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1、Ch4 汽轮机凝汽设备及系统1本章内容概述本章内容概述v4.1 汽轮机凝汽设备及系统汽轮机凝汽设备及系统凝汽系统的作用、原理与组成凝汽系统的作用、原理与组成凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性多压凝汽器多压凝汽器抽气设备抽气设备v4.2 发电厂空冷系统发电厂空冷系统发电厂空冷系统类型发电厂空冷系统类型设计背压及主要设计参数设计背压及主要设计参数变工况运行特点及要求变工况运行特点及要求24.1.1 凝汽系统的作用、原理与组成凝汽系统的作用、原理与组成v作用与功能作用与功能冷端放热、回收工质冷端放热、回收工质 朗肯循环中，冷端放热、凝结排汽朗肯循环中，冷端放
2、热、凝结排汽建立、维持真空建立、维持真空 汽轮机尾部建立并维持真空，增大机汽轮机尾部建立并维持真空，增大机组理想焓降组理想焓降热力除氧、改善凝水品质热力除氧、改善凝水品质 热力物理分解除去凝水及补热力物理分解除去凝水及补水中的氧气，防止加热器及锅炉的氧腐蚀水中的氧气，防止加热器及锅炉的氧腐蚀v 原理原理 在汽、水共存体系中，压力决定于汽、水热力平衡温度，在汽、水共存体系中，压力决定于汽、水热力平衡温度，即该温度对应的汽、水饱和压力即该温度对应的汽、水饱和压力凝汽器为开口系统，进入的蒸汽量与排出的凝水量保持凝汽器为开口系统，进入的蒸汽量与排出的凝水量保持平衡，汽、水空间的分界面稳定，为准封闭系统
3、，其压平衡，汽、水空间的分界面稳定，为准封闭系统，其压力同样决定于力同样决定于汽、水热力平衡温度汽、水热力平衡温度34.1.1 凝汽系统的作用、原理与组成凝汽系统的作用、原理与组成v凝汽系统的组成凝汽系统的组成 凝汽器、循环水泵与循环水系统、凝结水泵、抽气器等凝汽器、循环水泵与循环水系统、凝结水泵、抽气器等组成。组成。v凝汽器凝汽器 将蒸汽凝结成水的大型换热器，有表面式将蒸汽凝结成水的大型换热器，有表面式和混合式两种。和混合式两种。冷却介质冷却介质 水和空气水和空气型式型式 水冷管、壳表面式，空冷管膜式水冷管、壳表面式，空冷管膜式管、壳表面式管、壳表面式 水在管侧，单流程或多流程，汽在壳侧水在
4、管侧，单流程或多流程，汽在壳侧44.1.1 凝汽系统的作用、原理与组成凝汽系统的作用、原理与组成v循环水系统循环水系统 水源、循环水泵、管道等，循环水泵水源、循环水泵、管道等，循环水泵泵送冷却水，输运蒸汽释放的汽化潜热泵送冷却水，输运蒸汽释放的汽化潜热开式循环开式循环 江、河、湖、海为水源，冷却水单次使用江、河、湖、海为水源，冷却水单次使用闭式循环闭式循环 冷却塔为冷源，冷却水循环多次使用冷却塔为冷源，冷却水循环多次使用v凝结水泵凝结水泵 抽送凝结水至低压加热器，维持凝汽器热抽送凝结水至低压加热器，维持凝汽器热井水位井水位v抽气器抽气器 抽排凝结释放和漏入的不凝结气体，保证凝抽排凝结释放和漏入
5、的不凝结气体，保证凝结传热面良好的凝结换热条件结传热面良好的凝结换热条件型式型式 射汽抽气器、射水抽气器、水环真空泵、列勃兰式射汽抽气器、射水抽气器、水环真空泵、列勃兰式54.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v凝汽器内压力凝汽器内压力总压与分压总压与分压 不凝结气体和蒸汽组成的多组分气体不凝结气体和蒸汽组成的多组分气体道尔顿定律：道尔顿定律：总压力为组成气体分压力之和总压力为组成气体分压力之和 当排汽干度为当排汽干度为 、流量、流量 时，在相同介质温度下时，在相同介质温度下凝凝汽汽器器内内不不凝凝结结气气体体份份额额很很小小，故故蒸蒸汽汽分分压压力力占占主主导导地位，凝汽器
