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1、1,汽轮机原理Steam Turbine Principle北京交通大学机电学院 2011年,2,第六章 汽轮机凝汽设备及系统,凝汽设备的工作原理、任务和类型 凝汽器的真空与传热 凝汽器的管束布置与真空除氧 抽气器 凝汽器的变工况 多压式凝汽器 空冷凝汽器,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,排汽压力（排汽温度）,循环热效率,凝汽器真空提高1%,机组各经济指标约提高1%,国产引进型300MW机组平均供电煤耗345g标煤/kWh：真空提高0.2kPa,供电煤耗降低0.7g标煤,供电煤耗降低1%,以水为冷却介质的凝汽设备:凝汽器、抽气器、循环水泵和凝结水泵以及它们
2、之间的连接管道、阀门。,开式水系统图,作用,冷端放热、回收工质：在朗肯循环中，起到冷端放热、将排汽凝成水。 建立、维持真空：在汽轮机的尾部建立并维持尽可能高的真空，增大机组的理想焓降，提高蒸汽循环热效率。 热力除氧、改善凝水品质：借助热力物理分解方法除去凝结水的氧气，提高凝水品质、防止加热器、锅炉设备的氧腐蚀。,分类,混合式,表面式,冷却介质与蒸汽混合,冷却介质与蒸汽由换热面隔开,按冷却介质分,空冷,水冷,北方严重缺水地区 山西 内蒙 富煤缺水冷却系统本身节水97 以上，全厂性节水约65。,真空值优于空冷、一次投资较小， 耗水量大 应用广泛,按压力分：,按冷却介质流程分：,单流程,占总换热面积
3、的5%-10%，冷却抽气口抽出的汽气混合物，减小容积流量，减轻抽气器负荷，减少工质损失,蒸汽和水的温度沿冷却表面的分布,传热端差,主凝结区的凝结温度,主凝结区：,第二节 凝汽器的真空与传热,一、 凝汽器内压力 的确定,二、影响凝汽器内压力的三个因素, 冷却水进口温度,季节与气候（主要因素）,晾水塔的冷却效果, 冷却水温升,m=50120,一般原则：,运行时：寻求最佳真空, 凝汽器传热端差,影响 的主要因素,设计时,运行时,冷却面积Ac,杂物堵塞，人为堵塞(铜管泄漏后),传热系数K,将冷却水管的圆筒形管壁传热近似看成平壁 传热，则传热系数为：,式中：,-水侧放热系数,-蒸汽空气混合物向冷却水管壁
4、放热的热阻,-蒸汽空气混合物向冷却水管壁放热的放热系数,-管壁本身热阻,-管内壁到冷却水的放热热阻,-凝汽器总热阻,管表面附近不凝结气体聚积形成气膜阻碍 蒸汽的凝结放热，进一步加大热阻,影响汽侧放热热阻的因素：,水膜厚度,气膜厚度,：厚度受凝结量和管束排列影响，水膜内外可能有1.36.7的温差,（凝汽器严密性变差， 抽气器工作性能 恶化使汽膜增厚）,影响管壁热阻的因素：,管壁厚度,材料导热系数,尽量采用导热性能优良的铜,对耐腐蚀有较高要求时可选用钛管或不锈钢管,管内结垢,1-二次滤网；2-反冲洗蝶阀；3-注球管；4-凝汽器；5-胶球；6-收球网；7-胶球泵；8-加球室,流速（主要因素）,对流传
5、热,循环水泵功耗 铜管冲刷严重,影响水侧热阻的因素：,最佳水速：1.52.0m /s,实际传热系数的计算,经验公式或经验图表,HEI 公式,未修正传热系数，与流速的平方根及 管径有关,冷却水温度修正系数,冷却管材料修正系数,清洁系数,在HEI表面式凝汽器标准中，分别给出了这些修正系数的图、表。此式表明，影响凝汽器的传热特性的主要因素是流速、冷却管的直径、冷却管材料特性和传热面的清洁程度。,别尔曼(前苏)公式,清洁程度修正系数,流速与管径修正系数,冷却水进口温度修正系数,冷却水流程修正系数,负荷修正系数,三、空气的危害,凝汽器的空气来源：,危害：,管表面附近聚积形成气膜阻碍了蒸汽的凝结放热,凝结
