汽輪機原理第四章

汽輪機的凝汽設備第四章第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型

凝汽設備是凝汽式汽輪機裝置的重要組成部分之一，它的工作情況直接影響到整個裝置的熱經濟性和運行可靠性。一、凝汽設備的工作原理與任務

凝汽設備在汽輪機裝置的熱力循環(huán)中起著冷源作用。降低汽輪機排汽的壓力和溫度，就可以減小冷源損失，提高循環(huán)熱效率。

1.汽輪機排汽壓力變化對機組熱經濟性的影響以東方汽輪機廠N300-16.67/537/537機組為例如機組設計排汽壓力為5kPa，若排汽壓力升高1kPa，則機組熱耗將增加1%。如設計煤耗為330g/kw.h，排汽壓力升高1kPa,使煤耗增加3.3g/kw.h，按年平均運行小時按6000小時計，每年多耗煤：6000×30×104×3.3/106=5940t標煤（450元/噸，267萬元）

第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型2、凝汽設備的組成

以水為冷卻介質的凝汽設備，一般由凝汽器、凝結水泵、抽氣器、循環(huán)水泵以及它們之間的連接管道和附件組成。最簡單的凝汽設備示意圖如圖示。凝汽器凝結水泵循環(huán)水泵汽輪機抽氣器冷卻塔1.凝汽器：凝結乏汽，建立真空，收集凝結水并進行除氧。2.循環(huán)水泵：提供連續(xù)足量的循環(huán)冷卻水，帶走蒸汽的熱量。3.凝結水泵：向鍋爐輸送潔凈的給水。4.抽氣器：排出不凝結氣體，維持凝汽器真空。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型在凝汽器中，不斷循環(huán)的冷卻水創(chuàng)造凝汽器中的低溫環(huán)境，使排汽釋放汽化潛熱而發(fā)生凝結。凝汽器中蒸汽凝結的空間是汽液兩相共存的，汽側壓力等于蒸汽凝結溫度所對應的飽和壓力。蒸汽凝結溫度由冷卻條件決定。只要冷卻水溫不高，蒸汽凝結溫度也不高，一般為30℃左右，所對應的飽和壓力約為4-5kPa，該壓力大大低于大氣壓力，從而在凝汽器中形成高度真空。3.凝汽設備的工作原理4.凝汽設備的工作任務

凝汽設備的最主要的任務有兩方面：一是在汽輪機排汽口建立并維持一定的真空；二是保證蒸汽凝結并回收凝結水作為鍋爐給水；三是作為給水先期除氧設備，回收雜用水的工質和能量。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型二、凝汽器的類型凝汽器表面式混合式空氣冷卻式水冷卻式（空冷）（濕冷）第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型1、空冷系統(tǒng)的分類及特點

空氣冷卻凝汽器（簡稱空冷器）是以空氣作為冷卻介質，把蒸汽凝結成水。采用翅片管式空冷散熱器，直接或間接用環(huán)境空氣來冷凝汽輪機排汽的冷卻系統(tǒng)，稱為空冷系統(tǒng)。采用空冷系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機組簡稱為空冷機組。優(yōu)點：節(jié)水（65%）；缺點：煤耗高?？绽湎到y(tǒng)混合式間接空冷系統(tǒng)（海勒式）表面式間接空冷系統(tǒng)（哈蒙式）直接接空冷系統(tǒng)第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型（1）直接空冷系統(tǒng)優(yōu)點：不需要冷卻水等中間介質；系統(tǒng)設備少，結構簡單，系統(tǒng)投資較少。

缺點：粗大的排汽管道密封困難，維持真空困難，啟動時抽真空時間較長；采用強制通風，耗電量大，噪音大。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型

直接空冷發(fā)電廠外景圖空冷支柱(空心)蒸汽分配管空冷管束第一列空冷管排空冷島平臺第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型直接空冷單元示意圖直接空冷系統(tǒng)冷卻三角架示意圖運行中的直接空冷系統(tǒng)直接空冷系統(tǒng)冷卻風機（2）海勒式間接空冷系統(tǒng)優(yōu)點：以微正壓的低壓水系統(tǒng)運行，較易掌握，而且年平均背壓較低，機組煤耗較低。

