啟動(dòng)抽氣器的結(jié)構(gòu)和工作原理：抽氣器示意圖，它主要由工作噴嘴A、混合室B和擴(kuò)壓管C所組成。2）射水抽氣器射水抽氣器的工作原理：射水抽氣器的工作原理同射汽抽氣器相同，如圖5-12所示。它主要由工作水進(jìn)口1、噴嘴2、混合室5、擴(kuò)壓管7和逆止閥6等部件所組成。壓力水由射水泵供給，經(jīng)噴嘴形成高速射流射出，從而將凝汽器中的汽氣混合物抽出。射水抽氣器不消耗新蒸汽，運(yùn)行費(fèi)用較射汽抽氣器低。系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。但需要另外安裝射水泵?，F(xiàn)代大型汽輪機(jī)都采用射水抽氣器，中小型汽輪機(jī)多采用射汽抽氣器作為主抽汽器。3）、水環(huán)式真空泵其主要部件有葉輪和殼體。殼體內(nèi)形成一個(gè)圓柱體空間，葉輪偏心地安裝在殼體內(nèi)。在殼體上開有吸氣口和出氣口，實(shí)行軸向吸氣和排氣。葉輪帶有前彎葉片，偏心地安裝在充有適量工作水（密封水）的橢圓形泵體內(nèi)。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于離心力作用，水向周圍運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的圓環(huán)（密封水環(huán)）。由于偏心地安裝的，水環(huán)的內(nèi)表面也就與葉輪偏心，葉輪輪轂與水環(huán)間形成一個(gè)月形空間。葉輪每轉(zhuǎn)一周，每?jī)蓚€(gè)相鄰葉片與水環(huán)間所形成的空間由小到大，又由大到小地周期性變化。當(dāng)空間處于由小到大變化時(shí)，該空間產(chǎn)生真空，由進(jìn)氣口吸入氣體。當(dāng)空間處于由大到小變化時(shí)，該空間產(chǎn)生壓力，吸入的氣體被壓縮并經(jīng)排氣口排出。這樣，當(dāng)葉輪連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就不斷地重復(fù)上述過程，起到一個(gè)連續(xù)抽氣的作用。第二節(jié)發(fā)電廠空冷系統(tǒng)一、發(fā)電廠空冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介分類：直接空冷系統(tǒng)、帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)、帶混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)設(shè)備少、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資少、占地小、空氣量調(diào)節(jié)靈活。但管道真空維持困難、啟動(dòng)時(shí)真空建立時(shí)間較長(zhǎng)直接空氣冷卻系統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)是目前中國(guó)火電機(jī)組空冷技術(shù)的發(fā)展主流。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，基建投資少，占地少，空氣量調(diào)節(jié)靈活。缺點(diǎn)：粗大的排汽管道密封困難，維持排汽管內(nèi)的真空困難，啟動(dòng)時(shí)抽真空需要的時(shí)間長(zhǎng)。冬季運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)容易結(jié)冰，需要作復(fù)雜的設(shè)計(jì)處理。此外，機(jī)力通風(fēng)增加了廠用電，形成了噪聲源。直接空冷軸流風(fēng)機(jī)間接空冷系統(tǒng)項(xiàng)目簡(jiǎn)介海勒式間接空冷系統(tǒng)混合式凝汽器+垂直布置空冷塔散熱器哈蒙式間接空冷系統(tǒng)表面式凝汽器+水平布置空冷塔散熱器SCAL間接空冷系統(tǒng)表面式凝汽器+垂直布置空冷塔散熱器。由華北電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，陽城電廠采用了此方案?；旌鲜侥鞯拈g接空冷

（間接干塔冷卻系統(tǒng)（海勒式空冷））噴射式凝汽器冷卻塔循環(huán)水泵凝結(jié)水泵水輪發(fā)電機(jī)組節(jié)流閥主要特點(diǎn)（1）噴射式凝汽器裝有冷卻水噴嘴，噴出冷卻水與排汽直接接觸換熱；（2）吸收排汽放熱量的水，通過空冷塔內(nèi)冷卻元件釋放到大氣中；（3）循環(huán)水泵和水輪機(jī)組（用以回收部分能量，小型的多以節(jié)流閥取代）；（4）由凝汽器出來的水分為兩部分，僅2％～5％的凝結(jié)水經(jīng)精處理后返回鍋爐；余下形成閉式循環(huán)。海勒系統(tǒng)沒有大直徑的排汽管；空冷塔可遠(yuǎn)離廠房布置；由于冷卻元件內(nèi)的水壓高于大氣壓力，故空氣不會(huì)漏入系統(tǒng)；循環(huán)水泵要大的凈吸入壓頭，必是低轉(zhuǎn)速，效率差，且需布置在凝器下部泵坑內(nèi)；因循環(huán)水與凝結(jié)水混合，對(duì)水質(zhì)有嚴(yán)格要求。

面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（哈蒙間冷）表面式凝汽器循環(huán)水泵冷卻塔凝結(jié)水泵主要特點(diǎn)（1）用常規(guī)的面式凝汽器取代噴射式凝汽器，使系統(tǒng)簡(jiǎn)化；（2）采用通常的循環(huán)水泵，冷卻水質(zhì)要求遠(yuǎn)低于凝結(jié)水水質(zhì)；（3）面式凝汽器的端差較大，使投資加大；（4）冷卻元件用帶翅片鍍鋅鋼管制（5）可設(shè)計(jì)為多壓式凝汽器?？绽錂C(jī)組運(yùn)行國(guó)際形勢(shì)

1.美國(guó)沃依達(dá)克330MW燃煤直接空冷電廠節(jié)水最大化：全廠取水量由同容量濕冷機(jī)組耗水908.5m3／h下降到68m3／h，實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放。2.南非國(guó)馬廷巴6×665MW燃煤直接空冷電廠節(jié)水最大化：全廠年均節(jié)水率達(dá)到90％，實(shí)現(xiàn)全廠廢水零排放國(guó)外空冷發(fā)電廠我國(guó)空冷發(fā)電廠大同第二發(fā)電廠（海勒系統(tǒng)）內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)電廠（海勒系統(tǒng)）太原第二熱電廠（哈蒙系統(tǒng)）

我國(guó)哈汽、東汽已能生產(chǎn)300MW、600MW空冷機(jī)組裝設(shè)空冷系統(tǒng)的適宜條件空冷系統(tǒng)傳熱性能較差，汽輪機(jī)排汽壓力要比濕冷機(jī)組高，熱經(jīng)濟(jì)性低?？绽湎到y(tǒng)的缺點(diǎn)可歸納為：金屬消耗量多、投資大、真空低和煤耗高、盛夏時(shí)可能較大幅度地限制出力等。裝設(shè)空冷系統(tǒng)的適宜條件可概括為：建廠地區(qū)缺水，燃用當(dāng)?shù)亓淤|(zhì)低價(jià)煤，海拔高度、環(huán)境溫度、風(fēng)向、風(fēng)速和大氣逆溫層適當(dāng)?shù)?。二、空冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背壓及主要參