汽轮机原理06

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。第一节第一节 凝汽设备的工作原理和任务凝汽设备的工作原理和任务一，凝汽设备的工作原理一，凝汽设备的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。第五章第五章 汽轮机的凝汽设备汽轮机的凝汽设备000fwcfwttthhhhhhHQHtH0hfwhchfwh0h2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

2、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，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（如在体积突然缩小（如在0.0049Mpa下，蒸汽比水的容下，蒸汽比水的容积大积大28000倍）而形成真空倍）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

3、使用。这就是凝汽设备的工作原理。tH0p0tcp1cp1tH3(1）建立建立并维持维持高度真空，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。(2）将蒸汽凝结成水，并将凝结水凝结水回收到锅炉作为给水给水。：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 = 0.002940.00686M

4、pa(0.030.07ata)，通常取0.005Mpa。cp4二，凝汽系统及主要设备：二，凝汽系统及主要设备：1、最简单的凝汽设备原则性系统图、最简单的凝汽设备原则性系统图（图51）。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515（1），），间接空气冷

5、却系统间接空气冷却系统：空气冷却式凝汽系统如图所示。其主要设备有：混合式凝汽器、凝结水泵、循环水泵、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 。2、空、空 气气 冷冷 却却 式式 凝凝 汽汽 系系

6、统统 6（2）直接空气冷却系统直接空气冷却系统： 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 。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。 74，运行对凝汽设备的要求运行对凝汽设备的要求：（1）凝汽器冷却管应具有较好的传热系数，保证良好的传热效果。

7、自然冷却水泥沙、污染，要清洗；（2）凝结水温度不应低于排汽压力对应的饱和温度，以免增加过冷度过冷度。这和供水方式、季节、地理位置有关；（3）蒸汽在凝汽器内的阻力要小，以降低排汽口压力和减少凝结水过冷度。8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 52 )是使排汽在冷却水中直接冷却而凝结成水。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

8、断地抽出。这种凝汽器结构简单，冷却效果好，制造成本低。9二二 ， 表表 面面 式式 凝凝 汽汽 器器 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，国内外火电厂主要采用这种凝汽器。 101，表面式凝汽器的结构表面式凝汽器的结构 如 图 5 - 3 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2和3，外壳内的两端又装有管板

9、4，管板4上装有很多冷却管。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表面式凝汽器的流程 冷却水从进口11 进入水室15 ，通过冷却管流到另一端水室16，转向后，又经冷却管进入水室17，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 7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空气的抽出 漏入凝汽器的空气，通过抽气口8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

10、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9。115，减少汽侧阻力减少汽侧阻力 为 了 使 汽 气 混 合 物 向 抽 气 口 流 动 ，则抽气口的压力应比凝汽器的压力更低一些。 压 力 差 就 是 凝 汽 器 的 汽 阻 。 汽 阻 大 ， 会 使 凝 汽 器 入 口 压 力 升 高、 凝结水的过冷 度 和 含 氧 量 增 大 。 因 此 ， 应 设 法 减 小 汽 阻 。 抽 气 口 的 位 置 不 同 ， 凝 汽 器 中 汽 流 流 动 方 向 就 不 一 样 ， 凝 汽 器 的 结 构 型 式 也 不 相 同 。 常 见 的 有 如 图 3 - 85 所 示 的 四

11、 种 ， 即 汽 流 向 下 式 、汽 流 向 上 式 、汽 流 向 心 式 、汽 流 向 侧 式 四 种 。 这 些 多 用 于 中 小 型 汽 轮 机 组 。 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

12、器 的 汽 气 混 合 物 被 引 入 到 联 通 目 管 ， 由 抽 气 器 抽 出 。这这 种种 凝凝 汽汽 器器 的的 蒸蒸 汽汽 通通 流流 面面 积积 大大 ， 汽汽 阻阻 小小 ， 凝凝 结结 水水 能能 够够 得得 到到 充充 分分 回回 热热 。 国 产 200 MW 汽 轮 机 配 用 三 壳 体 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

13、 汽 器 。 冷 却 面 积 为 17650 ， 冷 却 管 数 为 9758*2 根 。 13一，凝汽器内压力的确定一，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 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

14、排 汽 温 度 可 表 示 为 ： = + + （ 5-1 ）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 。 cpst1wtwtwtt 1wtt stcp14（一）冷却水的进口温度（一）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

15、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 。 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

16、水 库 。 而 北 方 的 电 厂 ， 由 于 水 源 不 足 ， 多 采 用 循 环 供 水 方 式 。 1wt15（ 二二 ）冷却水的温升）冷却水的温升 1、 冷冷 却却 水水 的的 温温 升升 可 根 据 凝 汽 器 的 热 平 衡 方 程 式 求 出 ： (5- 6 )从 而 ， ( 5- 7 )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 ) 。 wtw