6、的压力决定于蒸汽温度地位，凝汽器的压力决定于蒸汽温度!64.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v传热过程与凝汽器压力的确定传热过程与凝汽器压力的确定传热过程传热过程传热端传热端差差冷却水温冷却水温升升过冷度过冷度74.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v热量输运与冷却水温升热量输运与冷却水温升 蒸汽的放热被冷却蒸汽的放热被冷却水吸收水吸收热量输运热量输运 循环倍率循环倍率 冷却循环水的流量与蒸汽量的比冷却循环水的流量与蒸汽量的比v增大增大m，减小温升，降低凝汽器压力，但增大泵耗。，减小温升，降低凝汽器压力，但增大泵耗。开式循环开式循环60左右，闭式循环左右，
7、闭式循环50左右左右84.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v传热方程传热方程 传热过程传热过程 管外凝结放热、管壁导热、管内污垢管外凝结放热、管壁导热、管内污垢导热和冷却水的对流传热。采用集总参数模型导热和冷却水的对流传热。采用集总参数模型传热方程传热方程 对数平均集总参数模型对数平均集总参数模型对数平均温度对数平均温度94.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v传热系数传热系数HEI 公式公式 ：未修正传热系数，与流速的平方根及管径有关：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：冷却水温度修正系数 ：冷却管材料修正系数：冷却管材料修正
8、系数 ：清洁系数：清洁系数* HEI表面式凝汽器标准中，给出了这些修正系数的表面式凝汽器标准中，给出了这些修正系数的 图、表图、表104.1.2 凝汽器压力及其影响因素凝汽器压力及其影响因素v别尔曼别尔曼(前苏联前苏联)公式公式 ：冷却管材料修正系数：冷却管材料修正系数 ：负荷修正系数：负荷修正系数 ：冷却水温修正系数：冷却水温修正系数 ：流速与管径修正系数：流速与管径修正系数 ：清洁系数：清洁系数114.1.3 影响凝汽器压力的因素影响凝汽器压力的因素v冷却水进口温度冷却水进口温度 决定于环境条件和冷却设备特性决定于环境条件和冷却设备特性v水源水源 江、河、湖、海，深海水江、河、湖、海，深海
9、水v冷却塔冷却塔 空气干度、风，冷却负荷空气干度、风，冷却负荷v冷却水量冷却水量 冷却水量大，温升小，凝汽器压力低，但循环水泵功耗大冷却水量大，温升小，凝汽器压力低，但循环水泵功耗大 v传热性能传热性能汽侧汽侧 管束排列，不凝结气体，传热表面，结垢管束排列，不凝结气体，传热表面，结垢管壁管壁 冷却管材料，铜管、不锈钢、钛管冷却管材料，铜管、不锈钢、钛管水侧水侧 结垢结垢 盐类、污泥和腐蚀物等物理垢，藻类、贝壳盐类、污泥和腐蚀物等物理垢，藻类、贝壳等生物垢。防垢，清洗（等生物垢。防垢，清洗（凝汽器胶球系统凝汽器胶球系统 ）对流传热对流传热 冷却水流速、水温。强化传热冷却水流速、水温。强化传热凝汽
