汽輪機原理 汽輪機的凝汽系統(tǒng)及設備

汽輪機原理汽輪機的凝汽系統(tǒng)及設備第1頁/共58頁§4-1凝汽系統(tǒng)的工作原理一、工作過程二、系統(tǒng)組成由凝汽器、抽氣設備、循環(huán)水泵、凝結水泵以及相連的管道、閥門等組成。第2頁/共58頁三、凝汽系統(tǒng)的任務1，在汽輪機末級排汽口建立并維持規(guī)定的真空；2，供應潔凈的凝結水作為鍋爐給水；3，真空除氧：利用熱力除氧原理除去凝結水中的溶解氣體（主要為氧氣），從而提高凝結水品質，防止熱力系統(tǒng)低壓回路管道、閥門等腐蝕；4，熱力系統(tǒng)蓄水，匯集和儲存凝結水、熱力系統(tǒng)中的各種疏水、排汽和化學補充水，起到熱力系統(tǒng)的穩(wěn)定調節(jié)作用。第3頁/共58頁第4頁/共58頁四、凝汽器內高度真空的形成蒸汽遇冷凝結，體積驟然減小。0.0049MPa的壓力下，水的體積約為干蒸汽的1/28000倍，這樣就在凝汽器容積內形成高度真空。其壓力為凝汽器內溫度對應的蒸汽飽和壓力，溫度越低，真空越高。真空是通過抽氣設備把漏入凝汽器內的不凝氣體抽出，以維持真空?！锬鞯淖钣欣婵蘸蜆O限真空：（1）凝汽器的最佳真空：提高真空所增加的汽輪機功率與循環(huán)水泵所多消耗的廠用電之差達到最大時的真空。（2）凝汽器的極限真空：若真空進一步增高，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。第5頁/共58頁五、真空除氧使水在真空下低溫沸騰，脫除水中含有的氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體。第6頁/共58頁真空除氧亨利定律：當水和氣體之間處于平衡狀態(tài)時，水中溶解的該氣體的量與水面上該氣體的分壓力成正比。道爾頓定律：混合氣體的總壓力等于各種成分氣體的分壓力之和。所以水面上的氣體混合物的全壓力就等于水蒸汽的分壓力和水中溶解的各種氣體的分壓力之和。第7頁/共58頁真空除氧1)除氧給水必須加熱到一定壓力下的飽和溫度，2)除氧給水應有足夠的與加熱蒸汽接觸的表面積，以保證良好的加熱效果。3)要迅速排出從給水中分離出的氣體，以降低除氧器內氣體的分壓力。第8頁/共58頁氧氣在水中的溶解量與溫度和壓力的關系水中殘余氧量與加熱溫度不足的關系第9頁/共58頁

一、水冷凝汽系統(tǒng)§4-2凝汽系統(tǒng)直流供水方式（也稱開式循環(huán)水系統(tǒng)）：以江、河、湖、海的天然水源作為冷卻水源。凝汽系統(tǒng)的取水口布置在江河的上游，排水口則選在下游。循環(huán)供水方式（也稱閉式循環(huán)水系統(tǒng)）：需要專用的冷卻塔，冷卻水吸收凝汽器中排汽的熱量后，送入冷卻塔中進行冷卻，冷卻后的冷卻水重新進入凝汽器中工作，如此往復循環(huán)。第10頁/共58頁第11頁/共58頁

