《汽轮机原理》第04章01课件

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1、1,现代火电厂都用凝汽式汽轮机发电。因此，都具备凝汽设备。凝汽设备工作好坏，对火电厂的经济性影响很大。 第一节 凝汽系统的工作原理 一、凝汽设备的工作原理 1. 工作原理： 根据汽轮发电机组的热效率进行分析 其 中 ， - 整 机 理 想 焓 降 ； - 蒸 汽 初 焓 ； ( - ) - 为 每 kg 蒸 汽 在 锅 炉 中 的 吸 热 量 。 排汽焓； 给水焓。,第四章 汽轮机的凝汽系统及设备,2,分析上式：要提高效率，则提高理想焓降，即提高新蒸汽的初焓，降低排汽焓（压力）。本章只是讨论降低排汽焓值的问题。要降低排汽焓值，就得降低排汽压力。一般来说，排汽压力每降低2 kpa，循环热效率就可

2、以提高约3.5 %。所以，降低排汽压力对提高火电厂循环热效率是一个非常有效的措施。 而降低排汽压力的最有效的办法是：使排汽在密封容器中、在温度较低的条件下受到冷却而凝结成水，体积突然缩小（如在0.0049Mpa下，蒸汽比水的容积大28000倍）而形成真空。同时再用抽气器或者真空泵将漏入空气不断地抽出，保持真空。在凝结中生成的凝结水，经汇集以后，又重新送入锅炉作为给水，反复循环使用。这就是凝汽设备的工作原理。,3,2. 主要任务： （1）建立并维持高度真空，即降低排汽焓值，提高理想焓降，使蒸汽中 较多的热能转变为机械能。从热力学第二定律，完成动力循环需要一个冷源（循环冷却水），通过降低排汽压力、

3、温度，以提高循环热效率。 （2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水回收到锅炉作为给水。 （3）起热力除氧作用，除去凝结水中的气体，保证凝结水的品质。 （4）蓄水作用。（热井） 为了保证凝汽器正常工作，必须维持3个平衡： （1）热量平衡：排汽放出的热量等于冷却水（循环水泵）带走的热量； （2）质量平衡：汽轮机排汽量等于凝结水量（凝结水泵）。 （3）空气平衡：凝汽器和汽轮机低压部分漏气应等于抽气设备的抽气量。,4,3. 排汽压力的最佳值： 降低排汽焓值，提高理想焓降，可以提高效率。但不是排汽压力越低越好。这是因为： （1）当降低排汽压力，则比容v 增加，汽轮机排汽部分的尺寸增大，成本上升。而且制造困难，材

4、料也受到限制。 （2）当降低排汽压力，则比容v 增加，凝汽器的冷却面积增大，冷却水量增大，厂用电增大。 因此，对排汽压力和其他几个方面要作技术经济对比而定。一般，最佳排汽压力为 =0.002940.00686Mpa(0.030.07ata)，通常取0.005Mpa。,5,第二节 凝汽系统 一、水冷凝汽系统（图4-1）。 其主要设备有凝汽器、凝结水泵、抽气器、循环水泵等。 （1）汽轮机；（2）发电机； （3）凝汽器：使排汽在凝汽器3中不断地凝结成水，建立高度真空；将凝结时放出的热量排出、将生成的凝结水汇集送走； （4）循环水泵：为凝汽器提供冷却水； （5）凝结水泵：不断地把蒸汽凝结时生成的 凝结

5、水从凝汽器底部热井中抽出，并送 往给给水回热加热系统； （6）抽气器：抽出漏入凝汽器内的空气， 以维持高度真空。,图41,6,供水方式有直流供水方式和循环供水方式两种。 在直流供水系统中 ，电厂从河流上游取水，冷却水流经汽轮机凝汽器、冷油器和有关冷却器之后，排入河流下游。 水源为江河湖海的天然水。直流供水系统比较简单，投资少，运行费用低。我国南方的电厂，一般都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大的水库。 循环供水方式：需专门的冷却塔，冷却水则沿着联结凝汽器等有关装置的回路循环流动，取自水源的水只作为损失的补充水，故采用循环供水方式可以节约大量的水。 而北方的电厂，由于水源不足，多采用循环供水方式。,