10、器热阻分布凝汽器热阻分布124.1.4 凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性v凝汽器的运行性能指标凝汽器的运行性能指标压力压力 汽器传热管上部的绝对凝压力汽器传热管上部的绝对凝压力冷却水温升冷却水温升 凝汽器凝汽器循环冷却水进、出口温差循环冷却水进、出口温差端差端差 凝汽器压力对应的蒸汽饱和温度与冷却水出口温凝汽器压力对应的蒸汽饱和温度与冷却水出口温度的差度的差过冷度过冷度 凝汽器压力对应的蒸汽饱和温度与热井中凝结凝汽器压力对应的蒸汽饱和温度与热井中凝结水的温差水的温差凝结水含氧量凝结水含氧量 凝结水中含氧量凝结水中含氧量汽阻汽阻 凝汽器喉部与抽气口间的压差凝汽器喉部与抽气口间的压差水阻水阻 循环
11、冷却水在凝汽器内循环水通道所受的阻力循环冷却水在凝汽器内循环水通道所受的阻力v凝汽器的运行特性（变工况）凝汽器的运行特性（变工况）运行特性运行特性凝汽器压力与机组负荷、冷却水量、冷却水凝汽器压力与机组负荷、冷却水量、冷却水进口温度的对应关系进口温度的对应关系134.1.4 凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性v运行特性分析运行特性分析最佳真空、极限真空最佳真空、极限真空最佳最佳(或经济或经济)真空真空 当循环水泵的功耗增大量与机组有当循环水泵的功耗增大量与机组有效出力增多量相等时，对应的真空即为最佳效出力增多量相等时，对应的真空即为最佳(或经济或经济)真真空空极限真空极限真空 循环水进口温度所对应
12、的蒸汽饱和压力为极限循环水进口温度所对应的蒸汽饱和压力为极限真空真空最大有效真空最大有效真空 末级动叶达到极限膨胀时所对应的真空为末级动叶达到极限膨胀时所对应的真空为最大有效真空最大有效真空144.1.4 凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性v汽阻汽阻 由于抽汽设备容量的限制，在凝汽器真空系统漏入空气量增多时，汽由于抽汽设备容量的限制，在凝汽器真空系统漏入空气量增多时，汽阻就会增大，从而使凝汽器的真空下降。阻就会增大，从而使凝汽器的真空下降。汽阻的增大，抽气能力下降，引起凝结水过冷度增大、凝水的含氧量汽阻的增大，抽气能力下降，引起凝结水过冷度增大、凝水的含氧量提高。提高。在漏入空气量增多时，应相应
13、地增大抽气设备的出力，保持凝汽器的在漏入空气量增多时，应相应地增大抽气设备的出力，保持凝汽器的正常真空，并使凝水的过冷度及含氧量控制在合理的范围内。正常真空，并使凝水的过冷度及含氧量控制在合理的范围内。v水阻水阻 水阻是指冷却水在凝汽器内循环通道中受到的阻力。增大水阻，循环水阻是指冷却水在凝汽器内循环通道中受到的阻力。增大水阻，循环水泵的功耗就要加大，厂用电增多。水泵的功耗就要加大，厂用电增多。在水泵压头一定时，水阻增大将使凝汽器冷却管中的水速减小，导致在水泵压头一定时，水阻增大将使凝汽器冷却管中的水速减小，导致传热系数减小、冷却水的温升提高，凝汽器的真空下降。传热系数减小、冷却水的温升提高，
14、凝汽器的真空下降。水阻增大的原因主要是冷却水通道及冷却管壁的结垢。在循环水泵性水阻增大的原因主要是冷却水通道及冷却管壁的结垢。在循环水泵性能退化时，同样功耗下压头减小，也使凝汽器真空下降。能退化时，同样功耗下压头减小，也使凝汽器真空下降。154.1.4 凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性v凝结水过冷凝结水过冷 危害：增大低加吸热量和凝水含氧量危害：增大低加吸热量和凝水含氧量。诱因主要是：诱因主要是：冷却管外水膜冷却管外水膜 水膜的导热温差，使贴近管壁的凝水温水膜的导热温差，使贴近管壁的凝水温度低于对应压力下的饱和温度，即产生过冷。度低于对应压力下的饱和温度，即产生过冷。汽阻过大汽阻过大 冷却管布
