汽輪機(jī)原理第四章-汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)及設(shè)備

第四章汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)及設(shè)備

§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(shè)備、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵以及相連的管道、閥門等組成。三、凝汽系統(tǒng)的任務(wù)1，在汽輪機(jī)末級(jí)排汽口建立并維持規(guī)定的真空；2，供應(yīng)潔凈的凝結(jié)水作為鍋爐給水；3，真空除氧：利用熱力除氧原理除去凝結(jié)水中的溶解氣體（主要為氧氣），從而提高凝結(jié)水品質(zhì)，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(chǔ)存凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)中的各種疏水、排汽和化學(xué)補(bǔ)充水，起到熱力系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用。四、凝汽器內(nèi)高度真空的形成蒸汽遇冷凝結(jié)，體積驟然減小。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(nèi)形成高度真空。其壓力為凝汽器內(nèi)溫度對(duì)應(yīng)的蒸汽飽和壓力，溫度越低，真空越高。真空是通過抽氣設(shè)備把漏入凝汽器內(nèi)的不凝氣體抽出，以維持真空。★凝汽器的最有利真空和極限真空：（1）凝汽器的最佳真空：提高真空所增加的汽輪機(jī)功率與循環(huán)水泵所多消耗的廠用電之差達(dá)到最大時(shí)的真空。（2）凝汽器的極限真空：若真空進(jìn)一步增高，末級(jí)葉片的斜切部分達(dá)到膨脹極限時(shí)的真空稱為凝汽器的極限真空。這時(shí)候余速損失增加。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?dú)狻⒍趸嫉葰怏w。真空除氧亨利定律：當(dāng)水和氣體之間處于平衡狀態(tài)時(shí)，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。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(yīng)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(nèi)氣體的分壓力。氧氣在水中的溶解量與溫度和壓力的關(guān)系水中殘余氧量與加熱溫度不足的關(guān)系

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(jìn)行冷卻，冷卻后的冷卻水重新進(jìn)入凝汽器中工作，如此往復(fù)循環(huán)。

