凝汽式汽轮机的凝汽设备

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1、凝汽式汽轮机的凝汽设备凝汽式汽轮机是现代火电站和核电站中广泛采用的典型汽轮机。凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的一个重要组成部分。凝汽设备工作的好坏直接影响到整个装置的热经济性和运行可靠性。因此应对凝汽设备的工作原理和变工况特性等加以了解。第一节 凝汽设备的工作原理、任务和类型一、 凝汽设备的工作原理与任务凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度可以提高循环热效率。以东方汽轮机厂生产的 300Mw 汽轮机参数为例，该机新汽压力 16.67MPa ，新汽和再热温度 537，再热0p0tr压力 3.665MPa，纯凝汽热力循环如图 41 1(b)所示，循环热效率 与汽

2、rp t轮机排汽压力 的关系如图 4.1.1(b)所示。若没有凝汽设备，汽轮机的最低排c汽压力是大气压， 循环热效率 只有 37.12，而当 =5.0kPa 时tcp=45 55，两者之差的相对值 为 l8.5，热经济性损失巨大。tt若运行不善使该机的排汽压力比正常值下降 1， 也将降低 1以上，t即机组热耗率的相对变化率将增大 1以上，对于大型机组这是可观的。相反若能使汽轮机排汽温度下降 5，则 将增大 1以上。这些都说明凝t汽设备的重要性。以水为冷却介质的凝汽设备，由凝汽器、抽气器、循环水泵和凝结水泵以及它们之间的连接管道、阀门和附件等组成，最简单的凝汽设备示意图如图 4.1.2所示。汽轮

3、机的排汽进入凝汽器 1，循环水泵 2 不断的把冷却水打入凝汽器，吸收蒸汽凝结放出的能量，蒸汽被冷却并凝结为水。凝结水由凝结水泵 3 抽走。凝汽器内压力很低，比较容易漏入空气，空气将阻碍传热因此用抽气器 4 不断的将空气抽走。凝汽器内为什么会形成真空？这是因为凝汽器内的蒸汽凝结空间是汽水两相共存的，其压力是蒸汽凝结温度下的饱和压力。只要冷却水温不高，在正常情况下蒸汽凝结温度也就不高，如30左右的蒸汽凝结温度所对应得饱和压力约只有4 5kPa，大大低于大气压:力，就形成了高度真空。凝汽设备的任务：一是在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空；二是供应洁净的凝结水作为锅炉给水。给水不洁净将使锅炉结垢和腐

4、蚀，使新汽夹带盐分，此盐分在汽轮机通流部分积盐垢，影响电厂的安全经济运行。300Mw 机组的给水量达 1000th 左右容量越大，给水量越大。若都靠软化水，则没备投资和运行费用都很昂贵。而凝汽器洁净的凝结水，正好可大量用作锅炉给水，为此必须保证凝结水质不被污染。如果冷却水管被腐蚀或水管在管板上的胀口松脱，则管内压力较高的不洁净冷却水将漏到凝结水一侧，污染凝结水，水质不合格的凝结水，不能用作锅炉给水。二、 凝汽器的类型现在电站使用的凝汽器主要是以水为冷却介质的表面式凝汽器。在缺水地区和列车电站上，可用空气凝汽器。1空气凝汽器图 4.1.3（a）是直接冷却空气凝汽器系统。汽轮机排汽进入热交换器冷却

5、凝结，热交换器一般用具有鳍状散热片的管束组成，蒸汽进入管束内侧，空气在管外流过，为了加强冷却，可用风扇机力通风。由于空气传热系数很低，所以冷却表面积很大，整个凝汽器的体积庞大，无法放在汽轮机下部，常不得不远离汽轮机放在户外，因此汽轮机粗大的排汽管道很长，金属耗量和流动阻力都很大。为了克服这一缺点，出现了间接冷却空气凝汽器系统，如图 413(b)所示。汽轮机排汽进入喷射凝汽器中，与从干冷却塔来的冷却水相混合而凝结为水。喷射凝汽器体积不大，可以装在汽轮机下面。从喷射凝汽器出来的冷却水和凝结水的混合水流，一小部分给凝结水泵抽走作为锅炉给水，大部分经出水泵打入干冷却塔冷却。在缺水地区，这种空气凝汽器可