6、7,二、空气冷却系统 （1）直接空气冷却系统： 用空气作为冷却工质的凝汽器用于空气直接冷却式凝汽系统，如图4-2 。汽轮机的排汽送到热交换器管束内直接凝结成水。热交换器管束外侧则利用强制通风带走蒸汽凝结时放出的汽化潜热。由于空气传热系数小、则要求冷却面积大。因此，这种空气直接冷却式凝汽器体积庞大，无法和普通凝汽器一样安装在汽轮机的下部，而是要远离汽轮机安装在厂房外面或厂房顶部。,因此，其汽轮机的排汽管道很长。这种空气直接冷却式凝汽系统，在世界上已有（德国）电厂采用，但我国目前还没有电厂采用。,8,（2）间接空气冷却系统：空气冷却式凝汽系统如图4-3所示。其主要设备有：混合式凝汽器、凝结水泵、循

7、环水泵、空气冷却塔、空气冷却器等。其中，空气冷却塔是一个巨大的建筑物，呈双曲旋转形，空气冷却器布置在空气冷却塔下部周围墙体上。利用高低压力差，将冷风通过空气冷却器吸入塔内，形成自然对流。由于流过空气冷却器的空气的自然对流，将循环水中的热量带走。循环水的温度在空气冷却器中得到降低之后，送入混合式凝汽器中去凝结汽轮机的排汽。这种空气冷却式凝 汽系统，设备、建筑费用高，但可以 节约大量的水。 我国山西大同第二发 电厂有两台200MW 汽轮发电机组用了 此系统 。,9,第二节 凝汽器,凝汽器有混合式和表面式凝汽器两大类。 一、混合式凝汽器 混合式凝汽器(图 44 )是使排汽在冷却水 中直接冷却而凝结成

8、水。在混合式凝汽器内，从 汽轮机中排出的乏汽直接与冷却水混合而得到凝 结。冷却水从安装在混合式凝汽器上部周 围的 喷嘴喷出，排汽由上部进汽口 进入，与冷却水混 合而得到凝结，凝结水与冷却水一起用水泵抽走。 不凝结的空气，用抽气器或者真空泵不断地抽出。 这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。,10,二、表面式凝汽器 在表面式凝汽器内，冷却工质与蒸汽由冷却表面隔开。根据冷却工质 不 同 ， 表 面 式 凝 汽 器 又 分 为 空 气 冷 却 和 水 冷 却 两 种 。 用水作为冷却工质的凝汽器简称为 表面式凝汽器。由于水的传热系数比空气大， 能保证凝汽器内维持高度真空和获得洁净的凝结水。因此

9、，国内外火电厂主要采用这种凝汽器。,11,1. 表面式凝汽器的结构 如 图4 -5 所 示，凝汽器的外壳通常钢板做成圆柱形、椭圆形或者方箱形。外壳两端连接着形成水室的端盖5和6，外壳内的两端又装有管板3，管板3上装有很多冷却管4。凝汽器内部空间被冷却管分隔成两部分：蒸汽空间（汽侧） 和冷却水空间（ 水侧 ） 。,2. 表面式凝汽器的流程 冷却水从进口11 进入水室8，通过冷却管流到另一端水室9，转向后，又经冷却管进入水室10，最后由出水口12排出。 这种 称为双流程凝汽器。 还有单流程、 三流程、 四流程 。 3. 凝结水 汽轮机的排汽进入凝汽器，在汽侧与冷却管接触而凝结成水。凝结水汇集到热井

10、16中， 由凝结水泵抽走并送到低压加热器。 4. 漏入空气的抽出 漏入凝汽器的空气，通过抽气口15由抽气器抽出。为了减少抽气器的负荷和回收热量， 使混有蒸汽的空气在经过一次冷却，使蒸汽凝结。 在凝汽器内专门设置有空气冷却区14。,12,由于汽轮机单机功率的增大，凝汽器的冷却面积也在增加，冷却管数目增多。大机组用多区域汽流向心式的凝汽器 。这种凝汽器的管束分成若干区域，平行布置在箱体内。每个管束区都有自己的空气冷却区，蒸汽从四周进入各区域。 各个空气冷却器的汽气混合物被引入到联通目管，由抽气器抽出。这种凝汽器的蒸汽通流面积大，汽阻小，凝结水能够得到充分回热。 国产 200 MW 汽轮机配用三壳体

11、表面式N- 11220-1型凝汽器。 冷却面积为3*3740=11220 ，冷却管数为3*5667=17001 根 。 国产300 MW 汽轮机的凝汽器为 N-17650型 单壳体、对分、双流程表面式凝汽器。冷却面积为17650 ， 冷却管数为9758*2 根 。,13,14,15,三、凝汽器内蒸汽的凝结过程 蒸汽在凝汽器内的凝结过程是由汽态向液态转变过程。当蒸汽被冷却到低压对应的饱和温度时，遇到冷却面，会产生珠状凝结和膜状凝结过程。其中，珠状凝结过程很难发生，主要是膜状凝结过程。 在膜状凝结过程中，冷却水管表面完全被凝结液覆盖，形成液膜，蒸汽与管壁热交换要通过液膜进行。 蒸汽在凝汽器内的凝结