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(jī)排汽熱量的凝汽系統(tǒng)。（一）直接空冷凝系統(tǒng)（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(jié)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(gòu)成一個(gè)封閉型間接空冷凝汽系統(tǒng)。水輪機(jī)用于調(diào)節(jié)混合凝汽器噴水壓力，同時(shí)回收部分能量，比如同軸驅(qū)動(dòng)水泵。（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)水開式閉式銅管一、混合式凝汽器§4-3凝汽器汽輪機(jī)排汽與冷卻水直接混合接觸而使蒸汽凝結(jié)。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(jié)成水。凝結(jié)水與冷卻水混合在一起用水泵抽走。不凝結(jié)的空氣用抽氣設(shè)備除去。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉、冷卻效果好。缺點(diǎn)是凝結(jié)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(diǎn)二、表面式凝汽器汽側(cè)：由冷卻水管外表面、管板汽側(cè)、外殼內(nèi)側(cè)、熱井等組成。水側(cè)：由冷卻水管內(nèi)表面、管板水側(cè)、水室、進(jìn)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(jié)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(nèi)的不凝結(jié)空氣，經(jīng)過空氣冷卻區(qū)進(jìn)一步冷卻后，由抽氣設(shè)備從抽氣口15抽出?？諝饫鋮s區(qū)：凝結(jié)尚未凝結(jié)的蒸汽，減少蒸汽工質(zhì)的損失；冷卻空氣，使其體積流量減小，減輕抽氣設(shè)備的負(fù)荷，提高抽氣效果。國(guó)產(chǎn)引進(jìn)型300MW機(jī)組凝汽器單殼體、對(duì)分、雙流程、表面式喉部足夠的強(qiáng)度來承載大氣壓力為了減少汽輪機(jī)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(diǎn)：疏水，旁路，小機(jī)排氣等管材銅管：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(jìn)口段的腐蝕抗空冷區(qū)的氨腐蝕導(dǎo)熱系數(shù)低，脹管困難，薄壁管鈦管：適用于任何水質(zhì)和抗腐蝕(三)射汽式抽氣器工作特性間接空冷凝汽系統(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(diǎn)冷卻水溫升Δt與冷卻倍率成反比影響凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)過程的因素：?jiǎn)螝んw、對(duì)分、雙流程、表面式凝汽器出來的凝結(jié)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(gòu)成一個(gè)封閉型間接空冷凝汽系統(tǒng)?！锬鞯淖钣欣婵蘸蜆O限真空：多壓凝汽器就是將凝汽器的汽側(cè)分隔成與汽輪機(jī)排汽口個(gè)數(shù)相同的兩個(gè)或更多的互不相通的部分。抽除凝汽器內(nèi)不能凝結(jié)的氣體，以保持凝汽器的真空和傳熱良好。第四章汽輪機(jī)的凝汽系統(tǒng)及設(shè)備凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度ts冷卻水進(jìn)口溫度tw1取決于供水方式和當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度。（2）凝汽器內(nèi)蒸汽的流動(dòng)速度。凝汽器隔板在安裝中，可見擋汽板，形成空冷區(qū)（二）混合式間接空冷系統(tǒng)組裝中的凝汽器外殼1，在汽輪機(jī)末級(jí)排汽口建立并維持規(guī)定的真空；凝結(jié)水與冷卻水混合在一起用水泵抽走。凝結(jié)尚未凝結(jié)的蒸汽，減少蒸汽工質(zhì)的損失；4，熱力系統(tǒng)蓄水，匯集和儲(chǔ)存凝結(jié)水、熱力系統(tǒng)中的各種疏水、排汽和化學(xué)補(bǔ)充水，起到熱力系統(tǒng)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作用。（3）凝汽器內(nèi)的空氣含量?！?kg蒸汽在凝結(jié)時(shí)所放出的潛熱，約2200kJ/kg，凝汽器出來的凝結(jié)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(gòu)成一個(gè)封閉型間接空冷凝汽系統(tǒng)。凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度ts凝結(jié)過程是一種汽態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜物理現(xiàn)象。在其他條件相同情況下，冷卻水進(jìn)口溫度tw1越高，采用多壓凝汽器獲得的效益就越大。四、凝汽器內(nèi)高度真空的形成冷卻水溫升Δt與冷卻倍率成反比汽阻：抽氣口和凝汽器喉部之間的壓差；2，供應(yīng)潔凈的凝結(jié)水作為鍋爐給水；1)除氧給水必須加熱到一定壓力下的飽和溫度，較陡部分稱為過負(fù)荷段，在過負(fù)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。凝汽器隔板在安裝中，可見擋汽板，形成空冷區(qū)組裝中的隔板水室裝配，下部為冷卻水進(jìn)口，上部為出口喉部安裝在喉部的低加三、凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)過程凝結(jié)過程是一種汽態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變的復(fù)雜物理現(xiàn)象。低于其飽和溫度時(shí)，產(chǎn)生液態(tài)核化，形成均勻懸浮細(xì)微水滴，并逐漸成長(zhǎng)。懸浮水滴遇到冷卻壁面，會(huì)產(chǎn)生珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)兩種凝結(jié)過程。珠狀凝結(jié)：冷卻水管的所有表面沒有完全被凝結(jié)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(jié)過程的傳熱系數(shù)較大，傳熱效果較好。（很難發(fā)生，需對(duì)傳熱表面進(jìn)行特殊的處理）膜狀凝結(jié)：冷卻水管表面完全被凝結(jié)液覆蓋，形成一層液膜，蒸汽與管壁熱交換時(shí)需要通過這層液膜才能進(jìn)行，所以其傳熱系數(shù)要比珠狀凝結(jié)過程的傳熱系數(shù)低。在凝汽器內(nèi)的凝結(jié)過程以膜狀凝結(jié)為主。影響凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)過程的因素：（1）凝汽器內(nèi)冷卻水管的布置排列方式。（2）凝汽器內(nèi)蒸汽的流動(dòng)速度。（3）凝汽器內(nèi)的空氣含量。（1）凝汽器內(nèi)冷卻水管的布置排列方式。排列方式，影響凝汽器內(nèi)蒸汽的流動(dòng)情況。上面各排管子的凝結(jié)液會(huì)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(yīng)壓力下飽和溫度的差值。（2）凝汽器內(nèi)蒸汽的流動(dòng)速度。