15、置不合理，造成凝水飞溅、不凝结冷却管布置不合理，造成凝水飞溅、不凝结气体流道复杂而汽阻增大，使主凝区后部的压力低于凝气体流道复杂而汽阻增大，使主凝区后部的压力低于凝汽器喉部处压力，造成凝结水过冷。汽器喉部处压力，造成凝结水过冷。漏入空气量增多漏入空气量增多 漏入空气量增多时，一方面加大冷却漏入空气量增多时，一方面加大冷却管外表面的空气分压力，蒸汽分压力下降，凝结水温度管外表面的空气分压力，蒸汽分压力下降，凝结水温度降低；另一方面汽阻增大、空气冷却区扩大，引起凝结降低；另一方面汽阻增大、空气冷却区扩大，引起凝结水过冷。水过冷。热井水位过高淹没部分冷却管热井水位过高淹没部分冷却管 热井水位过高，凝
16、结水热井水位过高，凝结水淹没部分冷却管，凝结水直接被循环冷却水冷却。淹没部分冷却管，凝结水直接被循环冷却水冷却。164.1.4 凝汽器的运行特性凝汽器的运行特性v减小凝结水过冷的措施减小凝结水过冷的措施减小水膜厚度，尽可能实现珠状凝结，如管外采用特殊减小水膜厚度，尽可能实现珠状凝结，如管外采用特殊膜处理。膜处理。合理布置管束和蒸汽、不凝结气体流道，减小汽阻。合理布置管束和蒸汽、不凝结气体流道，减小汽阻。查漏、堵漏，减少空气漏入量。查漏、堵漏，减少空气漏入量。组织汽流对凝结水进行加热和热力除氧。组织汽流对凝结水进行加热和热力除氧。加强运行监测，避免热井高水位运行。加强运行监测，避免热井高水位运行
17、。v凝汽器的运行监测凝汽器的运行监测凝汽器的运行监测着重分析循环水进口温度、循环水出凝汽器的运行监测着重分析循环水进口温度、循环水出口温度、凝汽器喉部压力对应的饱和温度和热井中凝水口温度、凝汽器喉部压力对应的饱和温度和热井中凝水温度。即监测、分析循环水温升、传热端差和凝结水过温度。即监测、分析循环水温升、传热端差和凝结水过冷度。冷度。174.1.5 多压凝汽器多压凝汽器v原理原理 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。温差差异较大。要减少不可逆损失，必须减小传热温差。理想的过程如等温
18、差，即凝结温度随换热过程而变，亦即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。这就是采用多压凝汽器的基本凝汽器压力是连续变化的。这就是采用多压凝汽器的基本原理。原理。v优点优点 一是降低平均凝汽温度，亦即降低平均凝汽器真空。一是降低平均凝汽温度，亦即降低平均凝汽器真空。二是利用高压凝汽器的高温凝结水加热低压凝汽器的低温二是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，减少低压加热器吸热量。凝结水，减少低压加热器吸热量。v缺点缺点 系统复杂，增大水阻。系统复杂，增大水阻。184.1.6 抽气设备抽气设备v抽气设备的作用抽气设备的作用 抽取凝汽器汽侧空间的不凝