二、空冷凝汽系統(tǒng)（一）直接空冷凝系統(tǒng)（二）間接空冷凝汽系統(tǒng)利用空氣來帶走汽輪機排汽熱量的凝汽系統(tǒng)。第12頁/共58頁（一）直接空冷凝系統(tǒng)第13頁/共58頁第14頁/共58頁（二）混合式間接空冷系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成凝汽器出來的凝結水與冷卻水的混合水流，一小部分（約3％）作為鍋爐的給水，其余大部分經(jīng)循環(huán)水泵打入空氣冷卻器，構成一個封閉型間接空冷凝汽系統(tǒng)。水輪機用于調節(jié)混合凝汽器噴水壓力，同時回收部分能量，比如同軸驅動水泵。第15頁/共58頁（三）帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)1.系統(tǒng)組成濕冷塔干冷塔不銹鋼管堿性除鹽水循環(huán)水開式閉式銅管第16頁/共58頁一、混合式凝汽器§4-3凝汽器汽輪機排汽與冷卻水直接混合接觸而使蒸汽凝結。冷卻水經(jīng)淋水盤分散成水滴或用噴嘴霧化成水珠與蒸汽直接接觸而使其凝結成水。凝結水與冷卻水混合在一起用水泵抽走。不凝結的空氣用抽氣設備除去。優(yōu)點是結構簡單、制造成本低廉、冷卻效果好。缺點是凝結水與不清潔的冷卻水混合后，不能作為鍋爐給水。間接空冷凝汽系統(tǒng)中，采用閉式混合式凝汽器，克服上述混合式凝汽器的缺點第17頁/共58頁二、表面式凝汽器第18頁/共58頁二、表面式凝汽器汽側：由冷卻水管外表面、管板汽側、外殼內側、熱井等組成。水側：由冷卻水管內表面、管板水側、水室、進出水口等組成。冷卻水流程：冷卻水在凝汽器中依次流過冷卻水管的次數(shù)。圖4－5中所示的凝汽器為雙流程的凝汽器。凝汽器的傳熱面分為主凝結區(qū)和空氣冷卻區(qū)兩部分，用擋板13隔開，空氣冷卻區(qū)的面積約占總傳熱面積的5％~10%。漏入凝汽器內的不凝結空氣，經(jīng)過空氣冷卻區(qū)進一步冷卻后，由抽氣設備從抽氣口15抽出。空氣冷卻區(qū)：凝結尚未凝結的蒸汽，減少蒸汽工質的損失；冷卻空氣，使其體積流量減小，減輕抽氣設備的負荷，提高抽氣效果。第19頁/共58頁國產(chǎn)引進型300MW機組凝汽器第20頁/共58頁單殼體、對分、雙流程、表面式第21頁/共58頁喉部足夠的強度來承載大氣壓力為了減少汽輪機房的建筑面積，減少大管徑低壓管道，使系統(tǒng)緊湊，最低壓力的低壓加熱器布置在喉部各種蒸汽和水的匯集點：疏水，旁路，小機排氣等第22頁/共58頁冷卻水管確保管子和隔板緊密接觸，改善管子的震動特性減小熱應力，適應殼體和管子的脹差第23頁/共58頁管材銅管：傳熱系數(shù)高鋼管：抗高速濕蒸汽引起的腐蝕湍流漏汽以及管子進口段的腐蝕抗空冷區(qū)的氨腐蝕導熱系數(shù)低，脹管困難，薄壁管鈦管：適用于任何水質和抗腐蝕第24頁/共58頁第25頁/共58頁組裝中的凝汽器外殼第26頁/共58頁凝汽器隔板在安裝中，可見擋汽板，形成空冷區(qū)第27頁/共58頁組裝中的隔板第28頁/共58頁第29頁/共58頁第30頁/共58頁第31頁/共58頁水室裝配，下部為冷卻水進口，上部為出口第32頁/共58頁喉部第33頁/共58頁安裝在喉部的低加第34頁/共58頁三、凝汽器內蒸汽凝結過程凝結過程是一種汽態(tài)向液態(tài)轉變的復雜物理現(xiàn)象。低于其飽和溫度時，產(chǎn)生液態(tài)核化，形成均勻懸浮細微水滴，并逐漸成長。懸浮水滴遇到冷卻壁面，會產(chǎn)生珠狀凝結和膜狀凝結兩種凝結過程。珠狀凝結：冷卻水管的所有表面沒有完全被凝結液膜所覆蓋，在管壁的某些部分，蒸汽能直接與管壁表面接觸，所以，珠狀凝結過程的傳熱系數(shù)較大，傳熱效果較好。（很難發(fā)生，需對傳熱表面進行特殊的處理）膜狀凝結：冷卻水管表面完全被凝結液覆蓋，形成一層液膜，蒸汽與管壁熱交換時需要通過這層液膜才能進行，所以其傳熱系數(shù)要比珠狀凝結過程的傳熱系數(shù)低。在凝汽器內的凝結過程以膜狀凝結為主。影響凝汽器內蒸汽凝結過程的因素：（1）凝汽器內冷卻水管的布置排列方式。（2）凝汽器內蒸汽的流動速度。（3）凝汽器內的空氣含量。第35頁/共58頁（1）凝汽器內冷卻水管的布置排列方式。排列方式，影響凝汽器內蒸汽的流動情況。上面各排管子的凝結液會降落到下面的管子上，使得下面管子的液膜更容易增厚。汽阻：抽氣口和凝汽器喉部之間的壓差；過冷度：是指在一定壓力下冷凝水的溫度低于相應壓力下飽和溫度的差值。（2）凝汽器內蒸汽的流動速度。