流速大，冷卻管壁液膜減?。?/p>

局部紊流，使蒸汽的凝結(jié)傳熱系數(shù)增大。（3）凝汽器內(nèi)的空氣含量。

隨蒸汽的凝結(jié)，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)。評(píng)定凝汽器優(yōu)劣有五個(gè)指標(biāo)①真空；②凝結(jié)水過冷度；③凝結(jié)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(yīng)把最初幾排管子排得較稀，或開進(jìn)汽側(cè)通汽道，或用多區(qū)域向心式布置等方法增大進(jìn)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(jié)，管束內(nèi)層的熱負(fù)荷必然減小，進(jìn)汽側(cè)應(yīng)有蒸汽通道深入管束內(nèi)層，以便提高內(nèi)層管束的熱負(fù)荷。3)為了減小汽阻，蒸汽空氣混合物向抽氣口運(yùn)動(dòng)的途徑應(yīng)短而直，可在管束進(jìn)汽側(cè)和出汽側(cè)都開相應(yīng)的汽流通道，且要求沿汽流流動(dòng)方向的管子排數(shù)不宜過多。4)應(yīng)力求避免剛進(jìn)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(yīng)防止蒸汽不經(jīng)過主管束直接進(jìn)入空氣冷卻區(qū)而增大空冷區(qū)負(fù)荷；應(yīng)防止蒸汽空氣混合物不經(jīng)過空冷區(qū)而直接到達(dá)抽氣口，增大抽氣器負(fù)荷。為此可設(shè)擋汽板或靠管束布置來達(dá)到要求。5)管束之間或兩側(cè)應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼羝ǖ?，以便剛進(jìn)入凝汽器的蒸汽到達(dá)底部加熱凝結(jié)水．減小過冷度。6)應(yīng)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(zhì)損失，降低抽氣器負(fù)荷。7)為了避免從上部管束流下來的凝結(jié)水落在下部管束外側(cè)，在管束之間可設(shè)置凝結(jié)水擋板，擋板的位置與方向應(yīng)符合汽流流動(dòng)規(guī)律，以減少汽阻。一般以整臺(tái)凝汽器為研究對(duì)象，在蒸汽凝結(jié)理論指導(dǎo)下，通過試驗(yàn)得出總體平均傳熱系數(shù)k的經(jīng)驗(yàn)公式。均考慮到冷卻水管壁的清潔程度、冷卻水流速、冷卻水進(jìn)口水溫、蒸汽負(fù)荷率、管徑及管材等的影響。四、凝汽器內(nèi)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(nèi)蒸汽凝結(jié)溫度ts主凝結(jié)區(qū)內(nèi)，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(jié)，空氣的相對(duì)含量增加，使蒸汽分壓ps明顯低于凝汽器壓力pc，ps相對(duì)應(yīng)的飽和溫度ts明顯下降。分析影響凝汽器內(nèi)壓力Pc的三方面因素。冷卻水進(jìn)口溫度tw1取決于供水方式和當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度。冷卻水溫升Δt與冷卻倍率成反比m表示凝結(jié)單位蒸汽汽量所需要的冷卻水量。m值大小要通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比后確定。——每1kg蒸汽在凝結(jié)時(shí)所放出的潛熱，約2200kJ/kg，變化很小，2.傳熱端差2.傳熱端差五、多壓凝汽器

現(xiàn)代大功率汽輪機(jī)都采用多缸多排汽口。為了提高大功率汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(jī)排汽口個(gè)數(shù)相同的兩個(gè)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(jìn)水側(cè)的冷卻水溫度較低，其對(duì)應(yīng)汽側(cè)壓力也較低；出水側(cè)的冷卻水溫度較高，因此，其對(duì)應(yīng)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(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

單壓凝汽器的蒸汽凝結(jié)溫度與雙壓凝汽器的平均凝結(jié)溫度之差：?jiǎn)螇耗鞯恼羝Y(jié)溫度與雙壓凝汽器的平均凝結(jié)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(jìn)口溫度tw1越高，采用多壓凝汽器獲得的效益就越大。§4-4抽氣設(shè)備抽除凝汽器內(nèi)不能凝結(jié)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：一、射汽式抽氣器(一)啟動(dòng)抽氣器要求功率大、啟動(dòng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通常是單級(jí)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(dá)到1000m/s以上）射入混合室B，使混合室內(nèi)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(dòng)一起進(jìn)入擴(kuò)壓管C。在擴(kuò)壓管中，混合物的動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽詈蠡旌蠚怏w擴(kuò)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(jié)水都不能回收，經(jīng)濟(jì)性差。一、射汽式抽氣器(二)主抽氣器(1)分級(jí)壓縮，一般分為兩級(jí)，以降低壓縮耗功；(2)在擴(kuò)壓管的出口處設(shè)置冷卻器，利用主凝結(jié)水來冷卻擴(kuò)壓管出口汽流，回收工質(zhì)和熱量，并降低下一級(jí)抽氣器負(fù)擔(dān)，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(zhì)是來自凝結(jié)水泵出口的主凝結(jié)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(gè)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性。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(yùn)行。較陡部分稱為過負(fù)荷段，在過負(fù)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