17、wwwwccctDhhDhhD186. 4)()(12 mhhDDhhtcccwccw186. 4)(186. 4 cDwD cchh、21wwhh 、162、冷、冷 却却 倍倍 率率 m = / 称 为 冷 却 倍 率 （ 或 循 环 倍 率 ） ， 它 表 示 凝 结 单 位 蒸 汽 汽 量 所 需 要 的 冷 却 水 量 。 m 值 越 大 ， 则 冷 却 水 的 温 升 越 小 ， 凝 汽 器 内 压 力 越 低 ， 会 使 整 机 理 想 焓 降 增 加 ， 从 而 可 以 提 高 电 厂 热 效 率 。 但 是 ， m 大 则 冷 却 水 量 大 ， 冷 却 水 泵 功 率 大 。

18、 故 m 值 大 小 要 通 过 经 济 技 术 对 比 后 确 定 。 一 般 ， 对 于 单 流 程 凝 汽 器 ， m = 80 120 范 围 之 内 ；对 于 双 流 程 凝 汽 器 ， m = 6070 范 围 之 内 。 每1kg蒸汽在凝结时所放出的潜热，约2200kJ/kg，变化很小，这样，式（5-7）为： cchh mmmhhtccw520186. 42200186. 4 wDcD173、凝汽器的最有利真空和极限真空、凝汽器的最有利真空和极限真空：（1）凝汽器的最有利真空：凝汽器的进汽量是由外界负荷决定的，而冷却水温升是有依靠调节冷却水量来控制的。冷却水量增加，可降低冷却水温

19、升，降低汽轮机排汽压力，增大理想焓降，提高经济性。但是水泵功率要增大。这里有一个最佳冷却水量，即冷却水量增大，使汽轮机功率增加所得到收益大于水泵功率增大，净收益最大。这时候的真空称为凝汽器的最有利真空。（2）凝汽器的极限真空：若真空进一步增高，使末级叶片的斜切部分达到膨胀极限时的真空称为凝汽器的极限真空。这时候余速损失增加。（三）传热端差（三）传热端差 传热端差 和 冷 却 面 积 、 传 热 量 及 传 热 系 数 有 关 系 。 设 计 时 ， 一 般 取 =3 10 。 对 于 单 流 程 凝 汽 器 ， 取 =( 7 9 ) ，对 于 多 流 程 凝 汽 器 ， 取 = ( 4.5 6

20、.5 ) 。 t t t t C0C0C018作业与思考题作业与思考题1，画出最简单的凝汽系统图，其主要设备及其作用。2，间接空冷系统图，其主要设备及其作用。3，凝汽器内的压力如何确定？4，什么是凝汽器的最有利真空和极限真空？19 一 ，凝 结 特 点 ： 假设只有水蒸汽存在，并且凝汽器内各处的压力都相等，则蒸汽应在与压力相对应的饱和温度下凝结。实际上并非如此，因为：1，排汽从凝汽器进口向空气抽出口流动，由于阻力存在，则凝汽器内各处压力都不相同；2，整个系统不可能完全密封，有空气漏入。则凝汽器内各处空气分压也不相同，凝结时的饱和温度也不相同。 这样，由于阻力和空气的存在，蒸汽分压降低，使凝结水

21、温度低于凝汽器进口处的 蒸 汽 温 度 ，造成。20二，二，进入凝汽器的空气量和空气分压进入凝汽器的空气量和空气分压1，空气量：，空气量：（1）空气来源：新蒸汽带入；汽轮机装置密封不严；负荷降低时真空前移， 扩大漏汽范围；（2）设计漏汽量估计（经验公式）：要准确确定空气漏入量是有困难的，通 常用下面的经验公式进 估 计 ： ( 5 - 10 )其 中 ， - 漏 入 空 气 量 ( kg / h ) ； - 凝 汽 器 的 设 计 进 汽 量 ( t / h ) ； - 严 密 系 数 ， 一 般 取 = 5。 上 式 也 可 以 用 于 检 查 凝 汽 设 备 的 严 密 程 度 。 这 时

22、 ， 为 抽 汽 口 测 得 的 被 抽 出 的 空 气 量 。 为 评 定 的 严 密 等 级 系 数 ： =1 为 优 ， = 2 为 良 好 ， = 3 为 中 等 。 ) 1100(1caDkDaDcD1K1K1K1K1K1K212，蒸汽与空气分压：，蒸汽与空气分压： 由于空气的漏入，凝汽器内的总压力 为蒸汽分压和空气分压 之 和 ： = + ( 5 - 1 1 )其 中 ， ( 5 - 12 ) (5- 13 )其中，x为蒸汽干度干度。实际上，在凝汽器中的大部分区域，蒸汽占绝大多数，空气含量很小。在正常情况下， ， 这 样 ， (5- 14 )当 有 99% 蒸 汽 凝 结 ， 即