6、用在大功率机组上、在热交换器至喷射凝汽器管路上装设水轮机、可利用水的压头能量。喷射凝汽器的传热端差为零，凝汽器内不需要冷却水管，投资小，另外，它有结构小、无需维修等有价值的优点。2表面式凝汽器表面式凝汽器在火电站和核电站中应用广泛。图 414 是表面式凝汽器结构简图冷却水管 2 装在管板 3 上，蒸汽进入凝汽器后，在冷却水管外汽测空间冷凝。凝结水汇集在下部热井 7 中，由凝结水泵抽走。冷却水从进水管 4进入凝汽器，先进入下部冷却水管内，通过回流水室 5 流入上部冷却水管内，再由冷却水出水管 6 排出。如图 414 所示，同一股冷却水在凝汽器内转向前后两次流经冷却水管的、称为双流程凝汽器。同一股

7、冷却水不在凝汽器内转向的(如图 4.3.4 所示)，称为单流程凝汽器。凝汽器的传热面分为主凝结区和空气冷却区两部分，这两部分之间用挡板隔开。空气冷却区的面积约占凝汽器总面积的 5%10%。蒸汽刚进入凝汽器时，所含空气量不到万分之一，凝汽器总压力可以用蒸汽分压力代替。蒸汽在主凝结区大量凝结，但空气不能凝结，到达空气冷却区入口时，蒸汽流量以大为减小，而空气流量未变。剩下的蒸汽和空气混合物进入空冷区，蒸汽继续凝结，到空气抽出口处，蒸汽和空气的质量流量已是同一数量级，这时蒸汽分压力才明显减小，所对应的饱和温度也才降低，空气和很少量的蒸汽才会得到冷却。空气被冷却后，容积流量减小，抽汽器负荷减小，抽气效果

8、才好。由于空气抽出口不断地抽除空气，因此正在凝结的蒸汽和空气流向抽气口，显然空气抽出口的压力 最低，凝汽器入口处压力 最高。 与 之差是蒸cpcpcp汽空气混合物的流动阻力称为凝汽器的汽阻，以 表示， = 。汽c阻越大，凝汽器入口的压力 也越高，经济性越低，故应尽量减小汽阻。现代cp凝汽器的汽阻可以小到 260 400Pa 左右。:由于空气抽出口的位置不同，现代凝汽器分为汽流向侧式(如图 4.1.4 右侧左视图) 与汽流向心式( 如图 4.1.5，a) 两大类。由于单机功率增大，凝汽器尺寸和冷却水管数量大大增加，为了加大管束四周的进汽周界，减短汽流途径、减小汽阻，出现了多区域向心式凝汽器，如图

9、 4.1.5(b)所示。独立区域数由两个到十几个，平行布置于矩形外壳内。每个区域的中部都有空气冷却区。凝汽器给冷却水的阻力称为水阻。它由冷却水管内的沿程阻力、冷却水由水室进出冷却水管的局部阻力与水室中的流动阻力（包括由循环水管进出水室的局部阻力）等三部分组成。水阻越大，循环水泵的耗功越大，故应减少之。双流程凝汽器的水阻较大约 4978kPa，单流程水阻较小。三、凝汽器真空的测量测量凝汽器真空的最简单的方法是用如图 4.1.6 所示的水银真空计。由图可见，凝汽器中绝对压力为Pa (4.1.1)()13.cpBH式中， B 是当地当时大气压(环境压力)的汞注高度，H 是真空计中汞柱高度，单位均为

10、m m。将 B 与 H 折合到标准温度 0下的数值，并用 与 。表示，0BH则Pa (4.1.2)0()13.cp或 Pa (4.1.3)7.5第二节 凝汽器的真空与传热一、 凝汽器内压力 Pc 的确定图 4.2.1 中曲线 1 表示凝汽器内蒸汽凝结温度 t 的变化，t 在主凝结区基本ss不变，在空冷区下降较多。曲线 2 表示冷却水由进口处的温度 t 逐渐吸热上升1w到出口处的温度 t ，2w冷却水温升t= t t。冷却水的进水侧温1w度较低，与蒸汽的传热温差较大，单位面积的热负荷较大，故此处冷却水温上升较快。t 与st 之差称为凝汽器端2w差，以 t 表示，t= t-t 。主凝结区的蒸汽s2