流速大，冷卻管壁液膜減??；

局部紊流，使蒸汽的凝結傳熱系數(shù)增大。（3）凝汽器內的空氣含量。

隨蒸汽的凝結，空氣分壓增加，形成空氣膜，增加了傳熱熱阻，降低了傳熱系數(shù)。第36頁/共58頁評定凝汽器優(yōu)劣有五個指標①真空；②凝結水過冷度；③凝結水含氧量，④水阻；⑤空冷區(qū)排出的汽氣混合物的過冷度。1)為了減小汽阻，應把最初幾排管子排得較稀，或開進汽側通汽道，或用多區(qū)域向心式布置等方法增大進汽周界，使第一排皆束處的汽流速度不大于50m／s。2)隨著蒸汽的凝結，管束內層的熱負荷必然減小，進汽側應有蒸汽通道深入管束內層，以便提高內層管束的熱負荷。3)為了減小汽阻，蒸汽空氣混合物向抽氣口運動的途徑應短而直，可在管束進汽側和出汽側都開相應的汽流通道，且要求沿汽流流動方向的管子排數(shù)不宜過多。4)應力求避免剛進入管束的蒸汽與來自管束其他部分含空氣較多的蒸汽混合而降低傳熱系數(shù)；應防止蒸汽不經(jīng)過主管束直接進入空氣冷卻區(qū)而增大空冷區(qū)負荷；應防止蒸汽空氣混合物不經(jīng)過空冷區(qū)而直接到達抽氣口，增大抽氣器負荷。為此可設擋汽板或靠管束布置來達到要求。第37頁/共58頁5)管束之間或兩側應有適當?shù)恼羝ǖ?，以便剛進入凝汽器的蒸汽到達底部加熱凝結水．減小過冷度。6)應有空氣冷卻區(qū)冷卻蒸汽空氣混合物，以增大排出的蒸汽空氣混合物的過冷度減少工質損失，降低抽氣器負荷。7)為了避免從上部管束流下來的凝結水落在下部管束外側，在管束之間可設置凝結水擋板，擋板的位置與方向應符合汽流流動規(guī)律，以減少汽阻。第38頁/共58頁一般以整臺凝汽器為研究對象，在蒸汽凝結理論指導下，通過試驗得出總體平均傳熱系數(shù)k的經(jīng)驗公式。第39頁/共58頁均考慮到冷卻水管壁的清潔程度、冷卻水流速、冷卻水進口水溫、蒸汽負荷率、管徑及管材等的影響。第40頁/共58頁四、凝汽器內壓力的確定為提高傳熱溫差，蒸汽與冷卻水通常采用近似逆流傳熱形式。凝汽器內蒸汽凝結溫度ts主凝結區(qū)內，沿著冷卻表面積基本不變；空氣冷卻區(qū)，由于蒸汽已經(jīng)大量凝結，空氣的相對含量增加，使蒸汽分壓ps明顯低于凝汽器壓力pc，ps相對應的飽和溫度ts明顯下降。第41頁/共58頁分析影響凝汽器內壓力Pc的三方面因素。冷卻水進口溫度tw1取決于供水方式和當?shù)丨h(huán)境溫度。第42頁/共58頁冷卻水溫升Δt與冷卻倍率成反比第43頁/共58頁m表示凝結單位蒸汽汽量所需要的冷卻水量。m值大小要通過經(jīng)濟技術對比后確定。第44頁/共58頁——每1kg蒸汽在凝結時所放出的潛熱，約2200kJ/kg，變化很小，第45頁/共58頁2.傳熱端差第46頁/共58頁2.傳熱端差第47頁/共58頁五、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--6為雙壓凝汽器的示意圖。進水側的冷卻水溫度較低，其對應汽側壓力也較低；出水側的冷卻水溫度較高，因此，其對應汽側壓力也較高。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。