6、水过冷度增大,过冷现象:凝水温度低于凝汽器入口蒸汽温度的现象。,所低的度数称为过冷度,危害,过冷度是否变化作为初步分析真空下降原因判据,真空下降伴随过冷度增大,真空下降，但无 过冷度增大,第三节 凝汽器的管束布置和真空除氧,一、凝汽器的管束布置,基本排列方法,凝汽器管束布置的要求,组装中的凝汽器隔板,组装中的凝汽器外壳,组装中的凝汽器隔板,二、真空除氧,凝结水含氧量大,加设鼓泡除氧启动、低负荷其他非正常工况投入,加热蒸汽鼓泡通入热井，混合加热凝结水至饱和温度，放出不凝结气体,第四节 抽气器,作用：,类型：,逐步取代射水抽气器,母管制机组,单元制机组,一、 射汽抽气器,压缩后的汽气混合物,射汽抽
7、气器汽源,节流降压的主蒸汽,或除氧器汽平衡管工作蒸汽,二、 射水抽气器,压力水在喷嘴中降压增速， 水射流形成高度真空抽吸 气汽混合物，在混合室中 牵连不凝结气体运动。水 射流达到一定行程后发生 破碎，与不凝结气体产生 碰撞与强烈的动量交换， 压缩升压，然后利用水柱 自重对其进一步压缩。,不能回收工质,三、水环式真空泵,第五节 凝汽器的变工况,凝汽器压力随蒸汽负荷 、冷却水量 、冷却水进口温度 等变化的规律称为凝汽器的变工况。,一、主要因素改变对凝汽器压力的影响,不变,1 变工况下 的变化规律,改变,变工况下 的变化规律,运行凝汽器,Ac不变,若K也不变,比蒸汽负荷,实验结果,较大，负荷较高时,
8、较小，负 荷较低时,基本不变,变工况下 的确定,1)任意选定冷却水进口温度tw1值及某个蒸汽负荷Dc； 2)在冷却水量Dw不变的条件下，由式t=Dc求得t,凝汽器的特性曲线是根据不同的Dc、tw1和Dw，由t和t随Dc的变化规律，求得相应的t和 ，最终求得pc，具体计算步骤如下：,一定,由不同的,曲线图,改变,3)求出对应于Dw下的冷却水流速cw，即cw= Dw/3.6nzA内径水其中，一道水流程中的管子数nz=n/z，n为凝汽器内管子总数，z为水流程数； 4)求出总体传热系数K14650wtzd； 5)由式ts=tw1+t+ 求得凝汽器内蒸汽凝结温度ts，进而可得相对应的饱和压力ps；即为凝
9、汽器内的压力pc； 6)在冷却水量Dw不变的条件下，在同一个冷却水进口温度tw1下，由不同的蒸汽负荷Dc，根据上列步骤，就可求得相应的不同的凝汽器压力pc，得到图中某一根曲线；,7)在不改变冷却水量Dw的条件下，按另一个tw1，对应于不同的Dc，求出相应的pc依此类推，即可得到如图所示在某个冷却水量Dw下，在不同的冷却水进口温度tw1下，一组蒸汽负荷与凝汽器内压力pc之间的关系。 8)在不同的冷却水量Dw下，重复上列步骤就可得到多幅pcf(Dw、tw1、Dc)关系曲线。,第六节 多压凝汽器,原理：温差传热产生不可逆损失。由凝汽器的换热过程知，换热温差差异较大。要减少不可逆损失，必须减小传热温差
10、。理想的过程如等温差，即凝结温度随换热过程而变，亦即凝汽器压力是连续变化的。,一、多压凝汽器,优点： 在一定条件下，多压凝汽器的平均折合压力比单压式的低，平均凝汽温度降低，亦即降低平均凝汽器真空。 利用高压凝汽器的高温凝结水加热低压凝汽器的低温凝结水，减少低压加热器抽汽量，减小发电热耗率。,缺点：系统复杂，增大水阻。,多压式凝汽器更适用于气 温高的地区(tw1高)、缺 水地区(m小) 。,汽室隔板上冷却水管孔处的漏汽问题 凝结水的过冷问题,49,第七节 空冷技术,50,1. 空冷技术概述 为解决在“富煤缺水”地区建设新厂，汽轮机凝汽系统采用空气冷却系统。,一、空冷技术概述与发展,采用空冷系统的
11、发电厂称作空冷电厂，其发电技术也称作空冷发电技术。 空冷汽轮机相对常规湿冷汽轮机而言，主要区别在于其尾部排汽冷却所采用的冷却方式不同，引起尾部运行参数的变化，从而导致汽轮机结构等设计必须改变。空冷系统（干冷系统）：利用空气直接或间接冷却空冷汽轮机排汽的主要设备，装置及其附件等完整组合的总称。,51,2. 空冷技术发展电站空冷系统的应用已有半个世纪，德国在世界空冷技术发展中占有较重要的地位。,1939年德国首开在火电机组上应用空冷技术的先河，建造投运了世界上第一台1.5MW直接空冷机组。,1962年英国投运了世界上第一台120MW混合式间接 （海勒）空冷机组。,1985 年德国投运了世界上第一台