缺點：系統(tǒng)結構復雜，設備多，投資大；系統(tǒng)容易發(fā)生冰凍；化學水耗水大。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型海勒式間接空冷機組（3）哈蒙式間接空冷系統(tǒng)優(yōu)點：節(jié)約廠用電、設備少、冷卻水系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)分開，兩者水質均可保證、冷卻水系統(tǒng)防凍性能好。

缺點：空冷塔占地大，基建投資多；系統(tǒng)中要進行兩次表面式換熱，使全廠熱效率有所降低。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型哈蒙式間接空冷系統(tǒng)南非Kendal電站汽輪機凝汽系統(tǒng)2、水冷表面式凝汽器（1）表面式凝汽器的結構第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型汽阻凝汽器入口壓力pc與空氣抽出口壓力pc’’之差，汽阻越大，pc越高，汽阻越小越好。水阻凝汽器給冷卻水的阻力由冷卻水管內沿程阻力、水室中的沿程阻力、冷卻水由循環(huán)水管進出水室與水室進出管子的局部阻力組成，水阻越大，循環(huán)水泵的功耗越大，水阻越小越好。相關概念主凝結區(qū)空氣冷卻區(qū)排汽首先流過主凝結區(qū)，主要換熱面占總換熱面積的5%-10%，冷卻抽氣口抽出的汽氣混合物，減小容積流量，減輕抽氣器負荷，減少工質損失第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型1-管束隔板2-冷卻管束3-抽氣口4-擋板5-空氣冷卻區(qū)6-熱井8-水室隔板7-人孔多區(qū)域汽流向側流動第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型凝汽設備的結構模型600MW凝汽器三維結構圖600MW凝汽器三維結構圖600MW凝汽器三維結構圖凝汽器冷卻管束隔板凝汽器冷卻管束隔板凝汽器冷卻管的安裝（2）表面式凝汽器的類型

汽流向心式汽流方向

汽流向側式

汽流向上式

汽流向下式汽流向側式汽流向心式冷卻水流程單流程雙流程多流程單流程雙流程第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型水室形式單一制對分制汽側壓力單壓多壓單一制對分制單壓多壓第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型

是折合到標準溫度0℃下的數(shù)值。測量凝汽器真空的最簡單的辦法是用水銀真空計。如圖：三、凝汽器真空的測量凝汽器真空：當?shù)卮髿鈮号c凝汽器內絕對壓力的差值。第一節(jié)凝汽設備的工作原理、任務和類型

由表面式凝汽器的工作原理可知，在理想情況下，凝汽器的壓力應等于冷卻水溫所對應的飽和蒸汽壓力。實際情況下，凝汽器的壓力總是高于這一理想壓力。一、凝汽器內壓力的確定凝汽器汽側空間多組分介質共存蒸汽不凝結氣體原蒸汽中夾帶（很少），真空系統(tǒng)不嚴密漏入系統(tǒng)的空氣道爾頓定律：汽側空間的總壓力是組成氣體分壓力之和第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱利用混合氣體關系式求得假定：凝結99%，干度x=0.01凝結99.9%，干度x=0.001凝結99.99%，干度x=0.0001第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱pspspaps空冷區(qū)主凝結區(qū)主凝結區(qū)，總壓pc≈蒸汽壓力ps，ps決定于汽、水共存的熱平衡溫度，即對應壓力下水、蒸汽的飽和溫度。凝汽器內的溫度決定于蒸汽凝結和冷卻水加熱的換熱過程?？绽鋮^(qū)，空氣所含比重逐漸變大，ps才明顯小于pc，ts下降，汽氣混合物才被冷卻。pc第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱主凝結區(qū)空冷區(qū)t水2

蒸汽1tstw1tw2ts’’△t冷卻水溫升冷卻水的進、出口溫差。傳熱端差凝汽器進口壓力下的蒸汽飽和溫度與冷卻水出口溫度的差。主凝結區(qū)的凝結溫度：主凝結區(qū)：第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱影響凝汽器內壓力的三個因素：冷卻水進口溫度