19、结气体，以保持汽侧良好的传热状态和凝汽抽取凝汽器汽侧空间的不凝结气体，以保持汽侧良好的传热状态和凝汽器真空。抽气器工作正常与否对凝汽器压力影响很大。器真空。抽气器工作正常与否对凝汽器压力影响很大。v抽气设备抽气设备 汽轮机的抽气设备有主抽气器、启动抽气器和水室抽气器。主要采用射汽轮机的抽气设备有主抽气器、启动抽气器和水室抽气器。主要采用射流式抽气器和机械真空泵两种型式。流式抽气器和机械真空泵两种型式。射流式有射汽抽气器和射水抽气器；机械真空泵有水环式和水叶片式。射流式有射汽抽气器和射水抽气器；机械真空泵有水环式和水叶片式。v射流式抽气器射流式抽气器射汽抽气器射汽抽气器 以蒸汽为动力。具有一定压
20、力和温度的蒸汽在喷嘴中降压以蒸汽为动力。具有一定压力和温度的蒸汽在喷嘴中降压增速，出口达到超音速，在混合室中吸附凝汽器中的不凝结气体，并发增速，出口达到超音速，在混合室中吸附凝汽器中的不凝结气体，并发生动量交换，然后在扩压管中降速增压排出。由于抽气器的绝热压缩效生动量交换，然后在扩压管中降速增压排出。由于抽气器的绝热压缩效率反比于压比，故射汽器抽气器通常采用多级。率反比于压比，故射汽器抽气器通常采用多级。射水抽气器射水抽气器 以压力水为动力。压力水在喷嘴中降压增速，形成水射流，以压力水为动力。压力水在喷嘴中降压增速，形成水射流，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，与在混
21、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，然后利用水柱对其不凝结气体产生碰撞与强烈的动量交换，压缩升压，然后利用水柱对其进一步压缩。为提高射水抽气器的效率，要求喷嘴距离水面高度应大于进一步压缩。为提高射水抽气器的效率，要求喷嘴距离水面高度应大于水射流破碎长度，这就是长喉管射水抽气器的工作原理。水射流破碎长度，这就是长喉管射水抽气器的工作原理。194.1.6 抽气设备抽气设备v水环真空泵水环真空泵 置于水室中的偏心叶置于水室中的偏心叶轮，旋转时产生与水轮，旋转时产生与水室同心的水环，利用室同心的水环，利用叶片与水环间空间容叶片与水环间
22、空间容积随转子旋转一周由积随转子旋转一周由小变大和由大变小的小变大和由大变小的变化，完成吸气、压变化，完成吸气、压缩。水环真空泵的效缩。水环真空泵的效率约为高效射水抽气率约为高效射水抽气器的器的2倍。故新建机组倍。故新建机组主要采用水环真空泵。主要采用水环真空泵。204.2.1 发电厂空冷系统类型发电厂空冷系统类型v空冷系统类型空冷系统类型三种：直接空冷系统、带混合式凝汽器的间接空冷系统、三种：直接空冷系统、带混合式凝汽器的间接空冷系统、表面式凝汽器的间接空冷系统表面式凝汽器的间接空冷系统 。v直接空冷系统直接空冷系统工作过程：排汽直接用空气来冷凝，表面式换热。工作过程：排汽直接用空气来冷凝，
23、表面式换热。优点：设备少、系统简单、投资、占地少；优点：设备少、系统简单、投资、占地少；缺点：粗大的排汽管道密封困难，真空难以维持、启动时缺点：粗大的排汽管道密封困难，真空难以维持、启动时建立真空花费时间长。建立真空花费时间长。v混合式间接空冷系统混合式间接空冷系统工作过程：中性冷却水和排汽混合，受热后，大部分去空工作过程：中性冷却水和排汽混合，受热后，大部分去空冷塔散热器，冷却后送至喷射式凝汽器循环使用。冷塔散热器，冷却后送至喷射式凝汽器循环使用。优点：以微正压的低压水运行，易掌握。优点：以微正压的低压水运行，易掌握。缺点：设备多、系统复杂、控制系统复杂、散热器防冻性缺点：设备多、系统复杂、