12、300MW表面式间接（哈蒙）空冷机组。,目前，投运的容量最大的空冷机组为南非Matimba电站的665MW（直接空冷）机组和南非Kendal电站665MW（表面式间接空冷）机组。,52,近20年来，美国、南非等国的365MW、665MW和686 MW空冷机组采用直接空冷系统或带表面式凝汽器间接空冷系统。,近5年来，空冷机组在西亚伊朗等国得到迅速发展，大多采用海勒式空冷系统（带混合式凝汽器间接空冷系统）或直接空冷系统。,目前世界上已运行及正建造的空冷机组总容量约40000MW。单机容量从1MW直至700MW，己投运的单机容量在l00MW及以上的空冷机组约80余台。,1966年在哈尔滨工业大学试验
13、电站的50KW机组上首先进行了直接空冷系统的试验。,1967年在山西侯马电厂的1.5MW机组上又进行了工业性直接空冷系统的试验。,1987年和1988年，山西大同第二发电厂的两台200MW机组首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统。,进入80年代以后，庆阳石化总厂自备电站3MW机组投运了直接空冷系统。,54,宁夏灵武电厂21000MW空冷机组可行性研究报告已通过审查，工程投资约72亿元（单位造价3600元/kW）计划于2011年全部建成投运。,1994年，太原第二热电厂安装的2200MW机组是表面式凝汽器间接空冷系统。,国产200MW机组直接空冷机组已在云冈发电有限公司投入运行，大同二电厂二期2
14、台600MW机组，漳山2台300MW机组，古交2台300MW机组，塔山4台50MW机组全都相继采用了直接空冷技术,55,应用领域,燃煤火力发电厂,燃气-蒸汽循环电站,垃圾电站,工业企业自备电站,56,二、空冷系统分类及特点,直接空冷系统,间接空冷系统,表面式凝汽器间接空冷系统（哈蒙式）,混合式凝汽器间接空冷系统（海勒式）,1. 海勒式间接空冷系统,空冷系统,海勒式空冷机组原则性汽水系统,58,海勒式间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成。系统中的冷却水都是高纯度的中性水（PH=6.87.2）。,受热后的冷却水,大部 分水,小部分水,空冷塔散热器,汽轮机回热系统,冷却水循环
15、泵,凝结水精处理装置,喷射式凝汽器,换热、冷却,调压水轮机,调压水轮机两个功能：通过调节水轮机导叶开度来调节喷射式凝汽器喷嘴前的水压，保证形成微薄且均匀垂直水膜，减少排气通道阻力，使冷却水与排气充分接触换热。回收能量，减少冷却水循环的功率消耗。,59,优点：以微正压的低压水系统运行，可与中背压汽轮机匹配；冷却系统消耗动力稍低，厂用电稍少，约为90%；基建投资中等，为120%；占地面积中等，为156%。 缺点：铝制空冷散热器耐冲洗、耐抗冻性能差；空冷散热器在塔外布置，易受大风影响其带负荷能力；设备系统复杂,60,2. 哈蒙式间接空冷系统,空冷系统,哈蒙式空冷机组原则性汽水系统,61,主要由表面式
16、凝汽器和空冷塔构成。该系统与常规湿冷系统基本相仿。,不同之处,62,优点：节约厂用电，设备少，冷却水系统与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制；冷却水量可根据季节调整，在高寒地区，冷却水系统中可充以防冻液防冻；空冷散热器在塔内布置，其带负荷能力基本上不受大风影响缺点：空冷塔占地大，基建投资多，约为126%；发电煤耗多，约为105%；系统中需要进行两次换热，且都属于表面式换热，使全厂换热效率有所降低。,3. 直接空冷系统,直接空冷机组原则性汽水系统,空冷系统,直接空冷系统又称空气冷却系统，即用空气直接冷却汽轮机排汽，空气与排汽之间进行热交换。直接空冷系统所需要的冷却空气，通常直接由机械通风方式供应。,直接空冷系统的流程为：汽轮机排汽首先经过粗大的主排汽管道进入蒸汽分配管，然后被送到室外的空冷散热器内；汽轮机的排汽被空气冷却后形成的凝结水经汇集管道进入凝结水总管，流入凝结水箱，由凝结水泵打出供给锅炉。环境中的冷空气被轴流风机加压后横向吹向空冷散热器，冷空气吸收了热量后变成热空气，之后经空冷散热器散发到环境中。,