季節(jié)與氣候（主要因素）夏季冬季>夏季真空冬季真空<南方北方>南方真空北方真空<同樣條件冷水塔和噴水池的冷卻效果由熱平衡方程求得：2.冷卻水溫升熱量輸運方程蒸汽的放熱被冷卻水吸收。熱量平衡為第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱直流（開式）供水(4.2.3)循環(huán)倍率m：冷卻水量與被凝結蒸汽量之比。m

真空初投資循環(huán)水泵電耗循環(huán)水泵容量循環(huán)水管路阻力末級葉片長度m=50~120單流程（水阻?。﹎取較大值雙流程（水阻大）循環(huán)（閉式）供水m取較小值開啟臺數(shù)是汽化潛熱，考慮濕度后，在2140～2220KJ/Kg左右，取平均值，則

第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱3.凝汽器傳熱端差傳熱方程

凝汽器的傳熱過程是管外凝結放熱、管壁導熱、管內污垢導熱和冷卻水的對流傳熱。采用集總參數(shù)模型對數(shù)平均溫差tw1

蒸汽1水2主凝結區(qū)空冷區(qū)ttstw2空冷區(qū)面積較小，假設ts沿整個換熱面不變：第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱

傳熱面積Ac，投資，需技術經濟比較決定。不宜過小，3~10℃由此求得的影響因素設計時：運行時：K是影響的主要因素，K，真空影響K的因素必影響第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱

一般汽輪機運行時，排汽量由外界負荷決定，不可調節(jié)，所以控制冷卻水溫升的主要手段就是改變冷卻水量。冷卻水量主要由循環(huán)水泵的容量和運行臺數(shù)決定。冷卻水量增加，Δt減小，排汽壓力降低,則汽輪機發(fā)出功率增加。但無論從設計角度還是運行角度來說，都不是真空越高越好。對于一臺結構已定的汽輪機，蒸汽在末級存在極限膨脹壓力。若排汽壓力低于該值，則蒸汽的部分膨脹只能發(fā)生在動葉之后，產生膨脹不足損失，汽輪機功率不再增加，反而還因凝結水溫降低、最末級回熱抽汽量增加而使機組功率減小。凝汽器的極限真空就是指使汽輪機作功達到最大值的排汽壓力所對應的真空。而且，此時需要大大增加循環(huán)水量，循環(huán)水泵功耗增加，經濟上不合算。二、凝汽器的極限真空與最佳真空第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱

運行中，機組要盡量保持在凝汽器的最佳真空下工作。最佳真空就是指提高真空后所增加的汽輪機功率與為提高真空使循環(huán)水泵多消耗的廠用電之差達到最大時的真空值。

實際上，運行循環(huán)水泵可能有幾臺，循環(huán)水量也不能連續(xù)調節(jié)，所以應通過試驗確定不同負荷及不同進口水溫下的最佳真空。第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱三、空氣對凝汽器工作的影響凝汽器的空氣來源：A.由新蒸汽帶入汽輪機B.由設備不嚴密處漏入危害：管表面附近聚積形成氣膜阻礙了蒸汽的凝結放熱凝結水過冷度增大過冷現(xiàn)象:凝水溫度低于凝汽器入口蒸汽溫度的現(xiàn)象。所低的度數(shù)稱為過冷度過冷度1℃，煤耗0.1%過冷危害低加吸熱量凝水含氧量低加管道和設備腐蝕引起過冷的正常原因（表面式凝汽器工作機理決定）：第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱A.管子外表面蒸汽分壓力低于管束間平均分壓，使蒸汽凝結ts0溫度低于管束間混合汽流溫度。C.汽阻使管束內層壓力降低，也使凝結溫度ts降低B.管子外表面的水膜直接受管內冷卻水冷卻，水膜的導熱溫差使水膜的平均溫度(tsi+ts0)/2低于水膜外表面的蒸汽凝結溫度ts0。過冷度固有2.8℃壓力及溫度至流動的中心距離pspcpapstsotstsi熱流及蒸汽流動方向第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱產生過冷水的不正常原因:⑴冷卻水管束排列不合理；⑵漏入空氣過多或抽氣器工作不正常，使空氣分壓增大；⑶凝結水位過高，淹沒冷卻水管，使凝結水被進一步冷卻。排列不合理，上層凝水滴落在下層管束上產生沖擊，水滴飛濺破壞流場分布，增大汽阻，過冷度增大總壓pc一定，越靠近冷卻水管，pa，蒸汽分壓力ps