11、w凝结温度为t = t +t+ t （4.2.1）s1w在主凝结区，总压力 p 与蒸汽分压力 p 相差甚微，p 可以用 p 代替。由cscs上式算出 t 后就可求出 t 所对应的饱和压力 p 。上式是确定凝汽器内压力 pss s的理论基础。 c由式 4.2.1 可以分析影响凝汽器内压力 p 的三个方面因素。c1冷却水进口温度 t 1wt 主要决定于电站所在地的气候和季节。冬季 t 较低，t 也低，真空高；w 1ws夏季 t 高，t 也高，真空低。用冷水塔或喷水池时，t 还决定于冷却塔或喷水1s池的冷却效果。2。冷却水温tt 由凝汽器热平衡方程是求得：Q=1000D （h h ）=1000D （

12、h h ）=4187 D t （4.2.2）Cc w21ww式中 Q 凝汽器的传热量， ；kJD ，D 进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量， ；Cw hth ，h 凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓， ；c kgJh ， h 冷却水流出和进入凝汽器的比焓， 。2w1由上式得 t= （4.2.3）mhDccwc187.4187.4式中，m= ，称为凝汽器的冷却倍率或循环倍率，它表明冷却水量是cw被凝结蒸汽量的多少倍。m 越大， t 越小，真空越高。但 m 越大时循环水泵及电动机容量越大，循环水管越粗，末级叶片因排汽比容增大而增大，电站投资增加，故设计时恰当的 m 值应在汽轮机组的 “冷端最佳参数选择 ”任

13、务中决定。一般 m 在 50120 之间，厂址和江河水面高差小时，取较大 m 值，这时循环水泵耗功增加不少，而提高真空较多。（h h ）是 1kg 排汽凝结时放出的汽化潜热，由于排汽有 10%左右的湿c度，故 h h 将比 1kg 干饱和蒸汽的凝结放热量少，只有 21402220kJ/kg 左右，取平均值，则t = （4.2.3）m187.4250可见t 主要决定于循环倍率 m，或者说当 D 一定时，主要决定于冷却水c量 D 。D 减少，t 增大，真空降低。D 主要决定于循环水泵容量和启动台w w数。然而冷却水量 D 也可能由于其他的原因而减少，例如，凝汽器被管板杂w草、木块、小鱼等堵塞；冷却

14、水管内侧结垢，流动阻力增大；循环水泵局部故障；循环水吸水井水位太低，吸不上时，都可能使冷却水量 减少，引起真空降低。3凝汽器传热端差 t计算 t 的公式可由传热方程等公式推导求得：Q=KA t (4.2.4)cm式中 K凝汽器的总体传热系数，蒸汽和冷却水之间的对数平均传热温差, 。mt Co可根据团 4.2.1 写出。由于空冷区传热面积 较小，故一般假设蒸汽凝结t aA温度 沿整个面积 不变，这时 为scAmt（4.2.5）12lnlnswswmt ttt将式（4.2.2） 、式（4.2.4）与式（4.2.5）联立解得t= （4.2.6）1t487wcDKAe式中各量的单位，D 为 t/h，A

15、 为 m2，K 为 kJ/( )。可见，传热端c 2hkg差 t 与 A 、K、Q、D 有关。设计时， Q 一定，D 主要根据 m 决定，K 只cww能按经验数值取定，因此只有增大 A ，才能减小 t 。增大 A 需要增大投资，c c故也要在汽轮机“冷端最佳参数选择”任务中决定。K 越大，t 越小，t 越小，s真空越高。凡影响 K 的因素，都将影响 t，从而也将影响 t 与 p 。sc二、凝汽器的最佳真空虽然提高真空可使汽轮机的理想比焓降增大，功率增大，但是无论从设计角度还是从运行角度来看，都不是真空越高越好。远行机组主要靠增大循环水量来提高真空。然面循环水泵是厂用电的大用户之一、耗电量占机组发电量的1 4、过分增大循环水量，可能使汽轮机真空提高而多发的电反而少于循:环水泵多耗的电，得不偿失。图 422 中曲线 l 是背压 降低时机组电功率cp增量 变化曲线，这是图 372 中的一条曲线。