12、过程是一个复杂的热交换过程，其影响因素很多： （1）凝汽器内冷却水管布置排列方式。有三角形排列、正方形排列、幅向排列（图4-6）。排列方式不同，传热系数就不同。 （2）凝汽器内蒸汽的流动速度。蒸汽的流动速度增加，凝结管壁上的液膜变薄，并出现局部紊流，使蒸汽凝结传热系数增大。 （3）凝汽器内空气含量。随着蒸汽由进口导空气区流动，空气份额逐步增加。在凝结管壁上的液膜上形成一层空气膜，热阻增加，使蒸汽凝结传热系数下降。,16,考虑以上因素，在蒸汽凝结理论指导下，通过试验得到总的平均传热系数k的经验公式。各国各制造厂家的计算公式都考虑了冷却水管壁的清洁度、冷却水流速、冷却水进口温度、蒸汽负荷率、管径及

13、管材等。 美国传热学会公式 美国传热学会颁布的表面式凝汽器标准中规定凝汽器总体传热系数k为：,图4-6,17,（4-1）,（4-2）,式中参数见P90说明。 前苏热工研究院公式 前苏热工研究院提出凝汽器总体传热系数k公式,(4-3),式中有关符号见P91。,18,四、凝汽器内压力的确定 凝汽器内的热平衡，排汽放出热量等于冷却水温度升高带走的热量。也就是通过冷却水管表面传热量，即,（4-7）,式中： 进入凝汽器的凝汽量，t/h； 为排汽焓值，KJ/kg； 为凝结水焓值， KJ/kg ； 冷却水量，t/h： 为水的定压比热，在常温 ； 冷却水进口温度， ； 冷却水出口温度， ； 冷却水管外表总面积

14、， ； 为从蒸汽到冷却水总传热系 ； 为从蒸汽到冷却水平均传热温差， 。,19,图4-9为凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却表面积的变化情况。 曲线1表示凝汽器中蒸汽凝结温度 的变化，可以看出：在主凝结区， 沿冷却表面积基本不变，到了空气区，空气含量大量增加，这时的蒸汽分 压明显低于凝汽器内压力 ， 相对应的饱和温度 明显下降。曲线2表示冷却水沿冷却表面积从进口温度 逐步到出口温度 的变化情况，其温升 。蒸汽凝结温度 与冷却水出口温度 之传热端差， 。,图4-9,20,（一）凝汽器内压力的确定 当蒸汽处于饱和状态时，其压力与温度是一一对应的。所以，凝汽器内压力取决于蒸汽凝结温度。为了求得凝汽器内

15、压力，就得先求出排汽温度。排汽温度的高低取决于冷却水的进口温度、冷却水的温升和传热端差。 凝汽器内的压力 可根据相应的饱和温度求得，而排汽温度可表示为： （ 4-8 ） 其 中 ， - 冷却水的进口温度 ； - 冷却水的温升， ； -传热端差， 。 只要求得了温度 之 值，就可以从水蒸汽表中查得相对应的压力 ，也就确定了凝汽器内的压力 。,21,影响凝汽器内的压力 的主要因素有： 1. 冷却水的进口温度 冷却水的进口温度取决于电厂所在的地理位置、季节和供水方式。电厂供水方式有直流供水方式和循环供水方式两种。 在直流供水系统中 ，电厂从河流上游取水，冷却水流经汽轮机凝汽器、冷油器和有关冷却器之后

16、，排入河流下游。 采用循环供水方式时 ，冷却水则沿着联结凝汽器等有关装置的回路循环流动，取自水源的水只作为损失的补充水，故采用循环供水方式可以节约大量的水。 直流供水系统比较简单，投资少，运行费用低。我国南方的电厂，一般都建在沿江、沿河、沿海岸或者沿大的水库。而北方的电厂，由于水源不足，多采用循环供水方式。,22,2. 冷却水的温升 冷却水的温升 可根据凝汽器的热平衡方程式求出： 从 而 ， ( 4-9 ) 上 二 式 中 ， -进入凝汽器的凝汽量 （ kg / h ) ； - 进入凝汽器的冷却水量（ kg / h ) ； - 排汽焓值和凝结水焓值 （ kJ / kg )； - 冷却水进、出口焓值(kJ / kg ) 。