，凝結水過冷度增大第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱

管束布置留有相當大的蒸汽通道，使一部分蒸汽能直通凝汽器底部。在凝結水落入熱井之前，與蒸汽進行充分接觸，這種效應稱為蒸汽回熱作用。采用回熱式凝汽器可減小過冷度減小過冷度方法：第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱過冷度是否變化作為初步分析真空下降原因判據汽側原因抽氣器失?；蚵┤肟諝庠龆嗬鋮s水管束排列不合理凝結水位過高，淹沒冷卻水管真空下降伴隨過冷度增大真空下降，但無過冷度增大水側原因循環(huán)水量減小冷卻管結垢凝汽器水阻大第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱四、凝汽器的傳熱凝汽器的傳熱過程：蒸汽在管外凝結放熱，熱量傳給冷卻管外壁面→管壁導熱，熱量從管外壁傳導到管內壁→管內壁傳給冷卻水。傳熱過程的熱阻取決于三個環(huán)節(jié)：管外凝結放熱、管壁導熱、管內壁對流。將冷卻水管的圓筒形管壁傳熱近似看成平壁傳熱，則傳熱系數(shù)為：第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱1.影響管外凝結放熱的因素（1）水膜厚度（2）汽側空氣含量熱流及蒸汽流動方向富空氣區(qū)凝結水膜實驗表明：純凈蒸汽的凝結放熱系數(shù)很高，可達63000kJ/m2.h.K，如凝汽器中有少量空氣，其凝結放熱系數(shù)只有28000kJ/m2.h.K,在空冷區(qū)，由于空氣含量較大，放熱系數(shù)只有2000～6500kJ/m2.h.K凝汽器內存在空氣，對凝汽器的傳熱影響很大。

汽側熱阻包括管壁外凝結水膜熱阻和蒸汽向水膜外側的放熱熱阻。因此影響管外凝結放熱的因素主要有：影響凝結水膜熱阻；水膜厚度受凝結量和管束排列影響，水膜內外可能有1.3～6.7℃的溫差。第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱2.影響管壁熱阻的因素管壁厚度材料導熱系數(shù)盡量采用導熱性能優(yōu)良的銅對耐腐蝕有較高要求時可選用鈦管或不銹鋼管管內結垢物理垢(如礦物垢，污垢)生物垢導熱熱阻增大總體傳熱系數(shù)減小端差增大膠球清洗酸洗添加抗生物藥劑第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱1-二次濾網；2-反沖洗蝶閥；3-注球管；4-凝汽器；5-膠球；6-收球網；7-膠球泵；8-加球室凝汽器的膠球清洗系統(tǒng)流速（主要因素）流速對流傳熱循環(huán)水泵功耗銅管沖刷嚴重3.影響水側熱阻的因素流速水阻最佳水速：1.5～2.0m/s