23、x = 0.01 ， 这样，由上式可得 = 0.99382 。 即 蒸汽分压 接近于总压力。绝大部分蒸汽在压力的饱和温度 下 凝 结 。 空空 气气 对对 蒸蒸 汽汽 凝凝 结结 的的 影影 响响 ， 只只 是是 在在 沿沿 流流 程程 的的 末末 尾尾 区区 段段 （ 空 气 冷 却 区 ） 才 明 显 。 cpspapcacsxDDpp622. 01caccaaxDDpxDDp622. 01622. 00001. 0/caDDxppcs1000062. 01cpspcpcp22三，空气漏入对凝汽器工作的影响 由于空气的漏入，对凝汽器的工作是有影响的 ： 1，空气的漏入会使传热效果变差，传热

24、端差增大。结果会 使排汽压力升高，降低了机组的经济性； 2，空气的漏入，增加了凝结水中空气的溶解度，对汽轮机 装置和管道系统金属产生腐蚀，影响机组的安全性； 3，空气的漏入，会使空气分压增大，使凝结水的过冷度增 加，影响了机组的经济性。 231 1，抽气器的作用，抽气器的作用 抽 气 器 的 作 用 是 将 漏 入 凝 汽 器 内 空 气 不 断 地 抽 出 ， 以 维 持 凝 汽 器 内 的 高 度 真 空 。 故 抽 气 器 工 作 的 好 坏 对 凝 汽 器 工 作 的 影 响 很 大 。 任 何 一 种 抽 汽 器 ， 不 论 其 结 构 和 工 作 原 理 如 何 ， 都 是 一 种

25、 压 气 器 ， 它 将 汽 气 混 合 物 从 凝 汽 器 抽 气 口 的 压 力 压 缩 到 高 于 大 气 压 的 出 口 压 力 。 2 2，抽气器的型式，抽气器的型式 抽 气 器 的 型 式 有 机 械 式 和 喷 射 式 两 种 。 喷 射 式 抽 气 器 结 构 简 单 、 工 作 可 靠 、 制 造 成 本 低 、 维 护 方 便 、 建 立 真 空 快 。 常 用 的 喷 射 式 抽 气 器 有 射射 汽汽 抽抽 气气 器器 和 射射 水水 抽抽 气气 器器 两 种 ， 工 作 原 理 相 同 工 质 不 同 。 前 者 用 蒸 汽 作 工 质 ， 后 者 用 水 作 工 质

26、 。 24 一、一、 射射 汽汽 抽抽 气气 器器 1.1.启动抽气器的结构和工作原理启动抽气器的结构和工作原理： 启 动 抽 气 器 的 作 用 是 在 汽 轮 机 启 动 前 给 凝 汽 器 建 立 真 空 ， 以 缩 短 机 组 启 动 时 间 。 图 5 - 8 为 启 动 抽 气 器 示 意 图 ， 它 主 要 由 工 作 喷 嘴 A 、 混 合 室 B 和 扩 压 管 C 所 组 成 。 工 质 是 新 蒸 汽 ，新 蒸 汽 进 入 工 作 喷 嘴 A ， 在 喷 嘴 A 膨 胀 加速 造 成 一 个 远 高 于 音 速 的 高 速 汽 流 射 入 混 合 室 。高 速 汽 流 有

27、 很 强 的 空 吸 作 用 ， 从 而 将 从 抽 气 口 来 的 汽 气 混 合 汽 流 带 走 ， 并 进 入 扩 压 管 C 。混 合 汽 流 在 扩 压 管 C 中 不 断 扩 压 ， 直 到 压 力 稍 大 于 大 气 压 力 后 排 入 大 气 。 启 动 抽 气 器 功 率 大 建 立 真 空 快 ， 但 工 质 和 工 质 的 热 量 不 能 回 收 ， 有 经 济 损 失 。 故 它 只 作 为 启 动 时 用 。 一 旦 汽 轮 机 正 常 工 作 以 后 ， 主 抽 气 器 便 投 入 工 作 ， 启 动 抽 气 器 停 止 工 作 。 252. 2. 主主 抽抽 气气

28、 器器 主抽气器的作用 ：是在汽轮机正常工作时使用，以维持凝汽器的高度真空。主抽气器一般都采用带中间冷却器的多级型式。其目的在于可以得到更高的真空度，同时也可以回收工质和热量，提高经济性。图5- 9为两级射汽抽气器工作原理图。凝汽器内的汽气混合物由第一级抽气器抽出，并压缩到某一中间压力（低于大气压力），然后进入中间冷却器2。在中间冷却器2中，混合物中的部分蒸汽被凝结成水，而未凝结的汽气混合物又被第二级抽走。在第二级抽气器中，汽气混合物被压缩到略高于大气压力，再经第二级冷却器4进一步凝结并回收工质和热量。最后的空气和少 量未凝结的蒸汽一起排入大气。 26（ 二二 ）射）射 水水 抽抽 气气 器器 射水抽气器的工作原理工作原理：射水抽气器的工作原理同射汽抽气器相同，如图5- 12所示。它主要由工作水进口1、喷嘴2、混合室5、扩压管7和逆止阀6等部件所组成。压力水由射水泵射水泵供给，经喷嘴形成高速射流射出，从而将凝汽器中的汽气混合物抽出 。 射水抽气