24、控制系统复杂、散热器防冻性能差等。能差等。214.2.1 发电厂空冷系统类型发电厂空冷系统类型v表面式凝汽器的间接空冷系统表面式凝汽器的间接空冷系统工作过程：与常规湿冷类似，不同之处为利用空工作过程：与常规湿冷类似，不同之处为利用空冷塔取代湿冷塔，不锈钢管代替铜管凝汽器、采冷塔取代湿冷塔，不锈钢管代替铜管凝汽器、采用除盐水、密闭式循环水系统。用除盐水、密闭式循环水系统。优点：节约厂用电、设备少，控制简单；优点：节约厂用电、设备少，控制简单；缺点：空冷塔占地大、基建投资多，表面式换热缺点：空冷塔占地大、基建投资多，表面式换热效率低。效率低。224.2.2 设计背压与主要设计参数设计背压与主要设计
25、参数v设计气温设计气温采用大气干球温度，设计计算参照采用大气干球温度，设计计算参照“典型年的小时气温统典型年的小时气温统计表计表”，取加权平均值。，取加权平均值。v初始温差初始温差ITD：进入空冷散热器的热介质与大气干球温度之差。：进入空冷散热器的热介质与大气干球温度之差。ITD大小取决于凝汽器排汽温度大小取决于凝汽器排汽温度vITD高，需要散热元件少，投资少，但汽机效率低；反之亦然。高，需要散热元件少，投资少，但汽机效率低；反之亦然。v设计背压设计背压与干球温度、与干球温度、ITD相关；相关；要求背压能有一个较大的范围，以满足安全性和经济性。要求背压能有一个较大的范围，以满足安全性和经济性。
26、234.2.3 空冷汽轮机的变工况运行特点空冷汽轮机的变工况运行特点v变工况运行特点变工况运行特点背压变化范围大背压变化范围大v间接（间接（530kPa），直接（），直接（1050kPa）。）。末级叶片容积流量变化大末级叶片容积流量变化大v背压低时，背压低时，Gv大，造成余速损失大、叶片弯曲应力大，有可能造大，造成余速损失大、叶片弯曲应力大，有可能造成气流阻塞；措施：降低经济性维持功率成气流阻塞；措施：降低经济性维持功率v背压高时，背压高时，Gv小，容易出现脱流、倒流现象，后果：冲蚀、叶片小，容易出现脱流、倒流现象，后果：冲蚀、叶片的颤振、叶片根部倒流冲刷，安全性下降。的颤振、叶片根部倒流冲刷
27、，安全性下降。v安全运行工况限制曲线：安全区、过渡区、限时区、危险区。安全运行工况限制曲线：安全区、过渡区、限时区、危险区。末级叶片有盐分沉淀末级叶片有盐分沉淀v威尔逊区：威尔逊区：2%4%湿度区。后果：腐蚀凹坑。湿度区。后果：腐蚀凹坑。低压缸排汽温度变化大低压缸排汽温度变化大vpc不同工况变化大，不同工况变化大，tc也大，造成低缸热膨胀差异，影响安全性。也大，造成低缸热膨胀差异，影响安全性。244.2.4 空冷汽轮机的结构要求空冷汽轮机的结构要求v末级叶片要求末级叶片要求叶片长度比湿冷机组短一些、采用松拉金、型线叶片长度比湿冷机组短一些、采用松拉金、型线设计满足背压变化大的特点。设计满足背压
28、变化大的特点。v低压缸喷水装置低压缸喷水装置当背压过高时，排汽温度叶高，为保护末级叶片，当背压过高时，排汽温度叶高，为保护末级叶片，投入喷水冷却系统。投入喷水冷却系统。v轴承的支撑方式要求轴承的支撑方式要求高功率大型空冷机组，考虑采取落地轴承方式，高功率大型空冷机组，考虑采取落地轴承方式，防止机组的振动和颤振。防止机组的振动和颤振。25本章小结本章小结重点掌握：重点掌握：v凝汽器的组成和结构凝汽器的组成和结构v凝汽器内压力确定及其变工况特性凝汽器内压力确定及其变工况特性v影响因素分析：汽阻、水阻、过冷度！影响因素分析：汽阻、水阻、过冷度！v抽气器的类型及原理抽气器的类型及原理v空冷凝汽器系统的特点空冷凝汽器系统的特点26