實際傳熱系數(shù)的計算經驗公式或經驗圖表HEI公式未修正傳熱系數(shù)，與流速的平方根及管徑有關冷卻水溫度修正系數(shù)冷卻管材料修正系數(shù)清潔系數(shù)第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱在HEI表面式凝汽器標準中，分別給出了這些修正系數(shù)的圖、表。此式表明，影響凝汽器的傳熱特性的主要因素是流速、冷卻管的直徑、冷卻管材料特性和傳熱面的清潔程度。別爾曼(前蘇)公式清潔程度修正系數(shù)流速與管徑修正系數(shù)冷卻水進口溫度修正系數(shù)冷卻水流程修正系數(shù)負荷修正系數(shù)第二節(jié)凝汽設備的真空與傳熱第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧一、凝汽器的管束布置冷卻水管的基本排列方法三角形排列法正方形排列法輻向排列法密集程度最大，汽阻最大密集程度小，汽阻小密集程度小，汽阻小帶型和卵形管束布置的凝汽器教堂窗式管束布置的凝汽器將軍帽式管束布置的凝汽器凝汽器管束布置的要求減小汽阻減小過冷度均勻熱負荷（總體傳熱系數(shù)較高）凝汽器評價指標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第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧二、真空除氧凝結水含氧量大銅管腐蝕、凝結水系統(tǒng)管道閥門腐蝕凝汽器都設有真空除氧裝置第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧加設鼓泡除氧裝置，在啟動、低負荷其他非正常工況投入。加熱蒸汽鼓泡通入熱井，混合加熱凝結水至飽和溫度，放出不凝結汽體。一般真空除氧裝置蒸汽量少不能到達熱井回熱凝結水60％額定負荷以上除氧效果較好低負荷和機組啟動時除氧效果較差pc漏入空氣量過冷度第三節(jié)凝汽器的管束布置和真空除氧抽氣器的作用（2）抽取凝汽器汽側空間的不凝結氣體，以保持汽側良好的傳熱狀態(tài)和凝汽器真空。（1）機組啟動時，在汽輪機內部建立真空；抽氣器的類型射流式抽氣器水環(huán)式真空泵射汽抽氣器射水抽氣器用于小型機組用于大型機組第四節(jié)抽氣器一、射汽抽氣器工作蒸汽壓縮后的汽氣混合物汽氣混合物超音速汽流高度真空》抽吸》動量交換》夾帶混合室與凝汽器抽氣口相連工作噴嘴外殼擴壓管射汽抽氣器汽源節(jié)流降壓的主蒸汽或除氧器汽平衡管工作蒸汽第四節(jié)抽氣器單級，混合物排入大氣不回收工質射汽抽氣器啟動抽氣器主抽氣器多級（2-3級），降低單級擴壓比，提高效率，回收工質第四節(jié)抽氣器二、射水抽氣器混合室擴壓管工作水室噴嘴射水泵高壓工作水（循環(huán)水）與凝汽器抽氣口相連逆止閥喉部優(yōu)點無需汽源工作可靠無需啟動抽氣器壓力水在噴嘴中降壓增速，形成高速射流，產生高度真空，抽吸凝汽器氣汽混合物，在混合室中攜帶不凝結氣體運動。水射流達到一定行程后發(fā)生破碎，與不凝結氣體產生碰撞進行強烈的動量交換，對混合氣體進行壓縮升壓，然后利用水柱自重對其進一步壓縮。不回收工質缺點噪音大效率低第四節(jié)抽氣器第四節(jié)抽氣器假如葉輪不偏裝空腔4～6的容積排氣過程?？涨?～3的容積吸氣過程；三、水環(huán)式真空泵外殼偏心葉輪工作水同心水環(huán)123654水環(huán)工作條件葉輪偏心必須安裝泵殼內有足量的工作水第四節(jié)抽氣器第四節(jié)抽氣器第五節(jié)凝汽器的變工況凝汽器壓力隨蒸汽負荷、冷卻水量、冷卻水進口溫度等變化的規(guī)律稱為凝汽器的變工況。一、主要因素改變對凝汽器壓力的影響主凝結區(qū)：不變1變工況下的變化規(guī)律改變變工況下的變化規(guī)律(4.5.2)不變已運行凝汽器Ac不變若K也不變比蒸汽負荷理論結果第五節(jié)凝汽器的變工況實驗結果較大，負荷較高時較小，負荷較低時基本不變較小，曲線在上部越小，轉折越早第五節(jié)凝汽器的變工況變工況下的確定

凝汽器的特性曲線如圖所示，它是根據不同的Dc、tw1和Dw，由Δt和δt隨Dc的變化規(guī)律，求得相應的Δt和

，最終求得凝汽器壓力pc及繪制而成。一定由不同的曲線圖改變曲線圖新的第五節(jié)凝汽器的變工況第五節(jié)凝汽器的變工況第六節(jié)