第48頁/共58頁第49頁/共58頁單壓凝汽器的蒸汽凝結溫度與雙壓凝汽器的平均凝結溫度之差：第50頁/共58頁單壓凝汽器的蒸汽凝結溫度與雙壓凝汽器的平均凝結溫度之差：冷卻水倍率m越小，效益越大。汽室越多，效益越大。在缺少冷卻水和氣溫較高地區(qū)采用多壓凝汽器更有利。在其他條件相同情況下，冷卻水進口溫度tw1越高，采用多壓凝汽器獲得的效益就越大。第51頁/共58頁§4-4抽氣設備抽除凝汽器內不能凝結的氣體，以保持凝汽器的真空和傳熱良好。射汽式抽氣器、射水式抽氣器、水環(huán)式真空泵抽氣器的作用：第52頁/共58頁一、射汽式抽氣器(一)啟動抽氣器要求功率大、啟動快、結構簡單，通常是單級的。工作噴嘴采用縮放噴嘴。蒸汽在工作噴嘴中膨脹加速，以很高的流速（通常達到1000m/s以上）射入混合室B，使混合室內形成高度真空?；旌鲜遗c凝汽器抽氣口相連，由凝汽器來的氣、汽混合物在混合室中混合后，被高速工作蒸汽帶動一起進入擴壓管C。在擴壓管中，混合物的動能逐漸轉變?yōu)閴毫δ?，最后混合氣體擴壓至略高于大氣壓力情況下排入大氣。工作蒸汽的熱量和凝結水都不能回收，經(jīng)濟性差。第53頁/共58頁一、射汽式抽氣器(二)主抽氣器(1)分級壓縮，一般分為兩級，以降低壓縮耗功；(2)在擴壓管的出口處設置冷卻器，利用主凝結水來冷卻擴壓管出口汽流，回收工質和熱量，并降低下一級抽氣器負擔，有利于提高真空。抽氣器的冷卻器通常是表面式換熱器。其冷卻介質是來自凝結水泵出口的主凝結水，這樣可以回收一部分抽氣器工作蒸汽的熱量，以提高整個系統(tǒng)的熱經(jīng)濟性。第54頁/共58頁一、射汽式抽氣器(三)射汽式抽氣器工作特性較平坦部分稱為工作段，在工作段區(qū)間，即使被抽的空氣量增大，抽氣口的壓力升高不多，可以維持凝汽器正常運行。較陡部分稱為過負荷段，在過負荷段區(qū)間，隨著被抽出空氣量的增大，抽氣口壓力迅速上升，這將破壞凝汽器真空。

所以為了保證抽氣器始終能在工作段區(qū)間運行，在設計選型時寧可把抽氣器的設計抽氣量